同步电机原理幻灯片.ppt

第五章 同步电机数学模型 5.1 同步电机的基本结构和特点 5.2 同步电机的一般方程式 5.3 d.q坐标下的同步电机方程 5.4 转子磁场定向控制的同步电机数学模型 5.5 永磁同步电动机（PMSM）的模型 5.6 气隙磁场定向控制的同步电机数学模型 5.1 同步电机的基本结构和特点 同步电机由定子和转子组成。 定子结构和异步电机定子结构基本相同，由定子铁芯、三相对称绕组、以及机座构成。 转子按其磁极形状可分为凸极式和隐极式两种。 基本结构和特点（2） 同步电机转子：磁极铁芯，磁极绕组等组成。 中大容量同步电机的励磁绕组由直流励磁绕组供电，一般做成无刷励磁系统。 小容量同步电机转子常用永久磁铁励磁（永磁同步机），其磁场可视为恒定。 基本结构和特点（3） 凸极式转子：有明显磁极、气隙不均匀，造成直轴磁阻小，与之垂直的交轴磁阻大，两轴电感不等。 凸极转子的磁极极靴上一般装有阻尼绕组，其作用： ①恒频下运行时，用于起动，和抑制重载时容易发生的振震； ②变频运行时，抑制变频器引起的谐波和负序分量； ③减小同步电动机的暂态电流，加速动态响应。 基本结构和特点（4） 在调速系统中采用同步电机有以下特点： 1．同步电机的转速与电源的基本频率之间保持着同步关系→ 转速精确控制。 2．同步电机比异步电机对负载（转矩）扰动具有更强的承受能力，能作出较快反应。 3．同步电机转子有励磁，即使在极低的频率下也能运行，调速范围宽。而异步电机：转子电流靠电磁感应产生，频率极低时，难以很好励磁。 4．同步电机的功率因数：调节转子励磁，调节电机电流功率因数。φ=1→损耗小 φ超前→负载换流 5.2 同步电机的一般方程式 先作如下假定 （1）电机铁芯的导磁系数为无穷大，不考虑磁滞、涡流影响，并且磁路不饱和：忽略磁场中的非线性因素，从而可利用叠加原理来计算合成磁场。 （2）定子对称。 （3）定子所产生的磁场沿定子正弦分布，也就是略去磁场中所有的空间谐波分量。 （4）阻尼绕组的阻尼条及转子导磁体对转子d .q轴对称。 电压方程式 定子电压方程 ： 磁场方程式 同步机绕组布置图 磁场方程式分析 由于转子旋转和转子凸极性的关系，定子绕组和转子绕组间的互感，定子绕组各相之间，甚至定子绕组本身的自感均随转子的位置变化. 只有转子绕组自感、磁绕组与直轴阻尼回路之间的互感是常数，与转子位置无关。 同步电机磁链方程是一个随转子位置变化的变系数方程，求解相当困难。 出路:坐标变换。 5．3 d.q坐标下的同步电机方程 由于电机定子内腔是对称的, 对一个与转子一起转动的观察者来说, 不论转子位置如何, d轴和q轴绕组的磁路始终保持不变。 因此在d.q坐标系中, 在磁势一定的条件下, 绕组的磁链就不再含有交变分量, 也就是电机的基本方程式中将具有常系数，这就带来分析研究的巨大简化。 dq 坐标系下同步电机的磁链方程 采用dq旋转坐标系, 经正交变换, 同步电机的磁链方程为: dq 坐标系下同步电机的电压方程 同异步电机分析，可得到电压方程为 ： 同步电机的等效模型 dq 坐标系下的数学模型 5.4 转子磁场定向控制的同步电机数学模型 由（5.8）第4行得: 数学模型(2) 由(5.8)第五行得: 数学模型(3) 将(5.10)、(5.11)代入到(5.5),可得转子磁链方程: 数学模型(4) 电机的力矩方程: 数学模型(5) 由式(5.12)可以看到，转子磁链方程比较复杂。 为了简化控制系统，可把定子电流矢量始终控制在q轴上，即定子电流无d轴分量。 转子磁链方程为： 分析 这样一来, 定子电流与转子励磁电流分别独立调节和控制,与真正直流电机极为相似。 这种控制方式对小容量同步电机比较适合，目前交流伺服系统，特别是采用永磁同步机的系统，主要采用转子磁场是向控制。 中大容量的同步电动机，一般不采用这种控制，而采用气隙磁场定向的控制方法。 为什么? 因为气隙磁链随负载变化较大，引起电压比的波动。 5.5 永磁同步电动机（PMSM）的模型 永磁同步机具有正弦形的反电动势，其定子电压、电流也应为正弦波，转子无阻尼绕组。 在d.q坐标系下，永磁同步电动机定子磁链方程为： PMSM定子电压方程 PMSM定子电压方程为 : PMSM常用控制模型（1） 在PMSM中, 由于转子磁链恒定不变, 故通常采用转子磁场定向方式来控制。 在基速以下恒转矩运转中, 把定子电流矢量固定在q轴上，即定子电流中无d轴分量，这时： PMSM常用控制模型（2） 这种方法和永磁直流电动机控制极为相似：永磁转子提供磁场, 定子电流产生电磁力矩, 电磁力矩与定子电流矢量成正比。