同步电动机变频调速技术应用前景展望

张菊艳

[摘 要]一直以来，同步电动机是不能调速的，但变频技术的出现，刷新了调速系统的历史纪录。目前，同步电动机已成为异步电动机调速的强大竞争者，可以精准灵活的进行调速，在机器人、数控机床以及其他伺服系统领域内，也是精密电气伺服控制的优选方案之一。

[关键词]同步电动机 异步电机 变频调速 控制系统

[中图分类号] G640 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）09-0127-02

一、同步电动机的类型及应用

同步电动机可以被划分为直流励磁与永磁两大类。其中永磁同步电动机又被进一步划分为正弦波永磁和梯形波永磁两大类。直流励磁同步电动机适用于功率较大的场合，有着很高的经济和性能指标；永磁同步电动机则适用于中小功率范围场合，其控制较简单，且性能更优越。在原理上，变磁阻电动机主要有开关磁阻电动机和步进电动机两种，更近似于凸极同步电动机。开关磁阻电动机因结构简单和价格潜力优势成为当前大众关注热点。

二、交流电动机变频调速技术回顾

通过长期的理论研究和实践总结出了多种的控制理论和方法。交流异步电动机在动态数学模型中是个难以控制的复杂对象，具有多变量、非线性及强耦合等特征。在动态性能方面，对瞬时转矩的控制是关键，但其控制难度大大难于直流电机。如泵类、风机、传送带及一般生产线等对动态性能要求不严格的简单调速，可采用标量控制法，即在恒压频比控制基础之上，只需要掌控调整电压、频率及电流的高低大小，无需掌控相位。这种标量控制方法既能实现速度闭环，也能实现速度开环。转差频率控制在速度闭环时能够持有较高的静态与动态性能，但相对于直流电动机差距仍较大。可见恒压频比控制被视为通用变频器的基本工作模式主要基于其技术更高级、更简易利于实用等优点。

在交流电动机动态数学模型中，其矢量控制通过变换坐标把直流和交流两种电动机可以当做同种来看待，其定子电流被分解成转矩和励磁两种分量，再分别对电动机的转矩和磁场模拟自然解耦的直流他励电动机的控制方法进行解耦控制，进而获取同直流调速系统相当的动态性能。这一过程中系统的动态性能提高，瞬时转矩能够持续平稳调整转换，进而调速空间增大。但在工作运行中电机的参数不断转变，系统具有较差的鲁棒性，尤其是转子电阻的变化，导致转子磁链的观察测量、运算以及定向难以精确；此外复杂的系统实施，也使实际控制效果往往与理论分析不符。

三、同步电动机变频调速控制系统

以正弦波永磁同步电动机自控变频调速为例，重点研究以下几个方面：

（一）正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统

在正弦波永磁同步电动机中，通常是由交流的PWM变压变频器供给的，其定子电流与外施定子电压成正弦波，而对正弦绕组的分布也要确保永磁定子绕组中的感应电动势成正弦波。另外，掌控定子电流空间矢量和转子的相对位置，可以通过安装在转子轴上的较高分辨率的转子位置检测器，检测出转子相对于定子的位置或转子磁极位置，从而使定子电流和转子磁链保持垂直，可以以最小定子电流产生最大转矩。

（二）正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统的特点

其一，脉动较小，转矩相对平稳，以致拥有更大的调速空间，比梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）优越；其二，与直流电动机相似，转子磁通和定子电流相互独立；其三，不用磁链模型的计算，转子与磁链位置检测较容易得到，较异步电动机的矢量控制更简易；最后，基于电机设计合理并采用高性能的永磁材料，整个系统的转矩/惯量比、功率密度、单位电流转矩及转矩脉动和效率等都显得较优越。

（三）正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统的缺点

首先，电枢电压受负载的影响，二者变化一致，若负载增大时定子电压随之增大；其次，只有较强的去磁电流才能实现弱磁，以至于工作区较小，限制了速度上限；再次，成本较高，因其位置检测需要分辨率高的光电编码器或者高精度的旋转变压器。

（四）正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统的优点

被广泛应用的梯形波永磁同步电动机+逆变器+转子位置检测器=直流电动机，它不用通过矢量控制就可以拥有与直流电动机同样的性能，这种无刷直流电动机的构造较为简单，其位置比较容易检测（二位）得到，但也存在六倍频转矩脉动的缺点，使其受限于低速工作运行范围之内。

而正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统是电动机调速性能最优方法，是因为它转矩相对平稳，动态响应较快，速度调动范围更大等优点，这都归功于其内部的高分辨率的位置传感器。

综上，同步电动机采用变频技术后，使原无调速能力的同步电动机可以调速，不但功率因数可调和效率高的优点保留了下来，还消除了其起初启动、失步和震荡等状况。因同步电动机之所以可以进一步简化逆变器，对其晶闸管逆变器进行负载换相，是因为它具有功率因数可以超前的这一特点。

同步电动机还可以进行矢量控制。因其极易检测得出转子磁极的空间角度，所以可以不用磁链模型观测或计算。尤其是永磁同步电动机按转子磁链定向较为方便，矢量控制更简易。通过检测的转子位置，控制其转子磁链与定子电流空间矢量的方向保持垂直，就可拥有最高的每安培转矩，达到乃至超越直流电动机的控制性能。但永磁同步电动机因其等效气隙比较大，导致其定子电流具有及较低的去磁效能，想要实现弱磁难度较大，以至于弱磁提速空间较窄。

四、交-直-交电流型变频器-直流励磁同步电动机调速系统（负载换相）

在电力电子变流技术理论中，晶闸管电流型的逆变器不必全都强迫换流，还能由负载提供换流电压，但前提条件是负载是电容性的负载，才可以实现负载换流。同步电动机即是这样工作在超前功率因数下的负载，其定子绕组中的感应电动势能够实现晶闸管换流，因此，使驱动它的负载换流逆变器（简称LCI）既简单又经济。这种数兆瓦的LCI在风机、压缩机、泵和船用驱动等场合很受欢迎。

按气隙磁链定向的直流励磁同步电动机矢量控制系统就是采用这种技术原理，在同步电动机中，直流励磁与定子电流产生的电枢反应结合后生成气隙磁通，合成的磁通在定子里感应出与外加电压相平衡的电动势。

采用按气隙磁场定向，根据电机学原理，控制了励磁电流和定子电流，就能对同步电动机进行矢量控制，通过矢量分解之后，同步电动机的转矩方程就与直流电动机的一样，一旦保证了气隙磁链（峰值）的恒定，就可以通过控制定子电流的转矩分量来控制同步电动机的瞬时转矩。

五、总结和展望

直流励磁同步电动机与异步电动机相比，在等效电路方面，运行稳定时，同步电动机无转差功率，传过空气隙的全部功率（被速度电势Uf吸收的功率）都被转换为机械功；在转矩的产生方面，同步电动机稳定运行要求限定转矩角在γ=±π / 2范围之内，否则不能稳定运行。如忽略磁路饱和因素的影响，转矩曲线幅度和励磁的电流成正比。交流电动机的转矩和定、转子磁链及二者夹角γ的正弦三个的乘积是正比。即当γ=90o时，转矩达到最大；当γ≠0时，转矩和转矩角为正弦函数的关系；当转矩角γ=0时，定、转子磁极处于同一个轴线上，两对磁级拉力达到最强，但此时没有切向力，转矩成零；当γ=180°时，定、转子磁极又处于同一个轴线上，两对磁极斥力达到最大，也没有切向力，转矩仍是零；当γ>180°的时候，转矩变成负数，却依旧按照正弦的规律来转变。

在永磁同步电动机原理中，永磁体替代了原来转子上的直流励磁绕组，其优势为：具有更加坚固紧密的转子结构，没有电刷与滑环，不具转子铜耗，效率更高；转动的惯量变小，动态性能更好；虽体积相同，但功率输出更大。由此，在高性能伺服控制领域及功率小于100kW以下范围之内，永磁同步电动机被广泛采用，同时在世界各国被视为高科技产业受到重视。但它也存在缺点：不具励磁控制的灵活性，含有去磁的可能性。此外，永磁电动机里广泛采用的是铝镍钴、铁氧体和稀土永磁材料，特别是现代高性能永磁电动机大都采用稀土永磁材料，它性能最好，但价格也最贵。

综上，自控同步电动机中传统的电刷和机械式换向器被电子换相器取代，解决了直流电动机的火花、维护、环境及速度限制等种种缺陷；同时自我控制改善了震荡和失步现象，并因为使用了高能磁材料，其动态响应已趋近于直流电动机的水平，转动惯量变小，大大满足了伺服驱动快速响应的需要。在伺服驱动领域，尤其是在控机床、机器人等领域，同步电动机变频调速技术得到广泛使用，成为精密电气伺服控制的一种优选方案。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李志民.同步电动机调速系统[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 李崇坚.交流同步电动机调速系统[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4] 陈伯时，陈敏逊.交流调速技术主编[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5] 王树.变频调速系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[责任编辑：钟 岚]