交流永磁同步电机的变频控制
同步电机的变频调速系统
图2-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
2.4
为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
永磁同步电机矢量控制方案在变频空调风机中的运用
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低成本 高性能的永磁 同步 电机 的矢量控制方案
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图 2 永 磁 同步 电机 矢 量 控 制框 图
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变频器在永磁同步电机中的应用
变频器在永磁同步电机中的应用随着科技的不断发展，永磁同步电机作为一种新型的电机类型，已经开始逐渐取代传统电机的地位，而在永磁同步电机中使用变频器已经成为了一个常见的选择。
下面我们将探讨变频器在永磁同步电机中的应用以及它所带来的好处。
一、变频器的作用变频器是一种将电源的直流变为交流并改变频率的装置。
在永磁同步电机中，变频器可以对电机的转速进行控制。
变频器不仅可以控制电机的转速，还可以控制电机的转矩。
利用变频器控制的好处是可以使永磁同步电机完全发挥出其优势，包括高效率、高功率密度、高动态性能、低噪声、低振动等等。
二、变频器的优点1. 精确控制转速在永磁同步电机中，变频器可以精确控制电机的转速。
这种精确控制不仅可以通过调整输出频率来实现，还可以通过调整电压来实现。
这个过程可以通过变频器内的转速控制回路来完成，这使得永磁同步电机可以完美地适应各种负载条件。
2. 提高效率变频器可以提高永磁同步电机的效率。
传统的电机在启动时需要承受较大的电流冲击，这会导致电机的线圈出现过度加热，同时会造成能量的浪费。
而在使用变频器的情况下可以使永磁同步电机以较低的电流启动，并平稳地加速电机，从而可以减少电机线圈的过度加热和能量的浪费，提高电机的效率。
3. 节省能源使用变频器可以节省永磁同步电机的能源。
这意味着可以降低运行成本。
变频器可以通过分析永磁同步电机的负载情况以及需要的输出功率，对电源进行精确的控制，从而达到节省能源的目的。
4. 增加电机使用寿命传统的电机使用过程中，一些由于负载变化等因素造成的电机运行异常，例如电机被过载，会导致电机的寿命受到影响。
而使用变频器可以有效地解决这个问题。
使用变频器精确地控制电机的运行状态，避免电机过载运行，有助于延长电机的寿命。
5. 提高电机的精度和稳定性使用变频器可以改善永磁同步电机的精度和稳定性。
由于变频器可以精确地控制电机的运行状态，使电机转速更加稳定准确，能够提高电机的准确度和稳定性，降低电机出现失调和漂移的情况。
永磁同步电机变频调速控制方法研究
永磁同步电机变频调速控制方法研究第一章前言随着社会的发展，电机控制技术的研究和应用越来越受到关注。
永磁同步电机作为一种新型电机，具有高效、低噪音、小体积、高可靠性等优点，被广泛应用于新能源汽车、电动机车、风力发电以及工业自动控制等领域。
而变频调速控制技术则是电机驱动中的核心技术之一，可以改变电机输出的频率和电压，从而实现精准控制。
本文将着重研究永磁同步电机的变频调速控制方法，分别从控制系统结构、控制算法和实验验证三个方面进行探讨，旨在为永磁同步电机的实际应用提供参考。
第二章控制系统结构永磁同步电机的控制系统框图如下图所示：其中，电机控制器、变频器、传感器和计算机组成了整个控制系统。
电机控制器主要负责控制永磁同步电机的转速和电流，实现闭环控制；变频器则是将直流电源转换成交流电源，并可实现变换频率和电压的功能；而传感器主要用于测量电机的实际速度、位置以及转矩等信号，为电机控制提供反馈信号。
在永磁同步电机的控制系统中，最为关键的部分是电机控制器。
电机控制器可以采用矢量控制算法、直接转矢量控制算法、预测控制算法等不同控制算法进行实现。
其中，矢量控制算法具有控制精度高、响应速度快等优点，被广泛应用于永磁同步电机的控制中。
第三章控制算法3.1 矢量控制算法矢量控制算法是在永磁同步电机坐标系中进行控制的一种算法，其核心思想是将三相电压和电流通过变换矢量的方式，转换成两相电压和电流进行控制，从而实现在任意转速下永磁同步电机的控制。
具体来说，矢量控制算法是将永磁同步电机转换成dq坐标系，通过dq坐标系下的电压矢量和电流矢量，实现对电机的精确控制。
该算法不仅控制精度高，而且稳定性好，已经成为永磁同步电机控制中最为常用的方法。
3.2 直接转矩控制算法直接转矩控制算法又称为直接转矩控制算法，它也是在dq坐标系下进行控制的一种算法。
与矢量控制算法不同的是，直接转矩控制算法不需要进行矢量变换，通过直接控制dq坐标系下的电流，控制永磁同步电机的电磁转矩。
变频永磁电机工作原理简述
变频永磁电机工作原理简述变频永磁电机是一种采用变频技术驱动的永磁电机，它的工作原理是通过改变电机的供电频率来调节电机的转速和转矩。
一般的永磁电机是直接通过电网供电，转速和转矩是固定的。
而变频永磁电机采用变频器控制电机的供电频率，可以根据需要调节电机的转速和转矩，具有更广泛的应用领域。
变频永磁电机的核心部件是永磁同步电机。
这种电机是由永磁体和同步电机组成的，通过定子产生的磁场与永磁体上的磁场进行交互作用，产生转矩。
永磁同步电机具有高效率、高功率密度和高性能的特点，广泛应用于工业生产和家用电器等领域。
变频永磁电机的工作原理可以简单地分为两个部分：变频器控制和永磁同步电机驱动。
变频器控制部分。
变频器是一种能够将来自电网的交流电转换为可变频率的交流电的电子设备。
它通过控制电流的频率和幅值来调节电机的转速和转矩。
变频器可以根据电机的负载情况和控制要求，自动调整电机的工作频率和电压，从而实现对电机的精确控制。
永磁同步电机驱动部分。
当变频器输出的可变频率交流电经过逆变器转换为直流电之后，通过控制逆变器的输出电流，可以改变永磁同步电机的磁场强度和方向，从而实现对电机转速和转矩的调节。
逆变器可以根据电机的工作状态和控制要求，动态调整输出电流的频率和幅值，使电机能够稳定运行，并提供所需的转矩。
变频永磁电机通过变频器控制电机的供电频率，再通过逆变器控制永磁同步电机的磁场强度和方向，从而实现对电机转速和转矩的精确控制。
这种电机具有高效率、高功率密度、高性能的特点，可以满足不同工况下的需求。
变频永磁电机在工业领域有广泛的应用。
例如，它可以用于机床、风力发电、电动汽车等领域。
在机床上，变频永磁电机可以实现高速、高精度的切削加工；在风力发电中，它可以提高发电效率和可靠性；在电动汽车中，它可以提供高效、低噪音的驱动力。
变频永磁电机是一种通过改变电机的供电频率来调节转速和转矩的永磁电机。
它采用变频器控制和永磁同步电机驱动的方式，具有高效率、高功率密度和高性能的特点。
变频永磁电机工作原理简述
变频永磁电机工作原理简述
1.工作原理：
永磁同步电机的工作原理是利用定子上的三相绕组产生旋转磁场，而转子上的永磁体则产生磁场与之同步旋转。
当定子上的电流通过三相绕组时，会产生磁场转动，而转子上的永磁磁场受到定子磁场的作用会同步旋转，从而达到驱动电机运转的目的。
变频器的工作原理是通过变频器将交流电源的频率和电压进行转换。
变频器通过将输入的交流电源信号进行整流、滤波和变频等处理，输出与电机匹配的电流和频率，从而实现对电机的精确控制。
变频器可以通过控制输出电压和频率来调节电机的转速和扭矩。
2.结构：
定子是电机的固定部分，通常由铁心、绕组和定子槽等组成。
定子上的绕组通过电流产生旋转磁场。
转子是电机的旋转部分，通常由铁心和永磁体等组成。
转子上的永磁体产生磁场与定子磁场同步旋转。
永磁体是电机的核心部分，通常采用稀土磁材料制成。
永磁体的磁场与定子磁场相互作用，使转子随之旋转。
变频器是控制电机转速和扭矩的关键装置，通过调节输出频率和电压来实现对电机的精确控制。
3.应用：
工业应用：在工业生产中，变频永磁电机广泛应用于风力发电机组、压缩机、水泵、风机、输送机、切割机等机械设备。
交通运输：在交通运输领域，变频永磁电机广泛应用于电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动船舶等交通工具。
家用电器：在家用电器领域，变频永磁电机广泛应用于空调、冰箱、洗衣机、电视、风扇等家用电器。
新能源应用：在新能源领域，变频永磁电机广泛应用于太阳能发电、风能发电等新能源装置。
总结：。
变频器永磁同步电机控制介绍
变频器永磁同步电机控制介绍变频器是一种能够控制电机运行速度和实现精确控制的设备。
永磁同步电机则是一种采用永磁体作为励磁源的同步电机。
本文将介绍变频器在永磁同步电机控制方面的应用。
一、变频器的原理和作用变频器的原理是通过改变电机供电频率来控制其转速。
传统的交流电机一般由交流电源供电，而交流电源的频率是固定的。
变频器通过改变电源的频率，可以实现对电机转速的调节。
在变频器中，主要有三个部分：整流器、逆变器和控制器。
整流器将交流电源转换为直流电，逆变器将直流电转换为可调频率的交流电，控制器负责对逆变器进行速度和转向的控制。
在永磁同步电机控制中，变频器的作用是将电机与逆变器连接，通过控制逆变器的输出频率，驱动电机旋转。
由于永磁同步电机具有较高的转矩密度和效率，因此在需要实现高效率和高精度控制的应用中广泛使用。
二、变频器在永磁同步电机控制中的应用1. 转速控制变频器通过改变输出频率，可以实现对永磁同步电机的转速控制。
通过调节变频器的输出频率和转矩，可以使电机以不同的转速运行，满足不同工况下的需求。
例如，在工业生产中，经常需要根据生产需要调整电机转速，变频器可以通过简单的设置实现这一功能。
2. 转矩控制除了转速控制外，变频器还可以实现对永磁同步电机的转矩控制。
通过调整变频器输出的电压和频率，可以控制电机的转矩大小。
在一些需要精确转矩控制的场合，如机械加工和物料输送系统等，变频器的转矩控制功能非常重要。
3. 节能控制使用变频器驱动永磁同步电机，可以实现能耗的有效控制。
传统的电机通过改变输入电压或闭环调速来实现控制，效率较低。
而变频器可以根据实际需求调节输出频率，以最佳的效率工作，从而节约能源。
4. 反馈控制变频器通过实时监测电机的转速和电流等信息，可以反馈给控制器进行精确的控制。
这种反馈控制可以实现对电机运行状态的监测和调整。
通过变频器的反馈控制，可以提高电机的运行精度和稳定性。
三、变频器在永磁同步电机控制中的优势1. 高效率：由于永磁同步电机的特性，结合变频器的控制，可以实现高效率的转速和转矩控制，提高能源利用效率。
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项目6 数控机床的伺服驱动系统
任务6.7 交流永磁同步电机的变频控制系统
按磁场定向的矢量控制系统（了解）
永磁同步电动机的他控 变频调速系统
永磁同步电动机的自控 变频调速系统
梯形波永磁同步电动机（无刷直流 电动机）的自控系统（掌握） 正弦波永磁同步电动机的自控系统 （掌握）
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项目5 数控机床的进给伺服系统
二、他控变频调速系统
按转子磁场定向的矢量控制系统 基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过 坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再 模仿直流电动机的控制方法进行控制。
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项目 数控机床的进给伺服系统
三、自控变频调速系统
1、无刷直流电动机的方波电流驱动 无刷直流电动机的驱动原理和直流电动机是等效的。 无刷直流电动机采用电子逆变器和转子位置检测 器，用静止的电子换向电路代替了机械式的电刷 和换向器。 • 在无刷直流电动机中，三相绕组通入的方波驱动 电流具有双极性、方波宽度为120。角度、三相电 流相位差120。电角度的特性。三相绕组方波电流 由V1～V6大功率晶体管组的逆变器生成。
对于振荡和失步问题 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可 以跟着频率改变，于是就不会振荡和失 步了。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供 电的系统。
• 自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器 提供的转子位置信号来控制变压变频装置 换相时刻的系统。
iU*= Isinθ iV*= Isin(θ-1200) iW*= Isin(θ-1200)
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项目5 数控机床的进给伺服系统
•
三相电流指令i*U、i*V、i*W 在与电流检测反馈 信号iU、iV、iW比较后，通过电流调节器ACR得 到正弦波控制信号，然后经SPWM控制及驱动电 路获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制 主电路中的六个大功率晶体管的导通和截止， 输出U、V、W三相正弦波电流控制电动机运行。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 同步电动机电磁转矩的大小与定、 转子磁场轴 线之间的夹角α的大小有关。 • 如图6-7-2所示。对于磁极对数p=1的隐极式转子 的永磁式同步电动机来说： 当α=0°时，转子只受到径向力的作用，不会 形成电磁转矩。 当0°＜ α ＜90°时，转子受到的作用力可以 分解为一个径向分量和一个切向分量，其中切向 分量产生电磁转矩。 当 α=90°时转子只受到切向力的作用，电磁 转矩最大，称为最大同步转矩。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
(a)
(b)
(c)
图6-7-2 永磁式同步电动机的电磁转矩 (a) α=0°; (b) 0°＜α＜90°; (c) α=90°
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转 速n虽然不变， α却相应增大。如果负载转矩超 过最大同步转矩（α>900) ，电动机就会带不动 负载，转速便会下降即而出现所谓的失步现象， 直到转速下降为零。
思考：哪个是凸极式哪个是隐极式？
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项目5 数控机床的进给伺服系统
工作原理： 定子绕组与三相电源接通后可以产生旋转磁 场，根据异性相吸原理，定子N0极（或S0极）吸 住永磁转子的S极（或N极），使转子随着旋转磁 场以同一速度旋转起来。
60 f n p
显然，改变磁极对数P可以实现有级调速，且P较 大时，成为低速电机；而改变f可以实现无级平 滑调速。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 每60度时,V1~V6 导通状态改变一 次,定子三相绕 组中电流状态改 变一次,定子磁 场转动60度，转 子也步进60度。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 无刷直流电动机的转速控制是无刷直流电动机在 恒转矩调速状态下，根据速度给定指令的大小， 经速度和电流调节，通过PWM控制，换向逻辑控制 电路输出的基极驱动脉冲频率发生变化，从而使 逆变器输出的方波电流频率也随之变化，最终实 现调速的目的。 • 和直流电动机改变电枢电压极性从而改变转向的 控制不同，无刷直流电动机的转向控制是根据速 度给定指令中的方向信号，经逻辑换向控制，使 逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变， 从而改变三相通电顺序，使定子磁场的转向改变， 实现电动机的转向控制。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
一、交流永磁同步电机
永磁式同步电机 同步电机 反应式同步电机 磁滞式同步电机 永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，结构 形式可以是凸极式，也可以是隐极式。 隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，但凸极 效应能产生平均转矩。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
图6-7-1
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项目5 数控机床的进给伺服系统
2、正弦波永磁同步电动机的自控变频
• 首先，交流永磁同步电动机的转距表达式 T= KT IΦ 式中 KT是比例系数 I是定子电流幅值 Φ是转子磁链 • 由于KT是常数，Φ是转子磁链，对于同一电机来说 认为是常数。因此电机的输出转矩与正比于定子 电流幅值，控制定子电流幅值就能很好地控制转 矩，和直流电动机完全一样。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
正弦波永磁同步电动机的自控变频系统
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 由电机转子上的位置检测装置测的转子位置角θ， 经正弦信号发生器得到三个正弦波位置信号分别为： a=sinθ b=sin(θ-1200) c=sin(θ+1200) • 速度指令Un*与反馈指令Un比较后,通过速度调节器 ASR输出转矩指令T*，T*与电流I*成正比，在乘法 器中与a、b、c相乘得到三相电流信号
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项目5 数控机床的进给伺服系统
永磁同步电机的优缺点
优点： （1）转速与电压频率严格同步； （2）功率因数高到1.0；
存在的问题： （1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；
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项目5 数控机床的进给伺服系统
问题解决思路
对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电 机转速逐渐上升，实现软起动。