采用转子磁链定向（转子磁通恒定 ），矢量图如下所示。
定子电压方程为（ｄ、ｑ坐标系） q
ud1 Rsid1 p d1 r q1
is iq
uq1 Rsiq1 p q1 r d1
定子磁链方程为：
r

d
d1 Ld id1 r q1 Lq iq1
1、n与f 保持严格的同步关系，与负载大小无关; 2、改变I f可以调节同步电动机的功率因数； 3、存在启动困难和重载时失步的缺点 。
一、同步电动机的结构
1、结构： 定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组
成 。（与异步机定子结构基本相同） 转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。
凸极式：制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直 轴磁阻小，交轴磁阻大，使两轴的电感系数不等。
A
图7-4 永磁同步8-4电动机时的矢量图
转矩方程为： Te pm ( d1iq1 q1id1 ) pm [ r iq1 (Ld Lq )iq1id1 ]
在基速下，采用定子电流矢量位于ｑ轴，全部用于产生 转矩，即 id1 0 ，iq1 is 。 转矩方程：Te pm ris
图7-3 自控式同步电动机变频调速系统框图
控制单元作用：判断转子的位置和转速，按一定控制策略 产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频 率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。
系统能从根本上消除同步电机转子振荡和失步问题。因为： 给电机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的 控制，即定子旋转磁场的转速与转子旋转的转速相等，始终 保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。
第七章 同步电动机调速系统及其 仿真
第一节 同步电动机的分类及其调速原理 第二节 正弦波永磁同步电动机调速系统 第三节 方波永磁同步电动机调速系统 第四节 负载换相同步电动机调速系统 第五节 大功率同步电动机交-交变频调速技术
第一节 同步电动机的结构及其调速原理
同步电动机的特点 ：
自控式同步电机变频调速也是通过改变电磁转矩的大小和方向 来调节转速。电磁转矩和电机的定、转子电流有关。调节 定子电流大小或相位及转子磁动势的大小就可以达到调速 的目的。
第二节 正弦波永磁同步电机调速系统
永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，无转子发 热问题，控制系统简单
一、 正弦波永磁同步电机的调速原理
数发生器转换成三个互差120o 的位置角正弦信号。
S A sin SB sin( 1200 ) SC sin( 1200 )
由矢量图可知，当 ：iA I s sin
iB I s sin( 1200 ) iC I s sin( 1200 )
同步机为双边励磁方式，电磁转矩由两磁场的相互作用产生。 由电机统一理论： Te Cm Fs Fr sin
启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角 00 1800 就能产生电动的电磁转矩，拖动负载旋转；
稳态时，只要定、转子磁动势相对静止，就能产生单一方 向恒定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。 按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。 （一）他控式同步电动机变频调速系统 由独立的变频装置提供变压变频电源，变频装置的输出频率 由速度给定信号决定，通常为开环控制系统；
隐极式：气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。
~
~
ns N
N
+
+
S
-
S
-
N
S
（a）凸极式
（b）隐极式
图7-1 同步电动机的转子结构示意图
2、励磁：
定子励磁：空间上对称的三相绕组通入时间上对称的 三相电流产生一个空间旋转磁场，其同步转速为
ns

n

60 fs pm
转子励磁：
（a）转子铁心上装有励磁绕组，由直流励磁电源供电，称 有刷励磁 。由交流励磁机经过随转子一起旋转的整流器 供电，称无刷励磁系统。
控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值 I s 的大小。
二、正弦波永磁同步电动机调速系统 （一）正弦波永磁同步电动机调速系统的组成
如图7-6所示， 主 回 路 ： 由 脉 宽 调 制 （ PWM ） 逆 变 器 、 永 磁 同 步 电 机 、
荡及失步问题。限制了这种控制方式的使用范围。
（二）自控式同步电动机变频调速系统
由同步电机SM 、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。
速度调节器 乘法器 电流调节器

- ASR
× i
ACR
-
PWM
SM 3~
sin( )
i
cos( )
速度 转子磁
反馈 极位置
BQ
8-3
带定子电压补偿的函数发生器GF保证了变频器的恒压频 比控制；缓慢调节 n可以逐步改变电动机的转速。
电压控制 GF
频率控制
n
UR
Cd Ld 图7-2 恒压频比他控式变频调速系统
GF-函数发生器 UR-整流器 UI-逆变器
UI
永磁式同步电 动机群 SM SM SM
这种系统虽然解决了8起-2动问题，但未能很好的解决转子振
r 为常数。可见，转矩仅与定子的幅值 is 成正比，
实现了解耦控制，类似于直流电机 。

-
ASR
is

×
iA
-
× iB
-
× iC
-
SA SB SC
A
PWM
C
逆变器
R
iA iB iC
-sin
TAA SM
TAB
3~
TAC
BQ
BRT
图7-5 永磁同步电动机调速系统工作原理框图
8-5
将转子位置角 （d轴与A轴间的夹角），经正弦波函
is 位于ｑ轴。 I s 为变频器输出的定子电流幅值(最大值)。
三相定子电流的空间合成矢量为：
is iA iB 2iC 1.5Ise j(900)
电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍，方向超前ｄ轴 900 ， 位于ｑ轴。
电磁转矩： Te pm ris 1.5 pm r Is KmIs
（b）永久磁铁，其磁场可：
短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。 主要作用：
恒频运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。 变频供电时，能直接启动。启动绕组主要用于抑制变频 器引起的谐波和负序分量，减少同步电动机的暂态电抗， 加速换流过程和加快动态响应。
二、同步电动机的调速原理