永磁同步电机及其运行与控制1

永磁同步电机及其运行与控制PMSM and its Operation & Control

浙江大学 电气工程学院 贺益康 教授 E-mail ykhe@ Mob: 13735884184

电机是实现机-电能量转换的电磁机械装置 ，是电能生产、变换、传输、分配、使用 和控制的重要设备。

电能的生产水力 发电

风力 发电

应用方式 电动机运行构成交流调速传动系统，满足生产过程及生产工艺 要求，实现调速节能 —— 符合节能降耗(减排)的国策

发电机运行构成风力发电系统，实现可再生能源开发—— 符合新能源开发和实现环境保护的国策

电机的分类励磁直流电机：他励、串励、复励

直流电机

永磁直流电机 异步电机 鼠笼式

电机交流电机

绕线式 普通同步电机：励磁 无换向器电机 磁阻电机 永磁同步电机

同步电机

开关磁阻电机

供电电源可变直流电源斩波

交流电源

电力 电子 功率 变换 装置

直流电机

整流

逆变

交流电机变频

永磁同步电机从交流电机原理切入，介绍：1.永磁同步电动机的控制 2.永磁同步发电机的运行 3.永磁同步电机的几个特殊问题

交流电机原理

交流电机原理运行原理 —— 基于交流旋转磁场理论， 即：

三相对称绕组馈入三相对称交流电流可建立圆形旋转磁场

旋转磁场 三相对称交流绕组通过三相对称电流

ia 2 I cos t ib 2 I cos( t - 1200 ) 三相合成磁势为

ic 2 I cos( t 1200 )

3 f1 F 1 cos( x t ) 2 是一个圆形旋转磁场 改变电源频率即可改变旋 转磁场转速 改变电源相序即可改变

旋转磁场转向

同步转速 同步转速的概念：由交流电机定子极对数和定子绕组 60 f 供电频率决定的旋转磁场的转速 n p 电源频率f=50Hz, 2极电机旋转磁势的同步转速为3000r/min。4极电机旋转磁势的同步转速为1500r/min。

交流电机恒定电磁转矩的产生 只有在同次数的谐波电流和谐波气隙磁 场之间才能产生恒定电磁转矩； 定转子应具有相等的极对数； 电枢磁动势的轴线与气隙合成磁场的轴 线之间的夹角为一常数； 电枢磁动势和气隙合成磁场都具有恒定 不变的波幅值。

异步电机的基本工作原理 转子绕组的导体处于旋转磁场中 转子导体切割磁力线，并产生感应电势。

转子导体通过端环自成闭路，产生感应 电流。 感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁 力。

电磁力作用在转子上将产生电磁转矩， 并驱动转子旋转。 异步电机运行时转子转速一定不能与旋转 磁场同步(异步), 必须存在转速之差 —— 转差(率)

三相异步电机

定子铁心

鼠笼转子

绕线转子

绕线式异步电机转子由励磁变频

器作低频交流励磁，由风力 机拖动作发电运行，就构成双馈异步风力发电机组(DFIG)

双馈异步风力发电机 (DFIG)

双馈异步风力发电机 (DFIG)

丹麦 Vestas 3MW

同步电机的基本工作原理定子为同步速旋转磁场， 转子为直流恒定磁场； 为产生恒定电磁转矩， 两磁场必须相对静止， 转子必须严格以同步速 旋转 —— 同步电机

同步电动机电磁转矩 凸极式同步电动机1

mP UE mP 2 X d X q T sin U ( )sin 2 2 f1 xd 2 f1 2Xd Xq1 -凸极式同步 电机电磁转矩

2

3

2 - 同步转矩3 - 反应转矩