同步電機變頻調速的矢量控制及仿真

董云鵬 陳篤超 季寶偉 于元春

（天津電氣科學研究院有限公司 天津市 300180）

1 同步電機的介紹

與感應電機是一樣的常用交流電機。電力系統的心臟就是同步電機，同步電機作為能將電磁變化與機械運動相結合、電能與機械能互相轉換的電動機，其動態性能遠超其他交流電機，對現代電力系統擁有深遠的影響。其中電機的各個參數之間（轉子的轉速n、電源頻率f 和磁極對數p）滿足公式n=60f/p。當給定的電源頻率一定時，轉子的轉速也就不會突變，與負載無關。由于運行穩定性高和過載能力大，所以在一些多機同步傳動系統和大型設備中得到了推廣和應用。

在同步電動機中，定子繞組的結構與異步電動機是相同的，兩者的區別就在于電機的轉子結構中。之所以將這類電機稱為同步電動機，是因為同步電機的定子繞組旋轉磁場速度等于轉子的速度。電機參數的波形圖中電流相位超前電壓相位，可以看出這是一個電容性負載。根據這個特性，同步電動機廣泛應用于改進供電系統的功率因數。同步電機已經占據了廣大的市場，眾多發電廠的交流電機就是以同步電機為主的。

2 同步電機變頻調速的介紹

歷史上最早出現的是直流電動機。在19 世紀末，出現了交流電和交流電動機，為了改善功率因數，同步電動機應運而生。同步電機既可以用作生活中的發電儀器，也可以做電動機，例如大型水泵，空壓機等。

在同步電動機的早期時代用途不廣，因為若是在恒定的頻率下運行大型同步電機極其容易發生失步和振蕩的危險，所以大多數時間出現在拖動恒速負載或是改善功率的場合。

變頻調速電機是變頻器驅動的電動機的統稱，其目前廣泛應用于各行各業的無級變速傳動中。其可以實現不同的轉速與轉矩，并且具有良好的啟動功能。為現代工廠的生產提供了便捷。同步變頻調速電機的轉子的直流電極與定子繞組的極數是相同的。電機啟動后，進入正常運行，定子旋轉磁場帶動轉子同步運行，電機的轉速由電機的極數和電機的輸入電源決定的，轉速不受負載和其他因素影響。由于這個關系，使得電機的轉速精度就取決于輸出器件輸出電源頻率的精度，控制系統簡單，可以實行一對多的控制方式。

3 同步電機變頻調速的矢量控制

3.1 變頻調速的矢量控制概述

在矢量控制中，通用變頻器的調速范圍是與直流電動機相匹配的，同時控制著永磁同步電動機產生的轉矩。不同的通用變頻器在使用時要求也不同,有些需要準確的永磁電動機的參數,有的則是需要速度傳感器和編碼器。由于電機參數有可能發生變化，影響變頻器對電機控制性能，發展到今天矢量控制中的變頻器已經具備對永磁同步電動機參數的自動檢測、自動辨識、自適應等功能。新型的變頻器會在設備啟動之前對永磁同步電動機的參數進行檢測，根據檢驗結果進一步調節控制算法，改變算法參數，使得矢量控制對永磁電動機的控制更加契合，進一步提高了效率。

3.2 變頻調速的矢量控制原理

在永磁電機中，控制電機的速度就要控制電機的轉矩。因為無論轉子處于何處，電樞電流產生的磁動勢和永磁磁場始終是正交的，僅通過控制直流電機的電樞電流便可控制轉矩，從而實現對直流電動機轉速的控制。

調速永磁電機難以實現通過電樞電流來控制電機的轉矩，與永磁直流電機不同，它的電樞反應磁動勢不與永磁磁場正交。但可以通過調節交軸電流來實現調速控制，在靜止三相坐標系變換到坐標系后，在調節交直軸電流之后，一方面可以通過改變直軸磁鏈大小來控制，另一方面利用磁阻轉矩加大轉矩輸出能力。兩者都是實現永磁同步電機的弱磁調速控制的一種有效手段。

3.3 變頻調速矢量控制系統發展趨勢

變頻調速矢量控制系統在這些年不斷地發展進步，到如今，大致上可以劃分為由傳動裝置、電力電子器件、變頻調速矢量控制系統所組成的系統。隨著科技的進步人們采用計算機技術來處理同步電機變頻調速矢量控制，利用計算機技術提升控制系統的調速精度，增強同步電動機的變頻調速能力。目前市面上大都采取電力電子器件的優化，變頻調速矢量控制系統構建，自然換相類以及自關斷類的關斷方式，來處理在冶金、采礦以及船舶等部門遇到的場景差異性。以交交變頻調速構架，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，以此降低變頻器對于同步電機電源的負載。在同步電機變頻調速矢量控制技術發展環節中已經發展成為了一種主流趨勢。

3.3.1 空間矢量的基本概念

控制定子繞組和轉子繞組可以理解為就是對電機轉速、轉矩的調控，目前的變頻調速矢量控制是時代不斷進步，科技迅速發展的產物，以空間矢量理論作基礎，將定子繞組和轉子繞組與空間坐標相結合。從而得出把變頻空間矢量看作電機的合成矢量，借助空間坐標的知識來分析電機的磁通勢、電壓、電流、電動勢等基本參數，在以后的矢量控制工作中，為人們的深入研究奠定了基礎。

3.3.2 同步電動機的數學模型

以數學表達式為依托，人們對電動機的參數分析運用了數學建模的方式，該模型能清楚的表達出電動機變頻調速環節涉及到的各類參數。例如對于同步電動機定子磁動勢的研究，采用公式FsA=NsiSA，(Ns 代表定子繞組的等效匝數，FsA 則是同步電機的空間磁動勢。)電動機轉子繞組所產生的磁動勢構成了電動機磁動勢的主要部分，在轉子電流的形成當中，各類轉子磁動勢的合成，最后形成了轉子磁動勢。

3.3.3 交流電動機和直流電動機轉矩公式

數學建模完成的基礎上，基于實際情況的要求，需要通過公式Td=KmFSFrsinθrs，（其中FS、Fr 表示同步電機磁動勢矢量）對交流電動機、直流電動機的轉矩進行測量和計算。通過對交流電動機、直流電動機運行情況的有效計算，能清晰地說明2.2SIMADYN-D交交變頻矢量系統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 同步電機變頻調速的仿真分析

4.1 永磁同步電機變頻調速矢量控制系統的仿真分析

永磁同步電機變頻調速的空間電壓矢量控制系統只要由主電路以及控制電路構成。在系統中的電流檢測、坐標變換以及計算、PI控制器、脈沖產生器等都屬于控制電路部分。

當直流輸入經逆變器后輸出交流電時，永磁同步電機的轉速n也隨之不斷地增大。在轉速增大的過程中，需要檢測輸出的三相電流，并通過一定的計算方法，將檢測的電流轉換為亮相宣戰坐標下的電流變量id以及ia，而永磁同步電機的轉速，可以根據電流變量以及一定的公式得到。在計算出轉速n 之后，將其與給定轉速n*進行比較，然后將比較的結果送入PI 控制器，控制器的輸出與轉矩電流再次進行比較，將其結果送入PI 調節器，再經過一系列的變換，通過脈沖產生器，產生脈沖波，達到對同步電機的調速控制。

通過對永磁同步電機變頻調速的矢量控制系統建立相應的仿真模型，并對其進行仿真。根據仿真的結果來看，同步電動機的轉速、定子電流以及轉矩在電動機啟動的時候，輸出轉矩迅速增大，變換的頻率也逐漸提高。而隨著轉速的增大輸出的電源頻率也隨之增加，當達到給定轉速時，輸出電源的頻率為400HZ，這樣就完成了對永磁同步電機的變頻調速的控制。對仿真結果進行分析后，可以得出，若系統采用電壓空間矢量控制變頻調速的方法，是符合永磁同步電機的控制要求，并且，其穩定性和靜態、動態性能都能使系統擁有較好的表現，同時，還可以發現，電壓空間矢量控制在對永磁電動機調速系統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，減少仿真的時間，常常將電動機的轉動慣量減小，但是，轉動慣量的減小有可能會使電動機的調速系統發生震蕩。通過對改變參數的調節，并進行對比觀察，就可以發現參數的變化對調速系統的影響。

4.2 交—交變頻同步電機調速系統的仿真分析

對于交—交變頻同步電機的調速系統，常常采用氣隙磁鏈定向矢量控制的方法。針對這個方法，建立電壓模塊、速度模塊等基礎模塊，結合磁場定向矢量控制理論，采用電機定子側與電壓前反饋的給定值相連接，對交—交變頻調速系統建立起相應的仿真模型。

在調速系統中，最為重要的就是變頻器。為了能提高系統的可靠性，變頻器中常常采用晶閘管進行自然換流；由于AC/AC 的能量交換只有一次，所以能量的轉換效率較高。采用晶閘管換流，也因其過載能力的優秀、輸出波形穩定以及價格上的優勢。

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、無環流換相邏輯模塊、電流調節器、脈沖觸發器、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。每個單項交—交變頻器都由兩個晶閘管橋構成，每個晶閘管橋又由六個晶閘管構成。

通過對交—交變頻器同步電機的仿真分析，表明了系統不僅具有良好的響應特性，而且調速系統可以很好的達到給定的轉速，實現對轉速的調速控制。

5 交—交同步電機變頻調速的應用

低壓弱電控制回路與高壓強電主電路的唯一參照坐標就是同步電壓，其存在于交交變頻同步電機調速系統中，是高壓強電與低壓弱電之間的聯系紐帶。要想實現對同步電機的調速控制，就要實時確認整流變壓器二次側的相序以及相位，并且需要在正確的時候觸發脈沖，對可控硅進行控制。

關于同步電壓的取點，一種是從整流變一次高壓側取同步電壓，另一種是通過動力二次低壓側取同步電壓。在第一種方法中，通過在高壓配電室的母線上設置專用的互感器，在互感器的二次側取同步電壓，這種方法有效的提高了同步電壓取點的安全性以及系統運行的可靠性。第二種方法中，存在著一些不可避免的問題。主要包括整流變與動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的相位；以及單相、沖擊性、不對稱負載等。這種問題的出現，使得電動機的啟動電流對動力變二次電壓的降低和對電壓相位的移動影響頗大。

關于同步電壓的相位偏移角設置，針對不同的系統，有不同的設置方式。對于轉子勵磁系統的相位偏移角來說，可以采用畫圖法、計算法、示波器法以及實驗法得出具體的相位偏移角。然后將轉子勵磁系統的脈沖測試模式打開，調節相位偏移角，使得其與正確的偏移角相等，完成對轉子勵磁系統的相位偏移角設置。對于定子回路同步電壓的相位偏移角設置，與轉子勵磁系統的設置方法不盡相同，其不存在內外電壓之分，但是，對于同步電壓的相位偏移角存在著正負號，即定子與轉子的同步電壓相位偏移角方向相反。所以，在設置相位偏移角的時候，需要我們對正負號進行反復的判斷，避免錯誤的出現。

6 總結

同步電機的變頻調速系統對現代工業有著重大的影響，空間電壓矢量控制與可控硅觸發技術是變頻電動機調速系統中關鍵的技術，而最為關鍵的就是同步電壓的處理環節。變頻同步電機調速系統能穩定安全地運行和其效能能夠完整的發揮，主要依靠其同步電壓安全可靠的取點以及相位的精準偏移角的設置。