同步電動機變頻調(diào)速技術應用前景展望

張菊艷

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

[關鍵詞]同步電動機 異步電機 變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)

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

一、同步電動機的類型及應用

同步電動機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又被進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適用于功率較大的場合，有著很高的經(jīng)濟和性能指標；永磁同步電動機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，變磁阻電動機主要有開關磁阻電動機和步進電動機兩種，更近似于凸極同步電動機。開關磁阻電動機因結構簡單和價格潛力優(yōu)勢成為當前大眾關注熱點。

二、交流電動機變頻調(diào)速技術回顧

通過長期的理論研究和實踐總結出了多種的控制理論和方法。交流異步電動機在動態(tài)數(shù)學模型中是個難以控制的復雜對象，具有多變量、非線性及強耦合等特征。在動態(tài)性能方面，對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制是關鍵，但其控制難度大大難于直流電機。如泵類、風機、傳送帶及一般生產(chǎn)線等對動態(tài)性能要求不嚴格的簡單調(diào)速，可采用標量控制法，即在恒壓頻比控制基礎之上，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。這種標量控制方法既能實現(xiàn)速度閉環(huán)，也能實現(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差距仍較大。可見恒壓頻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更高級、更簡易利于實用等優(yōu)點。

在交流電動機動態(tài)數(shù)學模型中，其矢量控制通過變換坐標把直流和交流兩種電動機可以當做同種來看待，其定子電流被分解成轉(zhuǎn)矩和勵磁兩種分量，再分別對電動機的轉(zhuǎn)矩和磁場模擬自然解耦的直流他勵電動機的控制方法進行解耦控制，進而獲取同直流調(diào)速系統(tǒng)相當?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，進而調(diào)速空間增大。但在工作運行中電機的參數(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，導致轉(zhuǎn)子磁鏈的觀察測量、運算以及定向難以精確；此外復雜的系統(tǒng)實施，也使實際控制效果往往與理論分析不符。

三、同步電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

以正弦波永磁同步電動機自控變頻調(diào)速為例，重點研究以下幾個方面：

（一）正弦波永磁同步電動機自控變頻調(diào)速系統(tǒng)

在正弦波永磁同步電動機中，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自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點

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（無刷直流電動機）優(yōu)越；其二，與直流電動機相似，轉(zhuǎn)子磁通和定子電流相互獨立；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，較異步電動機的矢量控制更簡易；最后，基于電機設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自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點

首先，電樞電壓受負載的影響，二者變化一致，若負載增大時定子電壓隨之增大；其次，只有較強的去磁電流才能實現(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自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點

被廣泛應用的梯形波永磁同步電動機+逆變器+轉(zhuǎn)子位置檢測器=直流電動機，它不用通過矢量控制就可以擁有與直流電動機同樣的性能，這種無刷直流電動機的構造較為簡單，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，使其受限于低速工作運行范圍之內(nèi)。

而正弦波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)是電動機調(diào)速性能最優(yōu)方法，是因為它轉(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，動態(tài)響應較快，速度調(diào)動范圍更大等優(yōu)點，這都歸功于其內(nèi)部的高分辨率的位置傳感器。

綜上，同步電動機采用變頻技術后，使原無調(diào)速能力的同步電動機可以調(diào)速，不但功率因數(shù)可調(diào)和效率高的優(yōu)點保留了下來，還消除了其起初啟動、失步和震蕩等狀況。因同步電動機之所以可以進一步簡化逆變器，對其晶閘管逆變器進行負載換相，是因為它具有功率因數(shù)可以超前的這一特點。

同步電動機還可以進行矢量控制。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，達到乃至超越直流電動機的控制性能。但永磁同步電動機因其等效氣隙比較大，導致其定子電流具有及較低的去磁效能，想要實現(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調(diào)速系統(tǒng)（負載換相）

在電力電子變流技術理論中，晶閘管電流型的逆變器不必全都強迫換流，還能由負載提供換流電壓，但前提條件是負載是電容性的負載，才可以實現(xiàn)負載換流。同步電動機即是這樣工作在超前功率因數(shù)下的負載，其定子繞組中的感應電動勢能夠?qū)崿F(xiàn)晶閘管換流，因此，使驅(qū)動它的負載換流逆變器（簡稱LCI）既簡單又經(jīng)濟。這種數(shù)兆瓦的LCI在風機、壓縮機、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矢量控制系統(tǒng)就是采用這種技術原理，在同步電動機中，直流勵磁與定子電流產(chǎn)生的電樞反應結合后生成氣隙磁通，合成的磁通在定子里感應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)電機學原理，控制了勵磁電流和定子電流，就能對同步電動機進行矢量控制，通過矢量分解之后，同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程就與直流電動機的一樣，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的瞬時轉(zhuǎn)矩。

五、總結和展望

直流勵磁同步電動機與異步電動機相比，在等效電路方面，運行穩(wěn)定時，同步電動機無轉(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)換為機械功；在轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方面，同步電動機穩(wěn)定運行要求限定轉(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γ=90o時，轉(zhuǎn)矩達到最大；當γ≠0時，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角為正弦函數(shù)的關系；當轉(zhuǎn)矩角γ=0時，定、轉(zhuǎn)子磁極處于同一個軸線上，兩對磁級拉力達到最強，但此時沒有切向力，轉(zhuǎn)矩成零；當γ=180°時，定、轉(zhuǎn)子磁極又處于同一個軸線上，兩對磁極斥力達到最大，也沒有切向力，轉(zhuǎn)矩仍是零；當γ>180°的時候，轉(zhuǎn)矩變成負數(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)子結構，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域及功率小于100kW以下范圍之內(nèi)，永磁同步電動機被廣泛采用，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：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，自控同步電動機中傳統(tǒng)的電刷和機械式換向器被電子換相器取代，解決了直流電動機的火花、維護、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，并因為使用了高能磁材料，其動態(tài)響應已趨近于直流電動機的水平，轉(zhuǎn)動慣量變小，大大滿足了伺服驅(qū)動快速響應的需要。在伺服驅(qū)動領域，尤其是在控機床、機器人等領域，同步電動機變頻調(diào)速技術得到廣泛使用，成為精密電氣伺服控制的一種優(yōu)選方案。

[ 參 考 文 獻 ]

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

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[3] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

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[5] 王樹.變頻調(diào)速系統(tǒng)設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[責任編輯：鐘 嵐]