永磁同步電機(jī)同步電機(jī)交流變頻電機(jī)筆記

1、總結(jié)：兩種永磁同步電動機(jī)的比較(1) 無刷直流電動機(jī)（簡稱BDCM，又稱梯形波永磁同步電動機(jī)/方波電動機(jī)）： 其出發(fā)點(diǎn)是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機(jī)的定子磁極，將原直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流，而BDCM是將方波電流（實(shí)際上也是梯形波）直接輸入定子， 其好處就是省去了機(jī)械換向器和電刷，也稱為電子換向。為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求系統(tǒng)向BDCM輸入三相對稱方波電流，同時(shí)要求BDCM的每相感應(yīng)電動勢為梯形波，因此也稱BDCM為方波電動機(jī)；（調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大） (2) 永磁同步電動機(jī)（簡稱PMSM,又稱正弦波電動機(jī)）： 其出發(fā)

2、點(diǎn)是用永磁體取代電勵磁式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。PMSM的定子與電勵磁式同步電動機(jī)基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相正弦的。為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求系統(tǒng)向PMSM輸入三相對稱正弦電流，同時(shí)要求PMSM的每相感應(yīng)電動勢為正弦波，因此也稱PMSM為正弦波電動機(jī)。 總結(jié)一：1.交流變頻電機(jī)雙邊勵磁的電機(jī)，轉(zhuǎn)子交流勵磁，可自行起步，存在轉(zhuǎn)差率S；2.同步電機(jī)雙邊勵磁的電機(jī)，轉(zhuǎn)子直流勵磁，不可自行起步3.無換向器同步電機(jī)由同步電動機(jī)、位置檢測器和電力電子裝置組成的電子運(yùn)行電機(jī)系統(tǒng)，其調(diào)速性能類似于直流電動機(jī)。由于其定子繞組電流的頻率受轉(zhuǎn)速自動控制、可消除振蕩，所以亦稱

3、為自控式同步電動機(jī)4.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，添加位置傳感器，采用逆變電路控制?？偨Y(jié)二：調(diào)速電動機(jī)：調(diào)速電動機(jī)最常用的有交流變頻電動機(jī)、磁阻電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 同步電動機(jī)也是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成的。1定子 由于同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)部件和異步電動機(jī)一樣，起著接收、輸出電能和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的作用，它們的結(jié)構(gòu)形式并無多大區(qū)別，所以同步電動機(jī)的定子也是由導(dǎo)磁的定子鐵心和導(dǎo)電的三相交流繞組，以及固定鐵心用的機(jī)座和端蓋等部件組成。 2轉(zhuǎn)子 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是有明顯磁極的，稱為凸極式，如圖113 (a)所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個圓柱體，并無

4、明顯磁極，稱為隱極式，如圖113(b)所示。(a) (b)圖113 旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖(a) 凸極式； (b) 隱極式1定子；2轉(zhuǎn)子；3集流環(huán)一般同步電動機(jī)都做成凸極式，和直流電動機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子磁極鐵心由鋼板沖成沖片后，疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組，勵磁繞組用絕緣的銅線繞成，它與極身之間有絕緣。各磁極上勵磁繞組間的聯(lián)接，必須注意到通過勵磁電流以后，相鄰磁極的極性呈現(xiàn)N與S交替排列，勵磁繞組兩個出線端接到兩個集電環(huán)上，通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出，另外在磁極表面上裝有籠型繞組，這種籠型繞組稱為阻尼繞組，如圖1123所示。整個轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、勵磁繞組、轉(zhuǎn)子支架(大型同步電動機(jī)

5、有)、軸以及集電環(huán)等部件組成。勵磁用的直流電流一般由整流電源來供給，也可用一臺與同步電機(jī)同軸或非同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。如果用永久磁鐵做成的轉(zhuǎn)子來代替直流勵磁的磁極，這種同步電動機(jī)，被稱為三相永磁同步電動機(jī)（即直流無刷電動機(jī)），由于三相永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子不需用直流電流勵磁，所以結(jié)構(gòu)更簡單，性能更好，是目前使用的主要伺服電動機(jī)之一。11.5同步電動機(jī)的起動 同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生的，僅在這兩者相對靜止時(shí)，才能得到平均電磁轉(zhuǎn)矩。如將同步電動機(jī)勵磁接入電源時(shí)，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場（轉(zhuǎn)子）是靜止不動的。當(dāng)定子接入電網(wǎng)時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場立即以同步轉(zhuǎn)速相對轉(zhuǎn)子

6、磁場作相對運(yùn)動，所以不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)不能起動。這一現(xiàn)象可以用圖1122來說明。假設(shè)定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，并在開始瞬間為圖1122(a) (a) (b) 圖1122 接通勵磁后起動時(shí)同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 (a) 相互吸引； (b) 相互排斥所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也為逆時(shí)針方向，是推動轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的。但由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)動緩慢的轉(zhuǎn)子還未轉(zhuǎn)動時(shí)，定子磁場已向前轉(zhuǎn)動了一個極距，達(dá)到圖1122(b)所示的位置，此時(shí)定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極間的電磁轉(zhuǎn)矩又為順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，其結(jié)果轉(zhuǎn)子承受了一個脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，故同步電動機(jī)不能自行起動。

7、因此，要起動同步電動機(jī)必須借助于其他方法。目前同步電動機(jī)常用的起動方法有兩種，即變頻起動法和異步起動法。11.5.1 變頻起動法變頻起動方法是開始起動時(shí)，轉(zhuǎn)子先加上勵磁電流，定子邊通入頻率極低的三相交流電流，由于電樞磁動勢轉(zhuǎn)速極低，轉(zhuǎn)子便開始旋轉(zhuǎn)。定子邊電源頻率逐漸升高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之逐漸升高；定子邊頻率達(dá)額定值后，轉(zhuǎn)子也達(dá)額定轉(zhuǎn)速，起動完畢。顯然定子邊的電源是一個可調(diào)頻率的變頻電源，一般是采用變頻裝置。大型同步電動機(jī)采用變頻起動方法的日漸增多。11.5.2 異步起動法異步起動方法即在凸極式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼繞組而獲得起動轉(zhuǎn)矩，是一種常用的異步起動法。阻尼繞組和異步電動機(jī)的籠型繞組很相

8、似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，如圖1123所示，所以有時(shí)也把這種阻尼繞組稱為起動繞組。圖1123 異步起動法原理接線圖11.6 無換向器電動機(jī)無換向器電動機(jī)是頻率閉環(huán)控制的同步電動機(jī)，亦稱自控式同步電動機(jī)。這種電動機(jī)是電力電子學(xué)與電機(jī)學(xué)互相交叉、互相滲透的結(jié)果，它標(biāo)志著電機(jī)學(xué)科發(fā)展的方向。 無換向器電動機(jī)本體就是一臺同步電動機(jī)，但其調(diào)速性能又和直流電動機(jī)相似，所以這種電動機(jī)集交、直流電動機(jī)之優(yōu)點(diǎn)于一體，為電動機(jī)向高速化、大容量化發(fā)展開辟了道路。無換向器電動機(jī)的轉(zhuǎn)子若用永磁體勵磁，制成無刷結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)就更為突出。本節(jié)分析無換向器電動機(jī)的有關(guān)內(nèi)容。其他永磁電動機(jī)的內(nèi)容稍后介紹。11.6.1無換向器

9、電動機(jī)的分類按運(yùn)行方式無換向器電動機(jī)分以下兩種。 一、交直交無換向器電動機(jī) 又稱無換向器電動機(jī)交直交系統(tǒng)。它是由交流電經(jīng)整流變成直流電，再由晶閘管或晶體管組成的逆變器變成頻率可調(diào)的交流電供給同步電動機(jī)，實(shí)質(zhì)上這是一個頻率自控同步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要由同步電動機(jī)、可控整流器、晶閘管或晶體管所組成的逆變器、位置檢測器以及控制線路等所組成，其示意圖如圖1124所示。圖1124 交直交無換向器電動機(jī) 無換向器電動機(jī)交直交系統(tǒng)有一下特點(diǎn)：逆變橋可采用可關(guān)斷器件，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活；調(diào)速范圍寬，可達(dá)3000：1或更高；使用永磁體勵磁轉(zhuǎn)子，制成無刷結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無損耗，效率高。這種電機(jī)適合于高性能的伺

10、服拖動系統(tǒng)，如高檔數(shù)控機(jī)床的給進(jìn)拖動系統(tǒng)。二、交交無換向器電動機(jī) 又稱無換向器電動機(jī)交-交系統(tǒng)。它是利用晶閘管或晶體管組成的變頻器，直接把50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流電供電的同步電動機(jī)，是另一種頻率自控同步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是由同步電動機(jī)、變頻器、位置檢測器以及控制線路等所組成，其示意圖如圖1125所示。圖1125 交交無換向器電動機(jī)示意圖 這種電路有以下特點(diǎn)：變流器輸出頻率在電源頻率以下，因此只能在同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速；變流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制也復(fù)雜；電動機(jī)功率因數(shù)可接近于1，過載能力大。11.6.2 無換向器電動機(jī)的工作原理從結(jié)構(gòu)上講，無換向器電動機(jī)系統(tǒng)中的同步電動機(jī)除了裝有位置檢

11、測器以外，與普通同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)沒有根本區(qū)別，都是定子上安置空間對稱的三相交流繞組，轉(zhuǎn)子為直流勵磁或永磁體勵磁。從運(yùn)行原理上講，無換向器電動機(jī)系統(tǒng)與直流電動機(jī)非常類似。從直流電機(jī)原理可知，為了保持旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢與勵磁磁勢保持垂直，必須裝置換向器，而且電刷必須裝在幾何中性線上，以保持最大的電磁轉(zhuǎn)矩。但實(shí)際安裝中，換向器總會或多或少的偏離幾何中性線，然而直流電機(jī)仍然可以工作，只是電磁轉(zhuǎn)矩比電刷在幾何中性線上少了一些而已。這就說明，只要電樞磁勢與勵磁磁勢保持一定的夾角，電機(jī)就會得到一定的電磁轉(zhuǎn)矩。顯然當(dāng)電樞磁勢與勵磁磁勢夾角為90°（垂直時(shí)），電磁轉(zhuǎn)矩最大（直流電機(jī)就是如此），夾角為0&#

12、176;時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩消失（為0），夾角的大小改變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩改變。無換向器電動機(jī)的運(yùn)行原理，可以利用直流電機(jī)的原理來分析。一、無換向器同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩圖1126是一個無換向器同步電動機(jī)系統(tǒng)的組成原理，同步電動機(jī)的三相定子繞組為圖1126 無換向器同步電動機(jī)系統(tǒng)星形連接，每相繞組的出線端連接一個晶體管的發(fā)射極和另一個晶體管的集電極。前一個晶體管稱為正側(cè)晶體管，即V1、V3、V5；后一個晶體管稱為負(fù)側(cè)晶體管，即V4、V6、V2。轉(zhuǎn)子位置檢測器，用來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到什么位置。晶體管控制電路根據(jù)位置檢測器檢測到的信號控制晶體管的通斷。為了簡便分析，圖1127所示為選定幾個特定時(shí)刻。(a) (b) (c)

13、 圖1127 不同晶體管導(dǎo)通瞬時(shí)的電流與磁場相量圖(a) 電流從A相流入B相流出；(b) 電流從A相流入C相流出；(c) 電流從B相流入, C相流出 1. 0°60°，V1、V6導(dǎo)通在這一時(shí)刻，如圖1127(a)所示。此時(shí)A相正側(cè)晶體管V1及B相負(fù)側(cè)晶體管V6處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V6從B相流出，如圖1127(a)中箭頭所示。將A相磁場與B相磁場兩者合成為磁場，即為此時(shí)電動機(jī)電樞磁場。的大小及方向如圖1127(a)下所示。此時(shí)定子繞組產(chǎn)生的電樞磁極的位置和轉(zhuǎn)子磁極在空間相差120°電角度，與相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子將作逆時(shí)針

14、方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使與之間的夾角變化，電磁轉(zhuǎn)矩隨之變化，在此期間晶體管V1和V6保持導(dǎo)通不變，保持不變。2. 6 0°120°，V1、V2導(dǎo)通當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過空間60°電角度（與之間的夾角為60°）時(shí)，時(shí)間同樣過去了。這時(shí)使晶體管V1、V2導(dǎo)通、V6關(guān)斷，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V2從C相流出，如圖1127(b)中箭頭所示。此時(shí)和的合成磁勢如圖1127(b)下所示。可見V1、V2導(dǎo)通時(shí)的電樞磁勢比V6、V1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動了60°電角度。的位置和再次相差120°，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，此時(shí)V1、V2導(dǎo)通仍然保持不變，也保持不變，和

15、之間夾角變小。3. 120°180°，V2、V3導(dǎo)通 當(dāng)再次逆時(shí)針轉(zhuǎn)過60°（與之間的夾角又為60°）時(shí)，時(shí)間也又過去了。這時(shí)使晶體管V2、V3導(dǎo)通、V1關(guān)斷，電流經(jīng)V3從B相流入，經(jīng)V2從C相流出, 如圖1127(c)中箭頭所示。此時(shí)和的合成磁勢如圖1127(c)下所示?？梢奦2、V3導(dǎo)通時(shí)的電樞磁勢比V1、V2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動了60°電角度。的位置和又相差120°，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，此時(shí)V2、V3導(dǎo)通仍然保持不變，也保持不變，和之間夾角變小。以上3個時(shí)刻，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動了空間電角度，（轉(zhuǎn)子）跟隨（旋轉(zhuǎn)磁場）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動了

16、同樣的空間電角度，時(shí)間也同樣過了電角度。顯然每隔60°電角度躍進(jìn)一次，每次逆時(shí)針向前躍進(jìn)60°空間電角度，而是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。由于的躍進(jìn)，電磁轉(zhuǎn)矩有一定的脈動分量。另外半個周期讀者可以自行分析。綜合以分析可見：（1） 只要轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測出轉(zhuǎn)子磁極的不同位置，按照上述的順序去導(dǎo)通和截止各相出線端所連接的晶體管，保持磁極磁場滯后電樞磁場的最大角度為120°電角度，最小電角度60°的位置關(guān)系，便可使三相同步電動機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。（2） 滿足（1）中導(dǎo)通情況，各相晶體管在360°電角度內(nèi)導(dǎo)通順序如表111所示。 表111 三相同步電動機(jī)的晶體管導(dǎo)通順

17、序轉(zhuǎn)子位置（電角度）0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°三相繞組電流ABACBCBACACB正側(cè)導(dǎo)通晶體管 A (V1) B(V3) B(V5)負(fù)側(cè)導(dǎo)通晶體管B(V6) C(V2) A(4) B(6)可見：在一個周期中，每一個晶體管導(dǎo)通120°。各晶體管按12、23、34、45、56、61的順序?qū)ā?3) 根據(jù)表111，可以畫出各相電流的波形如圖1128所示。圖1128 電樞三相繞組的電流波形圖 可見：在一個周期中，每相繞組正向?qū)?20°，停60°，再反向?qū)?20

18、°。每相繞組中的電流是交變電流。電樞旋轉(zhuǎn)磁場就是由這三相交流電流合成產(chǎn)生的。 同步電機(jī)系統(tǒng)中，無論是交直交系統(tǒng)還是交交系統(tǒng)，都有電流型與電壓型之分。電流型逆變器輸出方波電流，電壓型逆變器輸出方波電壓。在分析時(shí)要加一區(qū)別。小 結(jié)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)速與定子繞組電流的頻率成正比，不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而改變。當(dāng)電源頻率固定時(shí)，同步電動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)變速控制。同步電動機(jī)也無法自行起動而進(jìn)人工作狀態(tài)，因此需要借助于其它起動方法，例如在磁極上裝設(shè)起動繞組(亦稱阻尼繞組)，作異步起動。同步電機(jī)雖然是交流電機(jī)，但與直流電機(jī)有相似之處，兩者在負(fù)載時(shí)，氣隙磁場都會受電樞磁場的影響（即電樞反應(yīng)）發(fā)生顯著的變化；從勵磁效應(yīng)看，這兩類電機(jī)都隸屬于雙邊勵磁的電機(jī)，兩者都存在所謂電樞反應(yīng)問題。在同步電機(jī)中，電樞反應(yīng)的性質(zhì)與其內(nèi)功率因數(shù)角有關(guān)。電樞反應(yīng)的作用用同步電