同步电机调速系统原理及应用

合成转矩分析：

K6K1K2导通时，电流从A相流入， B相C相流 出，且ib ＝ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
C:电机三相连接的两两导通方式

K1K2导通时，电流从A相流入，C相流出，且 ib ＝ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。
图7.1
SR的原理和特点
转子既无绕组也无永磁体。 定子上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一 个两极磁极，称为一相。 研究表明，低于三相的SR电动机没有起动能力。 原理上，SR与步进电机相似，遵循“磁阻最小原 理”——磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合。 DABCD顺序通电时，转子逆时钟旋转。 SR是一种大步距角的步进电机。 相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但复杂度和 成本都会增加。
(6.7)
BLDCM的数学模型（4）

电磁转矩方程为：
Te
1
(e a i a e b i b e c i c )
(6.8)
BLDCM的等效电路图为：
二、BLDCM控制系统

1、三相BLDCM的控制方式
A:电机三相Y连接的两两导通方式


两两导通方式是指每一瞬间最多只有两只开关导通， 每隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个 开关最多导通120度电角度。 正向时的导通顺序为： K1K2,K2K3,K3K4,K4K5,K5K6,K6K1,K1K2 反向时的导通顺序为： K1K2,K6K1,K5K6,K4K5,K3K4,K2K3,K1K2

第二阶段： t1 <t<t2，
图7.6
L不断增大，存 在旋转电势， 电流变化规 律受导通角 影响较大。
角度位置控制方式（3）

第三阶段： t2 <t<t3，关断开关管。一方面在－Us的
作用下磁链和电流减小，另一方面L在继续增大，存在 旋转电势，电流下降更快。

第四阶段： t3 <t<t4，L基本不变，无旋转电势，电流

自控式系统构成：

自控式同步电机变频调速系统主要由同步电动机、 逆变单元、转子位置检测器和控制单元构成。
自控式同步电机的起动

电机起动之前，同步电机静止，转子位置检测器检测 出转子的初始位置，d轴与A轴的初始夹角为。
起动分析：

在三相绕组中通入如下电流：
i A I m cos( 0 ) i B I m cos( 0 120 ) i C I m cos( 0 120 )
课程内容回顾
第一章：变频调速的一些概念 第二章：坐标变换和异步电机数学模型 第三章：PWM方法 第四章：矢量控制和DTC控制 第五章：同步电机数学模型 第六章：同步电机调速系统 第七章：SR简介
BLDCM的基本特点

气隙磁场感应的反电动势和供电电流关系：
气隙磁场感 应的反电动势波 形为梯形波，包 含较多的高次谐 波。
二、BLDCM的数学模型

由于稀土永磁材料的导磁率很低，转子的磁阻 很高，可忽略转子的影响，可得BLDCM的定 子电压平衡方程式为：
u a R 1 0 0 i a L a L ab L ac i a e a u 0 R 0 i L L b L bc p i b e b 1 b b ba u c 0 0 R 1 i c L ca L cb L c i c e c

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
D:电机三相连接的三三导通方式

K6K1K2导通时，电流从A相流入，B相C相流 出，且ib ＝-ia,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
2、BLDCM伺服系统设计
位置速度检测 PS 位置 调节器 速度 调节器 电流 调节器 PWM 发生器 逆变器 BLDCM
(6.5)
BLDCM的数学模型（2）

BLDCM的转子磁阻不随转子位置变化，假定 电机三相对称，则有：
La Lb Lc L L ab L ba L cb L bc L ca L ac M
(6.5)式可重写为：
u a R 1 0 0 i a L M M i a e a u 0 R 0 i M L M p i e 1 b b b b u c 0 0 R 1 i c M M L i c e c
(6.6)
BLDCM的数学模型（3）

由于电机三相对称，即：
ia ib ic 0 pMia pMia pMic 0
(6.6)式可简化为：
0 0 i a e a u a R 1 0 0 i a L M u 0 R 0 i 0 LM 0 p i b e b 1 b b u c 0 0 R 1 i c 0 0 L M i c e c

差动变压器式位置检测方法（1）
差动变压器式位置检测方法（2）
该方法装置结构简单，工作较为可靠，所以应用较广。
但这种位置检测是粗精度的。
光电式转子位置检测方法

就是利用光电元件进行位置检测。
1、简单式位置检测： 用光电元件代替电磁元件进行位置检测。
2、绝对式光电位置检测

采用绝对式光电码盘。
不产生电磁转矩。在－Us的作用下磁链和电流减小。

第五阶段： t>t4，在这一阶段若电流没有衰减到零，
电流产生制动转矩，电机进入制动状态。
电流斩波控制方式

在电机低速运行时，往往采用电流斩波控制方式来避 免过大的电流冲击。
7.3 PWM控制的SR调速系统设计

位置检测对系统性能十分重要。
系统框图
调速原理：

式（6.3）
6.2 转子位置检测

准确可靠的转子位置检测是自控式同步电机变频调速 系统运行的必要条件。 转子检测一般采用无接触式，常用的转子检测型式： 电磁式、磁敏式、光电式和间接式等。 电磁式子位置检测方法 通过与转子同轴旋转的凸凹圆盘来改变检测元件 的电磁关系，从而达到检测转子位置的目的。 电磁检测方法又可分为差动变压器式和接近开关式 两种。
合成转矩分析：

K1K2导通时，电流从A相流入， C相流出，且 ia ＝-ic,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
B:电机三相Y连接的三三导通方式
三三导通方式是指每一瞬间最多有三只开关导通，每 隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个开 关导通180度电角度。 正向时的导通顺序为： K1K2K3,K2K3K4,K3K4K5,K4K5K6,K5K6K1,K6K1K2 反向时的导通顺序为： K1K2K3,K6K1K2,K5K6K1,K4K5K6,K3K4K5,K2K3K4
间接式转子位置测量方法
通过利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子的位置。 一般分两种：端电压检测法和电压模型法。 端电压法：用于负载换相系统，每相端电压在一个周 期内两次过零点，以此来检测转子位置。 电压模型法：根据模型计算出磁场的大小和方位，间 接获得转子位置。

6.3 同步电机调速系统举例
di dt
L r
（7.2）

电压方程可改写为：
di U s L dt iR ir L
（7.3）

相绕组的电感随转子位置变化的规律为：
图7.4
角度位置控制方式：

角度位置控制是开关磁阻电机常用运行方式。
图7.5
角度位置控制方式（2）


角度相位控制分5个阶段：
第一阶段：0<t<t1:相电流基本线性上升。
较适合于负载换相同步电机调速系统。
3、增量式光电码盘转子位置检测方法
增量式光电码盘位置检测

增量式光电码盘检测位置精度高，信号质量好，在 高性能同步电机调速中广泛应用。 但采用增量式光电码盘时初始位置的确定比较关键。 目前广泛采用的是：简单式＋增量式的方法。 增量式光电码盘还可用于电机速度的检测。 常用的速度检测方法有M法和T法。 M法：通过测量一定周期内脉冲的个数来计算转速， 适用于高速测量。 T法：通过测量脉冲的周期来计算电机的转速，适用 于低速测量。
(6.1)

定子合成磁势为：
Fjs W1 (i A ai B a 2i C ) W1
3 2
Ime
j( 0 )
F e
s
j( 0 )
(6.2)
起动分析（2）：

此时，同步电机的静止起动转矩为：
Te C m F F sin
s r
(6.3)
பைடு நூலகம்
如果电机的起动转矩大于负载转矩，则电机开始转动。 电机起动后，角速度为，必须有：
两种变频调速方式
同步电机变频调速按控制方式可分为自控式和他控式 两种。 他控式；装置与电机是独立的。变频装置的输出频率 由转速给定决定，由于同步关系，这时系统一般为开 环，所依据的原理是VVVF。

控制简单，但存在转子振荡和失步问题。
自控式

自控式：变频装置与电机非独立，变频装置的输 出频率是依据电动机轴上所带的转子位置决定。 组成电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统。 由于同步电机供电频率受转子位置的控制即定子 磁场转速与转子转速相等，始终保持同步，因此 不会出现转子振荡和失步的隐患。