同步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用前景展望

張菊艷

[摘 要]一直以來，同步電動機(jī)是不能調(diào)速的，但變頻技術(shù)的出現(xiàn)，刷新了調(diào)速系統(tǒng)的歷史紀(jì)錄。目前，同步電動機(jī)已成為異步電動機(jī)調(diào)速的強(qiáng)大競爭者，可以精準(zhǔn)靈活的進(jìn)行調(diào)速，在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及其他伺服系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，也是精密電氣伺服控制的優(yōu)選方案之一。

[關(guān)鍵詞]同步電動機(jī) 異步電機(jī) 變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)

[中圖分類號] G640 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）09-0127-02

一、同步電動機(jī)的類型及應(yīng)用

同步電動機(jī)可以被劃分為直流勵磁與永磁兩大類。其中永磁同步電動機(jī)又被進(jìn)一步劃分為正弦波永磁和梯形波永磁兩大類。直流勵磁同步電動機(jī)適用于功率較大的場合，有著很高的經(jīng)濟(jì)和性能指標(biāo)；永磁同步電動機(jī)則適用于中小功率范圍場合，其控制較簡單，且性能更優(yōu)越。在原理上，變磁阻電動機(jī)主要有開關(guān)磁阻電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)兩種，更近似于凸極同步電動機(jī)。開關(guān)磁阻電動機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單和價格潛力優(yōu)勢成為當(dāng)前大眾關(guān)注熱點(diǎn)。

二、交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)回顧

通過長期的理論研究和實(shí)踐總結(jié)出了多種的控制理論和方法。交流異步電動機(jī)在動態(tài)數(shù)學(xué)模型中是個難以控制的復(fù)雜對象，具有多變量、非線性及強(qiáng)耦合等特征。在動態(tài)性能方面，對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制是關(guān)鍵，但其控制難度大大難于直流電機(jī)。如泵類、風(fēng)機(jī)、傳送帶及一般生產(chǎn)線等對動態(tài)性能要求不嚴(yán)格的簡單調(diào)速，可采用標(biāo)量控制法，即在恒壓頻比控制基礎(chǔ)之上，只需要掌控調(diào)整電壓、頻率及電流的高低大小，無需掌控相位。這種標(biāo)量控制方法既能實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)，也能實(shí)現(xiàn)速度開環(huán)。轉(zhuǎn)差頻率控制在速度閉環(huán)時能夠持有較高的靜態(tài)與動態(tài)性能，但相對于直流電動機(jī)差距仍較大?？梢姾銐侯l比控制被視為通用變頻器的基本工作模式主要基于其技術(shù)更高級、更簡易利于實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

在交流電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型中，其矢量控制通過變換坐標(biāo)把直流和交流兩種電動機(jī)可以當(dāng)做同種來看待，其定子電流被分解成轉(zhuǎn)矩和勵磁兩種分量，再分別對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場模擬自然解耦的直流他勵電動機(jī)的控制方法進(jìn)行解耦控制，進(jìn)而獲取同直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膭討B(tài)性能。這一過程中系統(tǒng)的動態(tài)性能提高，瞬時轉(zhuǎn)矩能夠持續(xù)平穩(wěn)調(diào)整轉(zhuǎn)換，進(jìn)而調(diào)速空間增大。但在工作運(yùn)行中電機(jī)的參數(shù)不斷轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)具有較差的魯棒性，尤其是轉(zhuǎn)子電阻的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈的觀察測量、運(yùn)算以及定向難以精確；此外復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)施，也使實(shí)際控制效果往往與理論分析不符。

三、同步電動機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

以正弦波永磁同步電動機(jī)自控變頻調(diào)速為例，重點(diǎn)研究以下幾個方面：

（一）正弦波永磁同步電動機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)

在正弦波永磁同步電動機(jī)中，通常是由交流的PWM變壓變頻器供給的，其定子電流與外施定子電壓成正弦波，而對正弦繞組的分布也要確保永磁定子繞組中的感應(yīng)電動勢成正弦波。另外，掌控定子電流空間矢量和轉(zhuǎn)子的相對位置，可以通過安裝在轉(zhuǎn)子軸上的較高分辨率的轉(zhuǎn)子位置檢測器，檢測出轉(zhuǎn)子相對于定子的位置或轉(zhuǎn)子磁極位置，從而使定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈保持垂直，可以以最小定子電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。

（二）正弦波永磁同步電動機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

其一，脈動較小，轉(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，以致?lián)碛懈蟮恼{(diào)速空間，比梯形波永磁同步電動機(jī)（無刷直流電動機(jī)）優(yōu)越；其二，與直流電動機(jī)相似，轉(zhuǎn)子磁通和定子電流相互獨(dú)立；其三，不用磁鏈模型的計算，轉(zhuǎn)子與磁鏈位置檢測較容易得到，較異步電動機(jī)的矢量控制更簡易；最后，基于電機(jī)設(shè)計合理并采用高性能的永磁材料，整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩/慣量比、功率密度、單位電流轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動和效率等都顯得較優(yōu)越。

（三）正弦波永磁同步電動機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)

首先，電樞電壓受負(fù)載的影響，二者變化一致，若負(fù)載增大時定子電壓隨之增大；其次，只有較強(qiáng)的去磁電流才能實(shí)現(xiàn)弱磁，以至于工作區(qū)較小，限制了速度上限；再次，成本較高，因其位置檢測需要分辨率高的光電編碼器或者高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器。

（四）正弦波永磁同步電動機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

被廣泛應(yīng)用的梯形波永磁同步電動機(jī)+逆變器+轉(zhuǎn)子位置檢測器=直流電動機(jī)，它不用通過矢量控制就可以擁有與直流電動機(jī)同樣的性能，這種無刷直流電動機(jī)的構(gòu)造較為簡單，其位置比較容易檢測（二位）得到，但也存在六倍頻轉(zhuǎn)矩脈動的缺點(diǎn)，使其受限于低速工作運(yùn)行范圍之內(nèi)。

而正弦波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)是電動機(jī)調(diào)速性能最優(yōu)方法，是因?yàn)樗D(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)較快，速度調(diào)動范圍更大等優(yōu)點(diǎn)，這都?xì)w功于其內(nèi)部的高分辨率的位置傳感器。

綜上，同步電動機(jī)采用變頻技術(shù)后，使原無調(diào)速能力的同步電動機(jī)可以調(diào)速，不但功率因數(shù)可調(diào)和效率高的優(yōu)點(diǎn)保留了下來，還消除了其起初啟動、失步和震蕩等狀況。因同步電動機(jī)之所以可以進(jìn)一步簡化逆變器，對其晶閘管逆變器進(jìn)行負(fù)載換相，是因?yàn)樗哂泄β室驍?shù)可以超前的這一特點(diǎn)。

同步電動機(jī)還可以進(jìn)行矢量控制。因其極易檢測得出轉(zhuǎn)子磁極的空間角度，所以可以不用磁鏈模型觀測或計算。尤其是永磁同步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向較為方便，矢量控制更簡易。通過檢測的轉(zhuǎn)子位置，控制其轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流空間矢量的方向保持垂直，就可擁有最高的每安培轉(zhuǎn)矩，達(dá)到乃至超越直流電動機(jī)的控制性能。但永磁同步電動機(jī)因其等效氣隙比較大，導(dǎo)致其定子電流具有及較低的去磁效能，想要實(shí)現(xiàn)弱磁難度較大，以至于弱磁提速空間較窄。

四、交-直-交電流型變頻器-直流勵磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（負(fù)載換相）

在電力電子變流技術(shù)理論中，晶閘管電流型的逆變器不必全都強(qiáng)迫換流，還能由負(fù)載提供換流電壓，但前提條件是負(fù)載是電容性的負(fù)載，才可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。同步電動機(jī)即是這樣工作在超前功率因數(shù)下的負(fù)載，其定子繞組中的感應(yīng)電動勢能夠?qū)崿F(xiàn)晶閘管換流，因此，使驅(qū)動它的負(fù)載換流逆變器（簡稱LCI）既簡單又經(jīng)濟(jì)。這種數(shù)兆瓦的LCI在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵和船用驅(qū)動等場合很受歡迎。

按氣隙磁鏈定向的直流勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)原理，在同步電動機(jī)中，直流勵磁與定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)結(jié)合后生成氣隙磁通，合成的磁通在定子里感應(yīng)出與外加電壓相平衡的電動勢。

采用按氣隙磁場定向，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，控制了勵磁電流和定子電流，就能對同步電動機(jī)進(jìn)行矢量控制，通過矢量分解之后，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程就與直流電動機(jī)的一樣，一旦保證了氣隙磁鏈（峰值）的恒定，就可以通過控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量來控制同步電動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩。

五、總結(jié)和展望

直流勵磁同步電動機(jī)與異步電動機(jī)相比，在等效電路方面，運(yùn)行穩(wěn)定時，同步電動機(jī)無轉(zhuǎn)差功率，傳過空氣隙的全部功率（被速度電勢Uf吸收的功率）都被轉(zhuǎn)換為機(jī)械功；在轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方面，同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行要求限定轉(zhuǎn)矩角在γ=±π / 2范圍之內(nèi)，否則不能穩(wěn)定運(yùn)行。如忽略磁路飽和因素的影響，轉(zhuǎn)矩曲線幅度和勵磁的電流成正比。交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子磁鏈及二者夾角γ的正弦三個的乘積是正比。即當(dāng)γ=90o時，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大；當(dāng)γ≠0時，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角為正弦函數(shù)的關(guān)系；當(dāng)轉(zhuǎn)矩角γ=0時，定、轉(zhuǎn)子磁極處于同一個軸線上，兩對磁級拉力達(dá)到最強(qiáng)，但此時沒有切向力，轉(zhuǎn)矩成零；當(dāng)γ=180°時，定、轉(zhuǎn)子磁極又處于同一個軸線上，兩對磁極斥力達(dá)到最大，也沒有切向力，轉(zhuǎn)矩仍是零；當(dāng)γ>180°的時候，轉(zhuǎn)矩變成負(fù)數(shù)，卻依舊按照正弦的規(guī)律來轉(zhuǎn)變。

在永磁同步電動機(jī)原理中，永磁體替代了原來轉(zhuǎn)子上的直流勵磁繞組，其優(yōu)勢為：具有更加堅固緊密的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，沒有電刷與滑環(huán)，不具轉(zhuǎn)子銅耗，效率更高；轉(zhuǎn)動的慣量變小，動態(tài)性能更好；雖體積相同，但功率輸出更大。由此，在高性能伺服控制領(lǐng)域及功率小于100kW以下范圍之內(nèi)，永磁同步電動機(jī)被廣泛采用，同時在世界各國被視為高科技產(chǎn)業(yè)受到重視。但它也存在缺點(diǎn)：不具勵磁控制的靈活性，含有去磁的可能性。此外，永磁電動機(jī)里廣泛采用的是鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁材料，特別是現(xiàn)代高性能永磁電動機(jī)大都采用稀土永磁材料，它性能最好，但價格也最貴。

綜上，自控同步電動機(jī)中傳統(tǒng)的電刷和機(jī)械式換向器被電子換相器取代，解決了直流電動機(jī)的火花、維護(hù)、環(huán)境及速度限制等種種缺陷；同時自我控制改善了震蕩和失步現(xiàn)象，并因?yàn)槭褂昧烁吣艽挪牧?，其動態(tài)響應(yīng)已趨近于直流電動機(jī)的水平，轉(zhuǎn)動慣量變小，大大滿足了伺服驅(qū)動快速響應(yīng)的需要。在伺服驅(qū)動領(lǐng)域，尤其是在控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域，同步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)得到廣泛使用，成為精密電氣伺服控制的一種優(yōu)選方案。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 李志民.同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

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[5] 王樹.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]