同步電機(jī)變頻調(diào)速的矢量控制及仿真

董云鵬 陳篤超 季寶偉 于元春

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津市 300180）

1 同步電機(jī)的介紹

與感應(yīng)電機(jī)是一樣的常用交流電機(jī)。電力系統(tǒng)的心臟就是同步電機(jī)，同步電機(jī)作為能將電磁變化與機(jī)械運(yùn)動(dòng)相結(jié)合、電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)超其他交流電機(jī)，對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)擁有深遠(yuǎn)的影響。其中電機(jī)的各個(gè)參數(shù)之間（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n、電源頻率f 和磁極對(duì)數(shù)p）滿足公式n=60f/p。當(dāng)給定的電源頻率一定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也就不會(huì)突變，與負(fù)載無(wú)關(guān)。由于運(yùn)行穩(wěn)定性高和過(guò)載能力大，所以在一些多機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)和大型設(shè)備中得到了推廣和應(yīng)用。

在同步電動(dòng)機(jī)中，定子繞組的結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)是相同的，兩者的區(qū)別就在于電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。之所以將這類(lèi)電機(jī)稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)，是因?yàn)橥诫姍C(jī)的定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度等于轉(zhuǎn)子的速度。電機(jī)參數(shù)的波形圖中電流相位超前電壓相位，可以看出這是一個(gè)電容性負(fù)載。根據(jù)這個(gè)特性，同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。同步電機(jī)已經(jīng)占據(jù)了廣大的市場(chǎng)，眾多發(fā)電廠的交流電機(jī)就是以同步電機(jī)為主的。

2 同步電機(jī)變頻調(diào)速的介紹

歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)。在19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電和交流電動(dòng)機(jī)，為了改善功率因數(shù)，同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。同步電機(jī)既可以用作生活中的發(fā)電儀器，也可以做電動(dòng)機(jī)，例如大型水泵，空壓機(jī)等。

在同步電動(dòng)機(jī)的早期時(shí)代用途不廣，因?yàn)槿羰窃诤愣ǖ念l率下運(yùn)行大型同步電機(jī)極其容易發(fā)生失步和振蕩的危險(xiǎn)，所以大多數(shù)時(shí)間出現(xiàn)在拖動(dòng)恒速負(fù)載或是改善功率的場(chǎng)合。

變頻調(diào)速電機(jī)是變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)，其目前廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)中。其可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，并且具有良好的啟動(dòng)功能。為現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)提供了便捷。同步變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)子的直流電極與定子繞組的極數(shù)是相同的。電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入正常運(yùn)行，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子同步運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電機(jī)的極數(shù)和電機(jī)的輸入電源決定的，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載和其他因素影響。由于這個(gè)關(guān)系，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度就取決于輸出器件輸出電源頻率的精度，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以實(shí)行一對(duì)多的控制方式。

3 同步電機(jī)變頻調(diào)速的矢量控制

3.1 變頻調(diào)速的矢量控制概述

在矢量控制中，通用變頻器的調(diào)速范圍是與直流電動(dòng)機(jī)相匹配的，同時(shí)控制著永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。不同的通用變頻器在使用時(shí)要求也不同,有些需要準(zhǔn)確的永磁電動(dòng)機(jī)的參數(shù),有的則是需要速度傳感器和編碼器。由于電機(jī)參數(shù)有可能發(fā)生變化，影響變頻器對(duì)電機(jī)控制性能，發(fā)展到今天矢量控制中的變頻器已經(jīng)具備對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)等功能。新型的變頻器會(huì)在設(shè)備啟動(dòng)之前對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步調(diào)節(jié)控制算法，改變算法參數(shù)，使得矢量控制對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的控制更加契合，進(jìn)一步提高了效率。

3.2 變頻調(diào)速的矢量控制原理

在永磁電機(jī)中，控制電機(jī)的速度就要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闊o(wú)論轉(zhuǎn)子處于何處，電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和永磁磁場(chǎng)始終是正交的，僅通過(guò)控制直流電機(jī)的電樞電流便可控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

調(diào)速永磁電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)通過(guò)電樞電流來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，與永磁直流電機(jī)不同，它的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)不與永磁磁場(chǎng)正交。但可以通過(guò)調(diào)節(jié)交軸電流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，在靜止三相坐標(biāo)系變換到坐標(biāo)系后，在調(diào)節(jié)交直軸電流之后，一方面可以通過(guò)改變直軸磁鏈大小來(lái)控制，另一方面利用磁阻轉(zhuǎn)矩加大轉(zhuǎn)矩輸出能力。兩者都是實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速控制的一種有效手段。

3.3 變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)在這些年不斷地發(fā)展進(jìn)步，到如今，大致上可以劃分為由傳動(dòng)裝置、電力電子器件、變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)所組成的系統(tǒng)。隨著科技的進(jìn)步人們采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)處理同步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提升控制系統(tǒng)的調(diào)速精度，增強(qiáng)同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速能力。目前市面上大都采取電力電子器件的優(yōu)化，變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)構(gòu)建，自然換相類(lèi)以及自關(guān)斷類(lèi)的關(guān)斷方式，來(lái)處理在冶金、采礦以及船舶等部門(mén)遇到的場(chǎng)景差異性。以交交變頻調(diào)速構(gòu)架，改變電路中的主要回路，形成新的波形、輸出效率和空承載力，以此降低變頻器對(duì)于同步電機(jī)電源的負(fù)載。在同步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制技術(shù)發(fā)展環(huán)節(jié)中已經(jīng)發(fā)展成為了一種主流趨勢(shì)。

3.3.1 空間矢量的基本概念

控制定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組可以理解為就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的調(diào)控，目前的變頻調(diào)速矢量控制是時(shí)代不斷進(jìn)步，科技迅速發(fā)展的產(chǎn)物，以空間矢量理論作基礎(chǔ)，將定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組與空間坐標(biāo)相結(jié)合。從而得出把變頻空間矢量看作電機(jī)的合成矢量，借助空間坐標(biāo)的知識(shí)來(lái)分析電機(jī)的磁通勢(shì)、電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)等基本參數(shù)，在以后的矢量控制工作中，為人們的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

3.3.2 同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

以數(shù)學(xué)表達(dá)式為依托，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)分析運(yùn)用了數(shù)學(xué)建模的方式，該模型能清楚的表達(dá)出電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速環(huán)節(jié)涉及到的各類(lèi)參數(shù)。例如對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)定子磁動(dòng)勢(shì)的研究，采用公式FsA=NsiSA，(Ns 代表定子繞組的等效匝數(shù)，F(xiàn)sA 則是同步電機(jī)的空間磁動(dòng)勢(shì)。)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)構(gòu)成了電動(dòng)機(jī)磁動(dòng)勢(shì)的主要部分，在轉(zhuǎn)子電流的形成當(dāng)中，各類(lèi)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的合成，最后形成了轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)。

3.3.3 交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式

數(shù)學(xué)建模完成的基礎(chǔ)上，基于實(shí)際情況的要求，需要通過(guò)公式Td=KmFSFrsinθrs，（其中FS、Fr 表示同步電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)矢量）對(duì)交流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。通過(guò)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況的有效計(jì)算，能清晰地說(shuō)明2.2SIMADYN-D交交變頻矢量系統(tǒng)的軟件組成和各部分的功能。從而提供了矢量控制工作的方向。

4 同步電機(jī)變頻調(diào)速的仿真分析

4.1 永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的仿真分析

永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的空間電壓矢量控制系統(tǒng)只要由主電路以及控制電路構(gòu)成。在系統(tǒng)中的電流檢測(cè)、坐標(biāo)變換以及計(jì)算、PI控制器、脈沖產(chǎn)生器等都屬于控制電路部分。

當(dāng)直流輸入經(jīng)逆變器后輸出交流電時(shí)，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之不斷地增大。在轉(zhuǎn)速增大的過(guò)程中，需要檢測(cè)輸出的三相電流，并通過(guò)一定的計(jì)算方法，將檢測(cè)的電流轉(zhuǎn)換為亮相宣戰(zhàn)坐標(biāo)下的電流變量id以及ia，而永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)電流變量以及一定的公式得到。在計(jì)算出轉(zhuǎn)速n 之后，將其與給定轉(zhuǎn)速n*進(jìn)行比較，然后將比較的結(jié)果送入PI 控制器，控制器的輸出與轉(zhuǎn)矩電流再次進(jìn)行比較，將其結(jié)果送入PI 調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)一系列的變換，通過(guò)脈沖產(chǎn)生器，產(chǎn)生脈沖波，達(dá)到對(duì)同步電機(jī)的調(diào)速控制。

通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的矢量控制系統(tǒng)建立相應(yīng)的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)看，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流以及轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，輸出轉(zhuǎn)矩迅速增大，變換的頻率也逐漸提高。而隨著轉(zhuǎn)速的增大輸出的電源頻率也隨之增加，當(dāng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出電源的頻率為400HZ，這樣就完成了對(duì)永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速的控制。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析后，可以得出，若系統(tǒng)采用電壓空間矢量控制變頻調(diào)速的方法，是符合永磁同步電機(jī)的控制要求，并且，其穩(wěn)定性和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能都能使系統(tǒng)擁有較好的表現(xiàn)，同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，電壓空間矢量控制在對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方面也擁有比其他方法很好的性能。

另外，為了方便仿真的分析，減少仿真的時(shí)間，常常將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，但是，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小有可能會(huì)使電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生震蕩。通過(guò)對(duì)改變參數(shù)的調(diào)節(jié)，并進(jìn)行對(duì)比觀察，就可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)的變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的影響。

4.2 交—交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

對(duì)于交—交變頻同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，常常采用氣隙磁鏈定向矢量控制的方法。針對(duì)這個(gè)方法，建立電壓模塊、速度模塊等基礎(chǔ)模塊，結(jié)合磁場(chǎng)定向矢量控制理論，采用電機(jī)定子側(cè)與電壓前反饋的給定值相連接，對(duì)交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)建立起相應(yīng)的仿真模型。

在調(diào)速系統(tǒng)中，最為重要的就是變頻器。為了能提高系統(tǒng)的可靠性，變頻器中常常采用晶閘管進(jìn)行自然換流；由于AC/AC 的能量交換只有一次，所以能量的轉(zhuǎn)換效率較高。采用晶閘管換流，也因其過(guò)載能力的優(yōu)秀、輸出波形穩(wěn)定以及價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。

在交—交變頻器方面，由三套電流控制型單向輸出變頻器組成，而變頻器模塊、無(wú)環(huán)流換相邏輯模塊、電流調(diào)節(jié)器、脈沖觸發(fā)器、可逆全控整流橋、三相交流電源等模塊都是交—交變頻器的重要組成部分。每個(gè)單項(xiàng)交—交變頻器都由兩個(gè)晶閘管橋構(gòu)成，每個(gè)晶閘管橋又由六個(gè)晶閘管構(gòu)成。

通過(guò)對(duì)交—交變頻器同步電機(jī)的仿真分析，表明了系統(tǒng)不僅具有良好的響應(yīng)特性，而且調(diào)速系統(tǒng)可以很好的達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制。

5 交—交同步電機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用

低壓弱電控制回路與高壓強(qiáng)電主電路的唯一參照坐標(biāo)就是同步電壓，其存在于交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，是高壓強(qiáng)電與低壓弱電之間的聯(lián)系紐帶。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電機(jī)的調(diào)速控制，就要實(shí)時(shí)確認(rèn)整流變壓器二次側(cè)的相序以及相位，并且需要在正確的時(shí)候觸發(fā)脈沖，對(duì)可控硅進(jìn)行控制。

關(guān)于同步電壓的取點(diǎn)，一種是從整流變一次高壓側(cè)取同步電壓，另一種是通過(guò)動(dòng)力二次低壓側(cè)取同步電壓。在第一種方法中，通過(guò)在高壓配電室的母線上設(shè)置專(zhuān)用的互感器，在互感器的二次側(cè)取同步電壓，這種方法有效的提高了同步電壓取點(diǎn)的安全性以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。第二種方法中，存在著一些不可避免的問(wèn)題。主要包括整流變與動(dòng)力變激磁阻抗和短路阻抗不一致，并不能完全代表整流變二次側(cè)的相位；以及單相、沖擊性、不對(duì)稱(chēng)負(fù)載等。這種問(wèn)題的出現(xiàn)，使得電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流對(duì)動(dòng)力變二次電壓的降低和對(duì)電壓相位的移動(dòng)影響頗大。

關(guān)于同步電壓的相位偏移角設(shè)置，針對(duì)不同的系統(tǒng)，有不同的設(shè)置方式。對(duì)于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的相位偏移角來(lái)說(shuō)，可以采用畫(huà)圖法、計(jì)算法、示波器法以及實(shí)驗(yàn)法得出具體的相位偏移角。然后將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的脈沖測(cè)試模式打開(kāi)，調(diào)節(jié)相位偏移角，使得其與正確的偏移角相等，完成對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的相位偏移角設(shè)置。對(duì)于定子回路同步電壓的相位偏移角設(shè)置，與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)置方法不盡相同，其不存在內(nèi)外電壓之分，但是，對(duì)于同步電壓的相位偏移角存在著正負(fù)號(hào)，即定子與轉(zhuǎn)子的同步電壓相位偏移角方向相反。所以，在設(shè)置相位偏移角的時(shí)候，需要我們對(duì)正負(fù)號(hào)進(jìn)行反復(fù)的判斷，避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

6 總結(jié)

同步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)有著重大的影響，空間電壓矢量控制與可控硅觸發(fā)技術(shù)是變頻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)，而最為關(guān)鍵的就是同步電壓的處理環(huán)節(jié)。變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能穩(wěn)定安全地運(yùn)行和其效能能夠完整的發(fā)揮，主要依靠其同步電壓安全可靠的取點(diǎn)以及相位的精準(zhǔn)偏移角的設(shè)置。