他控式（速度开环）变频调速系统：基于电机稳态方程，通 常使用电压型变频器，变频器输出固定频率电压时，电动机 的转速跟踪同步转速运行，转矩角随负载增加而增加，直至 牵出同步。
自控式变频调速系统：
¾交直交负载换相同步电机控制系统：通过电机轴上的位置传 感器信息来控制变频器触发信号，迫使变频器频率追上电机 速度 。转矩角可控制为恒定，负载变化时，系统自动调节电 流给定，电机不会被牵出同步。
¾ 用作电动机时，一般需在转子上安装启动绕组 ¾ 可作为同步补偿机，向电网发出感性或容性的无
功功率
隐极式同步电机
隐极式同步电机的定子、转子断面图
凸极式同步电机
凸极式同步电机的定子、转子断面图
1
凸极同步电机的磁路
反应式同步电机
反应式同步电动机转子
凸极式同步电机特点： ¾转子磁极凸出，定转子铁心间气隙不均匀，
U = E f + jX s I a
功率方程
P
=
3UI a
cos ϕ
=
3UE f Xs
sin δ
转矩方程
由功率推导：
T = 3 p UE f sin δ ω1 Xs
磁场相互作用： T = 3 pΦ f Ia sinδT
稳态运行时的转矩－功率角特性曲线 隐极同步电机稳定极限 90 0
3
2 凸极式同步电动机
⎟⎜ ⎟⎠⎜⎜⎝
idd idq
⎟ ⎟⎟⎠
相应转矩表达式为：
Tem = pm Im(is∗ψ s ) = pm (ψ sd isq −ψ isq sd ) = pm Lmd ieisq + pm (Ld − Lq )isd isq + pm (Lmd idd isq − Lmqidqisd )
4、电励磁同步电动机变频控制系统
转子励磁电流
当转子磁通Φ f 和转矩角δT为恒量时，同步电动机类似于直 流电机，转矩和电枢电流 Ia 成比例关系。
对凸极电机也有类似结论成立，只是凸极转矩项会对影响转 矩与电枢电流的线性比例关系，采用转速外环后对转速影响 较小。
换流角控制：根据同步电机反馈的转子位置触发相 应桥臂晶闸管，向电机两相绕组馈入方波电流，方 波电流每360度电角度依次进行六次换向，以使转矩 角δT平均值保持恒定。
转子电压空间矢量方程：
u e = R e i e + p ψ ed
转子阻尼绕组电压空间矢量方程：
0 = R d i dd + p ψ dd 0 = R d i dq + p ψ dq
整理后电机电压方程为：
⎜⎛ usd ⎟⎞ ⎜⎛ Rs + pLsd
⎜ usq ⎟ ⎜ ωLsd
⎜ ⎜
ue
⎟ ⎟
=
⎜ ⎜
¾由于消除了转动中电刷的机械磨损，与普通直流电 机ห้องสมุดไป่ตู้比还具有运行可靠性高、维护容易、使用寿命长、 噪音低等优点。
¾一般与120度导通型逆变器配合，实现方波驱动， 驱动和位置反馈系统结构简单，成本低，电机单位电 流产生的转矩大。
正弦波永磁同步电机
表面式转子
内置式转子
永磁同步电机定转子结构图
反电势波形
特点：
根据双反应理论，所有矢量都可在d-q坐标系下分 解为两个互相垂直的分量。
磁链方程：
ψ sd = L sd i sd + L md ( i dd + i e )
⎫
ψ sq = L sq i sq + L mq i dq
⎪ ⎪
ψ e = L md i sd + L e i e + L md i dd
⎬
ψ dd = L md i sd + L md i e + L dd i dd ψ dq = L mq i sq + L dq i dq
ω1 Xs
2ω1 Xd Xq
基本电磁转矩
由磁场相互作用推导：
凸极电磁转矩
T
=
3pΦf
Ia
sinδT
+
3p 2ω1
Ia ( Xd
−
Xq ) sin2δT
稳态运行时的转矩－功率角特性曲线 凸极同步电机稳定极限 45 0 ~ 90 0
3 反应式同步电动机
转矩方程 T = 3 pU 2 ( X d − X q ) sin 2δ
¾结构简单，稳定性好，成本低； ¾效率和功率因数低，启动电流大，转矩质量比小， 只能在落后功率因数下工作； ¾没有启动转矩，因此需要额外的启动绕组 ¾可通过增加d-q轴磁路不对称提高输出转矩 ¾主要用于几分之一瓦～数百瓦的小功率范围
永磁同步电机转子磁场由永磁体产生 依据产生的反电动势波形可分为两种：
pLmd
⎜ 0 ⎟ ⎜ pLmd
⎜⎜⎝0 ⎟⎟⎠
⎜ ⎝
0
− ωLsd Rs + pLsq
0 0 pLmq
pLmd ωLmd Re + pLe pLmd
0
pLmd ωLmd pLmd Rd + pLdd
0
− ωLmq ⎟⎞⎜⎛isd ⎟⎞
pLmq ⎟⎜ isq ⎟
0
⎟⎜ ⎟⎜
ie
⎟ ⎟
Rd
0 + pLdq
简化电压向量图
电压方程
U q = E f + X d Id U d = X qIq
功率方程
P = 3UI q cos δ + 3UI d sin δ
= 3UE f sin δ + 3 U 2 ( X d − X q ) sin 2δ
Xd
2
Xd Xq
基本电磁功率
凸极电磁功率
转矩方程
由功率表达式推导：
T = 3pUEf sinδ + 3pU2 ( Xd − Xq )sin2δ
n与频率f有严格的对应关系－ n=60f/pm；
2. 效率高，功率因数高且可调； 3. 定转子气隙大、转矩动态响应快，所以控制
性能优异,并且容易实现大容量；
隐极式同步电机特点： ¾ 转子外形为圆柱体，定转子铁心间气隙均匀，
xd = xq
¾ 转子采用整块合金锻造而成，机械强度高，适合 于高速运行，但制造比较困难，主要用于大型汽 轮发电机
速度环电流环控制：根据转矩表达式，在δT基本保 持恒定条件下，控制电机定子电流大小即可调节电 机电磁转矩。电机速度环给出转矩指令值，转矩指 令值经过电流环计算得到电压指令值去控制前端整 流器，由此实现整个无换向器电机的控制。
无换向器电机换相方法
电机反电势波 形与换相点
逆变器电流 波形
反电势换流法（自然换流法）：同步机负载本身能发出反电 势，晶闸管可以利用反电势进行换流。
¾表面式永磁同步电机 x d = x q ，加工比较容 易，但不能安装异步启动绕组，弱磁调速困难
¾内置式永磁同步电机 x d < x q ，可弱磁控制， 可安装启动绕组，动态性能好
2、同步电动机的稳态运行
1 隐极式同步电动机
电机理想，磁路线性，忽略定子电阻压降情况下：
等值电路图
简化电压向量图
电压方程
(a) 基本结构
(b) 端电压波形
无换向器电机换相原理图
6
转矩控制原理：无换向器电机采用电流源型逆变器供电。以 隐极同步电动机为例，根据定子电流与转子磁场的相互作 用，转矩方程可表达如下：
T = 3 pmΦ f I a sin δT
或 T = 3 pm Lm I f I a sin δT
转子励磁电感
原理：
使用变频装置对绕组换相，将同步电机等效为一台带电子换向器的直流电 机进行控制。兼具直流电动机和电子换向器的优点，所以一般常称之为直 流无换向器电动机。
(a) 基本结构
(b) 电刷电压波形
具有机械换向器的直流电动机换相原理图
无换向器电机系统构成
无换向器电机一般用于大容量调速系统，功率开关通 常为大功率晶闸管
⎪ ⎪ ⎭
各绕组的电感系数 ：
L sd = L e = L sσ + L md L sq = L sσ + L mq L dd = L d σ + L md L dq = L d σ + L mq
定子电压空间矢量方程：
u sd = R s i sd + p ψ sd − ωψ sq u sq = R s i sq + p ψ sq + ωψ sd
一．方波永磁同步电动机（无刷直流电机 BLDCM )
二．正弦波永磁同步电动机（永磁同步电机 PMSM )
依据永磁体在转子上的位置不同，又可分为：
一．表面式永磁同步电动机 二．内埋式永磁同步电动机
Ld = Lq Ld ≠ Lq
方波永磁同步电机（无刷直流电机）
无刷直流电机定转子结构
反电势波形
2
特点：
¾结构上相当于一台用半导体电子开关线路代替换向 器和电刷作用的直流电机，因此具有效率高、控制简 单、启动和调速性能好、转矩动态响应快等传统直流 电机的优点。
2ω1 X d X q
最大牵出转矩：
Tmax
=
3 pU 2 2ω 1
( Xd − Xq ) Xd Xq
电压向量图
转矩功率角特性
稳定极限为 45 0
4
4 内埋式永磁同步电动机
转矩方程
T = 3 pUE f sin δ + ω1 X d
3 pU 2 ( X d − X q ) sin 2δ
2ω1
XdXq
E f 为常数
转矩－功率角特性 稳定极限约为 90 0 ~ 135 0
3、电励磁同步电动机动态数学模型
与异步电机一样，同步电动机同样也是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量系统。为简化问题，分 析主要非线性和耦合性质，在建立数学模型时作 以下假设和约定： ¾电机定转子三相绕组完全对称 ¾定子表面光滑，无齿槽效应，转子上除励磁绕 组外还有阻尼绕组 ¾磁饱和、涡流及铁芯损耗忽略不计 ¾采用电机统一理论，将电机归结为两绕组模型： 定子绕组和阻尼绕组都分别等效地分解为直轴绕 组和交轴绕组，与励磁绕组一共五个绕组，假定 五个绕组具有完全相同的匝数