交交变频同步电机调速系统
冶金部自动化研究院
交流调速工程开发中心
一九九四年八月
目 录
一、前言
二、交交变频同步电机调速传动的发展概述
三、交交变频器
四、同步电机
五、同步电机矢量控制系统
1. 同步电机矢量控制原理
2. 坐标变换单元
3. 同步电机矢量控制系统结构
4. 位置检测器
5. 电流控制系统
6. 磁通观测器
7. 同步电机功率因数控制
8. 同步电机全数字控制系统
一、前言
直流电动机调速性能好且方便，因而在要求调速的传动中一直占统治地位，由于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载能力、低转动惯量以及维护简单化等方面受到了限制，已不能满足生产机械向大型化的发展。随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率调速传动领域已出现交流传动取代直流传动的趋势。 对于大容量低速运转的生产机械，例如：轧钢机、矿井提升机以及水泥球磨机传动，交交变频同步电机调速是一种十分理想的传动方式，它不仅有与直流传动同样优越的调速性能，还有很多直流传动所不及的优点。
1. 由于同步电机不受整流子换向火花的限制，电机具有比直流机大得多的过载能力。
2. 电机在整个调速过程中，甚至在堵转状态，可始终维持其最大转矩，对于矿井提升机传动是一个突出的优点。
3. 效率高，节能效果显著，比直流传动效率高3-4％。以西门子公司为宝钢热连轧机R2粗轧机13000KW 电机提出的传动方案为例, 交流比直流年节电628万度/年, 折合52万元/年。
4. 体积小, 重量轻, 转动惯量小。 湘潭钢铁厂750轧机改为交流传动后, 电机容量加大40%, 而转动惯量GD 2 仅为直流机的1/6。GD 2 的大幅度减少使系统得到更快的动态性能, 加快了轧机的轧制节奏, 提高了产量，如湘潭钢铁厂电机改造后综合经济效益提高了30%。
5. 维护简单, 可靠性高。 电机可直接安装在轧机旁, 无需主电室。
同步电机变频调速与异步电机变频调速相比较, 功率因数高，可实现功率因数为1的运行。由于异步电机的激磁要从定子变频器供给，其变频器容量要比同步机大30%。尤其是轧机、造纸机等最高速与基速之比为2~3倍以上的传动，要求变频器有足够的电压余度，当电机过载2倍，转速达到300%Nn 时，同步电机变频器的容量仅为异步机的60%，在变频器价格高于电机的情况下，同步电机优越性明显。由于步电机转子电流是可控的, 不存在异步电机转子参数受温度影响产生的控制误差，因此同步电机控制精度高。
由于交交变频同步电机调速传动具有上述优点, 国内外工业界在大容量调速传动已陆续采用并推广这一技术。我国冶金企业从西门子公司引进了8套大功率交交变频同步电机调速系统应用于初轧机主传动, 取得了明显的经济效益。煤炭部与有色金属总公司也引进了德国 AEG 等公司的两套该系统用于矿井提升机传动, 并将在今后几年陆续引进6 套提升机传动。由于我国大型工业传动装备急待更新, 为了赶上世界先进水平, 迅速扭转交流传动装备重复引进的局面, 国家已把大容量交交变频同步电机调速传动装备的研制列入“八五”科技攻关课题。冶金部自动化研究院与哈尔滨电机厂合作研制的2500KW 交交变频同步电机轧机主传动系统已于1993年8月在包钢轨梁厂850轧机上投入运行。该系统是我国第一台大功率交交变频同步电机调速系统，它不仅为我国大型轧机主传动的国产化树立了样板，而且使我国大功率交流调速装备跻身于世界先进行列。
在该项目研制成功的基础上，冶金部自动化院与上海电机厂合作研制5000KW 交交变频同步电机轧机主传动装备。已在天津中板厂投入运行, 并正在同东方电机厂合作研制4000KW, 40rpm 大转矩交交变频同步电机轧机主传动系统。
二、交交变频同步电机调速传动的发展概述
交交变频同步电机调速传动为自控式同步电机传动。自控同步电机就其供电变频器的类型不同，分为交直交型、交交型。交直交自控同步电机的变频器是采用电机负载电势自然换流，由于换流超前角的限制，电机过载能力不高（一般125％），而且电机旋转磁场呈步进状态，转矩脉动大，因此这类传动多用于风机、水泵节能传动。本文讨论的是交交变频器（Cycloconverter ），电网自然换流，输出电压、电流均为正弦波的同步电机调速传动。
早在本世纪三十年代初期，在汞弧闸流管交交变频器的理论与实验产生的同时，就有人提出交交变频同步电机传动系统的方案，但它在工业上的实际应用却推迟了近三十年。1969年BBC 公司研制成功世界上第一台6400KW 交交变频同步电机传动装置, 用于法国伦伯尔基水泥厂作水泥球磨机无级调速传动，由于当时还没有合适的大容量高压可控硅，该系统还是采用汞弧闸流管。由于这种传动方式在大容量低速传动领域具有良好的运转性能，到1978年, 世界上已有20多套6000KW 以上的该类传动用于水泥球磨机传动。
70年代初, 随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广, 德国西门子公司、AEG 公司、BBC 公司及日本东芝、富士、日立等大电气公司都投入大量人力物力对交交变频同步电机传动进行试验研究, 期望这一技术可以应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动, 其中西门子公司在科研与工业应用方面取得了长足进展。
1981年西门子公司研制成功世界第一台4220KW 交交变频同步电机矿井提升机主传动。 同年(1981年) 该公司又研制成功第一台4000KW 初轧机交交变频同步电机传动系统, 使大容量交流调速系统登上了高性能调速的台阶。
1982年日本富士电机公司研制成功日本第一台2500KW 初轧机交交变频同步电机主传动系统, 但82年以后, 日本各电气公司放弃同步电机变频调速, 而主攻交交变频异步电机调速, 因此, 高性能大容量交流调速传动在世界上开始分成两大学派：即以西德为代表的同步电机调速和以日本为代表的异步电机调速。日本东芝公司1988年为川崎制铁公司研制了世界上第一套交交变频异步电机调速高精度冷连轧机, 速度响应达到60弧度/秒, 速度控制精度为0.004％, 超过了直流调速的指标，但由于同步电机变频调速对于大容量轧机主传动具有许多异步机所不及的优点，日本80年代末又开始研制同步电机变频调速装置, 三菱电机公司1990年推出世界最大转矩交交变频同步电机轧机主传动, 7000KW,35/79rpm， 1992年又陆续制造2-3台同步电机轧机主传动装置。东芝公司制造了日本最大容量11250KW 交交变频同步电机轧机主传动,1992年投入运行。
此外，世界其他国家也进行过该传动系统的研究。1983年, 苏联研制了3200KW 交交变频同步电机水泥球磨机传动。1987年加拿大GE 公司研制了8000HP 交交变频同步电机作为破冰船螺浆传动。1985年法国 Alsthom 公司制造了12000KW 初轧机主传动, 该同步机电压达到5900V 。 1990年ABB 公司为日本长崎三菱造船的游船驱动制造的交交变频同步电机为12000KW*2, 效率高达96％, 采用全数字矢量控制。表1列出世界各国交交变频同步电机轧机主传动的典型实例。
1989年, 西门子公司第一次将交交变频同步电机传动应用于热连轧的精轧机主传动, 使大容量同步电机变频调速终于达到并超过了直流调速的性能。屹今为止，世界上已经有近300套轧机及矿井提升机传动采用了交交变频同步电机调速。其中德国西门子公司生产了 160余套, 占绝对优势。
我国从70年代就开始交交变频调速技术的研究, 80年代初已研制成功交交变频同步电机的实验样机, 并制成交交变频异步电机调速工业试验样机。但大功率交交变频调速装置到90年代才得到长足的进展。由天津电气传动设计所与哈尔滨电机厂合作研制的1250KW 交交变频异步电机, 冶金部自动化院与哈尔滨电机厂合作研制的2500KW 交交变频同步电机已于93年在轧机主传动中投入运行。尤其是后者采用了国际先进水平的1650V 高压主柜, 光电全关断检测技术, 磁场定向控制系统, 采用独特的阻尼磁链定向控制原理及同步电机转子位置定位调整方法, 使该系统各项运行性能达到了国外进口样机的指标, 标志着我国交交变频同步电机调速技术与装备制造水平已达到国际先进水平。
目前，国内有关单位正在上述成果基础上积极研制4000~5000KW全数字控制交交变频同步电机调速装置。表2 列出我国交交变频调速系统的实例。
从目前国际上交交变频同步电机传动系统的发展来看，该系统的基本理论与电路结构已趋于成熟，但仍存在着系统过于庞大复杂，难于调整，难于掌握的缺点，因此，西方各国致力于计算机对交交变频同步电机传动系统作全数字控制，同时进一步完善控制理论和简化控制系统，形成计算机、变频器、电机一体化的新型系统。
交交变频同步电机传动系统由于其容量大，系统庞杂，一般高校不具备该系统的实验装置，因此理论研究及实验较少涉及这一课题。推动这一技术发展的多为大电气公司的研究开发部门，而其研究成果除公布一般结果以外，理论与系统的诀窍多是保密的，因此，关于交交变频同步电机传动系统理论分析与研究的论文很少，本文是在搜集了大量工程应用实例的基础上，对这一系统的各个主要部分的研究与发展情况作一些介绍，以期推动这一技术的进一步发展。
三、交交变频器
交交变频器也称为循环变流器或直接变频器（Cycloconverter ），它是一种频率比可变而功率可双向传送的静止变频器。其基本原理是由Hazeltine 于1932年提出来的，在30年代，相控汞弧变流器产生之后，由Schenkel 和Issendoyff 研制出实用的变频器，将其应用在欧洲的电力牵引机车上，并建立了这种采用电网自然换流的交交变频器的基本理论。随着半导体技术的迅速发展，大容量晶闸管的研制成功，使得自然换流交交变频器在工业中得到了广泛应用。本世纪70年代, 这种变频器在大功度低转速的交流驱动领域得到了推广应用，因此对变频器的理论分析与工程设计方法提出了需求。Pally 和Gyngyi 分别发表了几本有关交交变频器的理论专著, 全面阐述了交交变频器的原理, 推导了输入电流波与输出电压波的精确表达式, 列出了不同变频器外部性能的定量数据。而Mcmurry 发表了一本交交变频器的设计理论著作，为变频器的工程设计应用奠定了理论基础。这几本专著为变频器的工业应用提供了理论分析与工程设计的依据。
典型的自然换流交交变频器主回路为三组反并联的全控晶闸管桥式变流器，相当于三组可逆直流供电系统。三组桥式变流器星形联接，供电给同步电机，见图(1)(2)。
1. 无环流切换技术
与直流可逆传动相同，交交变频器也分为有环流与无环流两种方式。有环流方式具有良好的切换性能，控制系统简单，可以提高变频器的输出频率（日本东芝公司冷连轧机主传动系统采用的有环流交交变频器将输出频率提高到50HZ ）。但有环流系统的环流电抗器毕竟给大容量传动系统增加了负担，并提高了装备投资，因此，绝大多数大容量交交变频器都采用无环流切换方式，但无环流交交变频器又给科技人员带来了切换技术与电流断续运行两大难题。
无环流切换技术是交交变频器技术难关之一。交交变频器每秒钟要切换几十次，采用传统直流调速的电流检测与切换方式是无法满足这一要求的。70年代初, 产生一种用检测晶闸管端电压来检测电流过零状态的方法，称之为晶闸管全关断电压检测，交交变频器采用这一技术后，把无环流切换死时由传统的10ms 减少到1ms 以内, 这一技术难关的突破, 为交交变频器工业应用铺平了道路。
2. 电流断续补偿技术
众所周知，当晶闸管直流传动系统的电流断续时，变流器输入控制电压与输出直流电压之间的传递函数发生很大变化，放大系数大大减少，许多学者对这一课题进行过研究，探讨了电流断续时传动系统的运行特性，提出不少补偿电流断续特性的方法。例如德国AEG 公司提出的PIP 前馈电流断续自适应控制电路，电流断续时，在移相控制信号上叠加一个按三阶抛物线变化的电压信号，来补偿电流断续造成的特性改变，该方法目前在西欧直流传动技术中普遍采用，因此，交交变频器也无疑沿用了该技术。但交交变频器是三组变流器供电系统，当电流断续时，一组变流器的电流断续可能阻断另外两组变流器的电流通路，造成新的电流断续，这一过程比较复杂，也给工程应用带许多难以克服的困难，造成电流断续振荡，以至无法运行。此外，电流断续的脉冲电流也给电机分析增加了复杂性。许多学者对电流断续时的电机及控制系统进行计算机仿真分析，探索这一状态下的电机运行特性，并寻找解决的方法。AEG 公司研制了主回路中点连接的方式来解决电流断续问题，当电流断续时，变流器中点经电子开关与电机中点相连，三组变流器互不影响，而电流连续后，电子开关打开，造成无星形中点接线，形成梯形波供电效果。而西门子公司则在控制电路上下功夫，经过大量理论分析与实验来确定每个晶闸管的触发脉冲宽度，保证三组变流器中，一定要有四只晶闸管同时导通，并采用了所谓“摇摆”控制技术来解决电流断续的问题。电流断续这一变频器不可避免的运行方式，对于电机分析、控制系统调节、工程应用等仍然有许多尚未明了并待攻克的难题。
3. 交交变频器的输入功率因数
众所周知, 相控整流器输入功率因数与移相控制角有关，在忽略换向重叠角的条件下，可以近似认为：
Cos φi ＝Cos α
而交交变频器的移相控制角始终在90°左右摆动。因此，交交变频器的输入功率因数较低。图
(3)为交交变频器输入功率因数的变化规律。 由图(3)可知，交交变频器输入功率因数Cos φi 与负载功率因数角φo, 调压系数γ有关。电压越低, 即调压系数γ小, 输入功率因数低，负越功率因数角越小，Cos φi 亦越低。特别要指出，无论负载性质如何，感性还是容性，输入电流总是滞后于电源电压，即交交变频器始终要从电网吸收滞后的无功功率以提供换流，因此，超前功率因数的负载，例如过激同步电机，对电网滞后无功功率补偿是毫无作用的。 由图(3)可以看出， 当变频器工作于最高电压，负载功率因数Cos φo ＝1, 交交变频器输入功率因数为Cos φimax ＝0.843。
提高交交变频器的输入功率因数的方法之一是尽管使相移角α工作在0°附近，由此而产生了梯形波供电方式，图(4)标出梯形波供电的波形， 梯形波供电使变频器理想输入功率因数由 0.843 提高到0.945, 实际运行功率因数也由0.7提高到0.8。梯形波可以看作为是三次谐波与基波的叠加，由于三相变频器与电机星形接线，消除了梯形波中的三次谐波分量，使输出线电压仍保持为正弦波。由于基波峰值较梯形波高15%, 因此, 在相同输出线电压条件下, 梯形波供电的变频器与变压器容量可减少15%。
4. 交交变频器对电网的谐波影响
交交变频器对电网的谐波影响较大, 它除了具有一般直流变流器的各高次谐波以外, 还存在旁频谐波, 这些谐波的次数与幅值同变频器的输出频率以及负载有关。图(5)给出交交变频器输入电流波形和谐波频谱。理论分析与运行结果都表明, 交交变频器尽管增加了旁频谐波次数, 但总谐波畸变由直流供电的23%下降到14%, 见图(6)。
综上所述，交交变频器的理论与设计方法已基本完善，科研工作的重点集中在如何提高变频器功率因数及电流断续等特殊运行方式的研究上，同时，国外学者针对交交变频器输出频率低，输入功率因数低的致命弱点，试图研究出一种频率比不受电网限制，有功与无功功率能双向流动的变频器。这一理论与变频器原型由Pally 及Gyugyi 于70年代中期建立，但由于该变频器需要大量自关断半导体器件，使得试验样机在80年代才出现。可以预见，随着大功率半导体元件技术的发展，这种新型的交交变频器将会在工业应用中得到推广。
四、同步电机
传统的同步电机按恒速长期运行来设计，而交交变频供电的同步电机要求在频繁起制动及正反转调速状态下工作，因而在这种条件下工作的交流同步电机，结构设计应与传统同步电机不同。交交变频同步电机在机械结构上应满足轧钢直流电机的工况。
在变频工作条件下，电机的参数设计理论与传统同步电机不同。对于自控同步电机，供电方式是多种多样的，负载换流交直交电流型变频器方波供电，电网自然换流的交交变频器正弦波供电，传动系统的运行方式也各异（恒磁通运行，弱磁运行，矢量控制运行等等），此外，传动对象的工艺要求不同，频繁可逆传动、冲击负荷、加速度控制等等。显然，在一种供电方式，以一种特定的运行方式得出的电机运行理论及电机参数设计准则作为一个普遍原则是不科学的。
1. 定子漏抗X s σ
从电流控制系统的动态特性出发，电机定子漏抗X s σ 越小越好，但由于交交变频器是谐波供电，定子漏抗X s σ 对供电电源谐波起到一个滤波作用, 西门子公司提出X s σ 加大对交交变频同步电机传动系统是有利的。此外，在交交变频传动的工程与实验中也同样发现X s σ 加大系统稳定性有利，并有意在定子回路串联电感来消除供电谐波的影响。引进的西门子电机X s
s σ 较常规同步电机大些。X σ >>0.1
2. 同步电抗X d
传统同步电机的同步电抗X d 是决定电机过载能力的重要参数。同步电机的转矩公式为： T = E*Us /(ωs *Xd )*Sinδ
由公式看到，同步电机静态过载能力反比于直轴同步电机X d ，即X d 小过载能力大，而X d 的大小主要取于电机的气隙长度，增加气隙可以提高过载能力，但同时又需要更多的励磁安匝数，励磁绕组导电材料增多，提高电机造价，一般凸极同步电机X d 取0.7─1.3。
而自控同步电机静态转矩关系式与X d 是无关的。
T = K*ist*iμ (矢量控制)
但为了抵抗电枢反应的影响，静态磁通恒定控制中，激磁电流i f 的大小与同步电抗X d 有关。
i f ─ψf = √ψ2 +L2 d i 2 s
L d 过大, i f 相应也要加大, 从静态磁通恒定控制出发,L d 小对i f 控制有利, 而引进的西门子电机的同步电抗参数X d 远大于常规同步电机。X d >>2.0。
3. 阻尼绕组参数
自控同步电机与常规同步电机在参数理论上的主要区别集中在阻尼绕组。近二十年来，许多学者涉足于该课题的研究。
常规同步电机阻尼绕组的设置是为了抑制转子在同步速附近的自由振荡，提高同步发电机承担不对称负荷的能力，同时提高电网系统的稳定性，而阻尼绕组的超瞬变电抗又影响发电机的突然短路特性，因此，该参数设计主要考虑发电机突然短路的电流冲击幅值及脉振电磁转矩幅值，对于同步电机阻尼绕组作为电机起动绕组，其参数设计主要考虑起动转矩和起动电流。 自控同步电机定子电流的旋转频率及相位与转子位置始终是同步相关的，不存在失步与振荡现象，同时，该电机又不需要阻尼绕组作起动绕组之用，故传统同步电机意义上的阻尼绕组就没有存在的必要了。
近几年，国内外不少学者对交直交负载换流自控同步电机的阻尼绕组进行了比较详尽的分析。
阻尼绕组可以改善换流特性，使换流加快，换流电抗减少，并使电压波形缺口减少，改善了供电波形，同时，阻尼绕组加强了电机过载能力，使换流极限加大，但阻尼作用使电流脉动加大，使电机转矩脉动增加，系统动态响应开始的瞬间，电机电流受到直流大电抗L B 的限制，而几十毫秒后，阻尼电流衰减其影响消失，因此，阻尼绕组对系统响应没有影响。
对于交交变频供电的同步电机，由于供电波形为正弦波而不是方波，变频器靠电网自然换流，并不需要阻尼绕组来加速换流过程，改善换流特性，因此稳态运行的同步电机，没有必要安装阻尼绕组，但从国外文献介绍，以及国内引进该类同步电机都装有阻尼绕组。阻尼绕组在交交变频同步电机中究竟起什么作用呢？
德国对该电机的理论与实验进行过较多的探索。
西门子公司认为阻尼绕组的设置是考虑在轧钢冲击负载时，使磁通保持恒定，补偿动态过程中的电枢反应，减少激磁调节系统由于激磁绕组大时间常数所造成的滞后，同时该公司进一步提出，阻尼绕组对于轧机传动是必要的，它可以有效的补偿咬钢冲击负荷时的动态速降，但对于动态要求不太严格的交流传动，如水泥窑传动，可以取消阻尼绕组。1989年西门子公司来华技术交流时又提出用矿井提升机传动的同步机可以取消阻尼绕组, 以简化电机结构，提高运行效率，引起了国内外学者的很大兴趣。
AEG 公司Hosselse 博士于对阻尼绕组的作用进行了分析，他认为在速度阶跃即转矩电流阶跃变化时，同步电机的阻尼绕组将感应出阻尼电流，其作用是使总磁通保持恒定，使系统的动态响应加快，另一方面，在弱太调节范围，磁场电流的调节，阻尼绕组将产生阻止磁通变化的影响，尽管这一影响不直接对转矩产生作用，但仍将影响系统动态调节特性。
由此可见，交交变频同步电机中的阻尼绕组主要是考虑为改善传动系统的动态响应而设置的，这对于高性能，冲击负荷的轧机传动尤为必要，但上述分析只是一般性结论报导，没有看到详细的理论分析与实验记录。
从国外引进的该类同步机来看，其阻尼绕组结构与一般同步电机大不相同，阻尼条很细，西门子公司的阻尼绕组只安装在转子磁极表面，极间并不相连，而ABB 公司阻尼绕组交轴阻尼绕组是相连的。由此而见，各公司对阻尼绕组的设置与参数设计所依据的理论并不相同。西门子公司称它的阻尼绕组设计是通过专用的模拟程序计算出的最佳化参数。
从引进的几套轧机传动同步电机的运行来看，湘钢3250KW 同步电机的阻尼绕组发生过端部开焊现象。1991年包钢1150初轧机同步电机大修换磁极时, 发现磁极鸽尾槽配合面, 由于流过大容量阻尼电流而大
面积烧蚀，磁极压板的固定螺丝也被阻尼电流烧断。鞍钢同步电机也发生类似问题。西门子公司也认为这一问题是电机设计时没有考虑到的。由此看出，半阻尼结构尽管可以减少电机的谐波转矩，减少谐波引起的温升，但磁间q 轴电流引起的发热与烧蚀现象使电机学者们重新对全阻尼结构, 以及电机阻尼绕组参数的设计理论给予了极大的关注。
近几年，中国学者对交交变频同步电机的阻尼绕组进行了深入的理论分析和实验研究，在该领域取得了较大的突破。理论与实验证明交交变频同步电机阻尼绕组的作用在于： * 加快定子电流响应
* 抵消动态电枢反应, 维持磁链恒定
* 产生异步转矩, 抑制负载能振荡, 提高电机过载能力
同时指出:
* q轴阻尼绕组对改善系统动态特性具有重要作用。
* 在突加负载时, q轴阻尼电流的增量近似等于定子电流的增量。对于轧钢电机，要充分考虑q 轴电流的合理通路。
* 从动态特性出发，全阻尼要优于半阻尼，全阻尼的电流谐波要大于半阻尼，但阻尼参数对转矩谐波影响不大。
五、同步电机矢量控制系统
1. 同步电机矢量控制原理
交流电机矢量控制原理，也称为磁场定向控制原理，是由德国西门子公司学者Blaschke 于1970年提出的。
交流电机矢量控制原理建立在交流电机理论基础上。本世纪初，交流同步电机过渡过程的研究，由稳态等值电路、矢量图发展出d.q 轴双反应理论，而后由Park 建立了交流电机的动态方程，同时提出了多相交流电机ABC →dq 等坐标变换理论。在此基础上，Kron 把各种电机（同步机、异步机、直流机）统一为一种电机原型，建立了统一的电机理论。交流电机与直流电机的共性，以及相互转化的理论已建立起来，从这些电机理论出发，基于直流机良好的转矩控制性能，把交流电机通过坐标变换控制等效为直流电机，产生出交流电机矢量控制原理，并由此引起交流电机控制的一场革命。
直流电机结构示意图(7)由于电枢整流子的作用, 电枢磁势F a 终与激磁势F f 正交，由于电枢反应作用，合成磁势F u 与F a 不是正交的，在直流机磁极上安放了补偿绕组，补偿绕组流过电枢电流，产生相反的电枢磁势-F a , 抵消了电枢反应。直流电机转矩公式为：
T=K*Ia *If
由上述转矩公式可以看出，电枢磁势与电机磁通ψ正交，电枢电流和磁通可以分别控制，获得了良好的控制性能。
交流电机从外部可以控制的电量是定子交流电压、交流电流，产生电机转矩的电流和磁通是无法直接控制的。
同步电机矢量控制的思路为：通过坐标旋转变换，把坐标参照系放在旋转的转子上，站在转子上来看电机的磁势，同步电机与直流电机基本相同。从图(9)同步电机矢量图可以看出, 由于电枢反应作用，气隙磁通ψδ 与转子激磁磁通ψf 夹角为δ，也称为负载角。把气隙磁通ψδ 的轴线定为磁场定向M 轴线，与其正交的T 轴为转矩轴，把定子交流电流矢量Is 沿M.T 轴分解为磁场电流i sm 和转矩电流i st 。可以证明，转矩电流i st 与磁通ψδ 的乘积与转矩成正比，且ψδ 与i st 正交, 可以分别控制。
T=K*ist *ψδ
这一公式与直流电机转矩公式完全相同，达到控制转矩的目的。交流异步电机磁通是由定子电流的磁通分量i sm 提供，而同步电机的磁通ψ则可以由i sm 和转子激磁电流两边供给, 调节转子激磁电流i f 来抵消定子电流产生的电枢反应, 维持磁通恒定, 定子电流与磁通之间的正交性。
2. 坐标变换单元
交流电机矢量变换系统要用坐标变换单元来实现矢量变换控制。
1) 三相(ABC)→两相(αβ)
ABC 轴系与αβ轴系变换为静止坐标变换
│i A │ │1 0 ││i α │
│i B │=│-1/2 √3/2 ││ │
│i C │ │-1/2 -√3/2││i β │
│i α │=│1 0 ││i A │
│i β │=│1/√3 2/√3 ││i B │
┌──┐
A ──┤ ├──α i A ──┬───────────────→i α B ──┤3/2 │ │
C ──┤ ├──β │
└──┘ │ ┌──┐
│ │ │
└─┤3/2 ├──┐
│ │ │
└──┘ │
│
│ ┌──┐
│ │ 2 │
i A ──────────○─┤──├──→i β
│√3 │
└──┘
┌──┐
α──┤ ├──A i α ──────┬──────────────→i A │2/3 ├──B │
β──┤ ├──C │
└──┘ │
│
│ ┌──┐ │ │ │
├──────○──┤ -1 ├─→i B │ │ │ │ ┌──┐│ ┌──┐ │ └──┘ │ ││ │ │ │
i β ──┤√3 ├┴─┤-1/2├─┴───────→i C │ │ │ │
└──┘ └──┘
图(9)ABC轴系与αβ轴系之间的变换关系
2) 旋转变换(VD)
两相坐标系之间的旋转变换, αβ→dq, dq→MT
│iM │ │Cos δ Sin δ ││id │
↑ │ │＝│ ││ │
│ │iT │ │-Sin δ Cos δ││iq │
│
│
│ │id │ │Cos δ -Sin δ││iM │
│ │ │＝│ ││ │
└──────→ │iq │ │Sin δ Cos δ ││iT │
┌─┐
i d ──┬─┤* ├──────────┐
┌─┐ │ └┬┘┌─┐ │
i d ─┤ ├─i M i q ──┼──┼┬┤* ├───────○─→i M
│VD │ │ ││└┬┘┌─┐
i s ─┤ ├─i T └──┼┼─┼┬┤* ├────┐
└┬┘ ││ ││└┬┘┌─┐ │
│ │└─┼┴─┼─┤* ├─○─→i T
δ │ │ │ └┬┘
├──┼──┼──┘
Cos δ Sin δ -Sin δ
图(10)坐标旋转变换关系
3) 直角坐标→极坐标变换(VA)
由直角坐标X.Y 变换到极坐标的模与夹角。
↑Y
│ │A │＝√A X 2 +AY 2
│
A Y │ Cos α＝ A X /│A │
│
│ Sin α＝ A Y /│A │
│ α
└───────→X
A X
A X ┌─┐
┌───┐ ────┤÷├──┬───────────→Cos α A X ─┤ │ └┬┘ │
│ V A ├→α ┌──┘ │
A Y ─┤ │ A Y │ ┌─┐ │
└─┬─┘ ──┼─┤÷├┬─┼───────────→Sin α ↓│A │ │ └┬┘│ ├─┐
├──┘ │ │┌┴┐
│ │ └┤* ├─┐ V=1
│ │ └─┘ │ │ ┌─┐
│ ├───┐ ○─○─┤∫├┬→│A │
│ │ ┌┴┐ │ └─┘│ │ └──┤* ├─┘ │ │ └─┘ │ └──────────────────┘
图(11)直角坐标与极坐标之间的变换
3. 同步电机矢量控制系统结构
同步电机矢量控制系统的基本结构如图(12)
图(11)中各控制单元符号为:
ASR ----转速调节器 VD----坐标旋转变换单元
ACR ----定子电流调节器 V A----直角至极坐标变换单元
AUR ----电压调节器 MU----电压模型磁链观测器
A ψR----磁链调节器 Mi----电流模型磁链观测器
AFR ----励磁电流调节器 UC----前馈电压计算单元
2/3 ----三相至两相或两相至三相变换器
交交变频磁场定向控制同步电动机经坐标变换后，可以等效为直流电机。因此，组成的调速系统与直流调速系统相仿，根据需要可以采用各种闭环以实现转速控制。图(12)中， 速度给定值n * 与反馈值n 综合， 经速度调节器ASR 运算后，得电磁转矩给定值T e * 。为了消除磁链与电流之间的非线性耦合，把T e * 除以磁链ψ值后，得定子转矩电流给定值i st * 。 i st * 和定子励磁电流给定值i sm * 经坐标旋转变换单元VD 变换，得α、β轴系电流给定值i s α * 和 i s
，然后经两相至三相坐标变换，得到A 、B 、C 三相电流给定值i A * 、i B * 、i C * 。再由三组相电流调节器ACR 控制同步电机的定子电流，使之按照定子转矩电流给定值i st * 和励磁电流给定值i sm * 的变化而变化。
像直流电机一样，产生电磁转矩的磁链ψ也需要控制。从图(12)中知道，电机的磁链控制通过磁链调节器A ψR 来实现， 磁链反馈值ψ跟随给定值ψ* 变化。 A ψR 的输出为同步电机的磁化电流给定值i μ * 。所谓磁化电流， 即产生该磁链ψ的电流。同步电机磁链反馈值ψ由间接法获得，通常采用磁链观测器来实现。它是磁场定向控制的核心部分。图(12)中采用了两种磁链观测器：电压模型磁链观察器Mu; 电流模型磁链观测器Mi 。 Mi 单元的功能是将输入的定子电流给定值 i st * 、i sm * 及磁化电流给定值i μ * 计算出负载角δ和励磁电流给定值i f * 。负载角δ与位置检测出的同步电机转子旋转角γ，经坐标旋转变换，得磁场定向旋转角θ。Mu 单元由同步电机实际三相交流电压u A 、u B 、u C 与交流电流i A 、i B 、i C , 经三相至两相变换计算出α、β轴系的磁链ψs α 、ψs β 。再经直角至极坐标变换单元V A ，得出磁链旋转角度β * θ和磁链反馈值ψ。电机高速运行时，Mu 单元较 Mi 单元观测精度高。但电机低速甚至静止状态时，Mu 单元精度很差，甚至无法运行。这时Mi 单元担任磁链观测任务，并由它计算出抵消电枢反应所需的励磁电流给定值i f * 。
图(12)中的电压前馈单元UC ，是用来消除旋转电势和定子阻抗压降造成的电流通路交叉耦合，这里不赘述了。此外，图(12)中还有弱磁控制电压调节器AUR 以及保持电机定子功率因数为1的功率因数计算单元。
4. 位置检测器
位置检测器是自控同步电机的关键环节, 用它来检测电机转子位置的信息。
交直交自控同步电机方波供电, 需要转子位置信息为方波信号, 位置检测器可以由简单的接近开关来构成。而交交变频自控同步电机是正弦波供电，需要转子位置的信息为正弦波信号，位置检测器就十分复杂。从目前国际上交交变频同步电机工程应用的实例来看，位置检测器大致分三类：
1) 电磁检测型[图(13)]
70年代早期的交交变频自控同步电机多采用这种方式。采用一台小型同步电机(自整角机) 与大同步电机同轴相连，小电机的极对数要与大电机相符，为了获得低速的转子位置信息，必须对小同步电机进行调制解调控制，以获得转子位置的正弦波信号, 其特点: 结构简单，但检测精度不高，极数多的小电机制作有困难，这一方案目前大多不采用。
2) 光电编码器[图(14)]
为了提高位置检测精度，80年代以后，各国都采用光电码盘来作位置检测器，其中一方式是采用光电编码器，把光电编码器安装在大电机轴上，编码器输出8位或10位以上数字编码信号，该信号送入存贮器ROM 中去读取正弦与余弦数据, 再经D/A变换器变为模拟正弦信号。目前德国AEG 、ABB 等电气公司都采用这种检测方式。其特点：检测精度高，即使在电机静止状态, 也比较容易地获得转子位置信息控制系统比较简单，但是光电编码器不很坚固，传输线要8─10位并行母线，抗干扰能力差，电机拆装定位比较困难。
3) 普通脉冲码盘[图(15)]
为了解决位置检测器的可靠性与高精度的矛盾, 德国西门子公司在 70年代末，研制成功一种采用普通脉冲码盘与电压模型定位系统相结合的新型轴位检测方式。采用普通脉冲计数码数码盘，结构坚固耐用，脉冲信号送到计数中，然后去读取存在ROM 里的正弦与余弦信号, 而后经D/A变换输出正弦波模拟信号。码盘每转一圈，送一个同步脉冲，用来校正正弦波与转子位置之间的相位误差。为了在停车状态，获得转子位置信息, 利用电机投励瞬间，同步电机定子感应电势建立的过渡过程，由电压模型计算出转子位置角来引导位置检测器的计算初始值，以此来获得转子位置的控制信息。这一定位技术为西门子公司的专利。该方案的特点：结构简单，运行可靠，传输线少，但定位系统比较复杂。
此外, 近代交流传动技术的科研比较热衷于无位置检测控制的研究，采用电压模型计算方式可以实现10％以上转速调节的无位置检测控制，但对于轧机、提升机等低速高性能传动要求的机械仍然需要位置检测器。
5. 电流控制系统
交交变频自动控制同步电机必须有三个交流电流闭环调节系统来实现电流控制。
由于电流控制系统的给定与反馈量不是直流量而是交流量，常规的PI 调节器不可能达到消除稳态误差的目的, 这从控制理论的稳态误差理论出发是不难证明的，同时在电机控制原理图中也可以看到。交流电流的稳态误差的物理意义是：误差构成了移相控制电压Uk 即电流误差Δi ，与交流电机的电压成正比。
理论分析证明电流控制系统的稳态误差(幅值差、相位差) 与感应电势e 、转速n 以及移相角有关, 转速越高, 误差越大, 感应电势e 将对电流控制系统构成交叉耦合, 影响系统的控制品质, 同时, 在工程中发现, 调节器放大系数Ki
针对这一问题，学者们提出电势前馈补偿方法来消除电热的交叉耦合影响并消除控制稳态误差。并提出dq 轴直流电流闭环无差调节系统，并对dq 轴直流电流闭环的控制系统进行了数学推导及根轨迹稳定性分析。而西德学者则综合了前馈补偿与直流电流闭环的各自优点，提出了电压前馈直流电流闭环调节相结合的电流控制系统, 见图(16)。目前国际上基本上都采用这一方法，从工程应用效果来看，该方法比较圆满地解决了电流控制系统稳态误差与动态特性问题。
电压前馈模型为:
U sm = Rs i sm - Ls σ ωs i st
U st = Rs i st + Ls σ ωs i sm + ψδ ωs
采用电压前馈后，输入到移相触发器信号Uk 主要是电压前馈输出的正弦波，输入波形好，电流扰动影响小，稳态情况电流调节器输出应为零。交流电流调节只在动态过程中参与，一般只占20％，并且电流调节器输出可正负变化，放大倍数可以提高，系统动态性能好。由于电压前馈量是由电机参数计算出来的，较实际电机必有一定误差，采用直流电流闭环无差调节来消除稳态误差，可提高稳态控制精度。
6. 磁通观测器
矢量控制系统的关键单元是磁通观测器，即观测到气隙磁通的幅值以及旋转角度的信息，构成磁场定向的基准轴线(M,T轴) 。
1) 转子模型磁通观测──电流模型Mi
同步电机转子电流是可控的，同时凸极同步电机转子磁路呈非对称性，因此，转子模型磁通观测是同步电机矢量控制必不可少的单元，转子模型由电流计算出来，因此也称为电流模型Mi 单元。Mi 单元输入定子转矩分量i * st 和磁场分量i * sm , 以及总磁化电流i μ * , 输出磁通幅值│ψ│，负载角δ，以及转子激磁电流给定值i * f , 其磁链矢量图见图(17)。
i sm i st ↑
│ │ │
↓ ↓ │
┌───┐ │
i * μ │ ├─→│ψ│ │
───┤ │ │ │
│ ├─→δ │ │
└───┘ │ │
│ │ │
│ i * f ←┴────────┴────→
图(17)同步电机电流与磁势矢量图
a) 简化控制方式
简单的矢量控制Mi 单元作了一些简化和控制约束。
* i* sm =0, 电机定子磁场电流为零。
* 忽略凸极效应, 认为Lad=Laq。
* 忽略定子漏抗 L s σ =0。
根据上述简化, 电机磁势与电流之间为线性比例关系, 故磁势可转化为电流矢量图由矢量图可以推出if * 和角度δ的计算关系, 早期同步电机矢量控制都采用这一方案。
q
↑ M i * f ＝ √i 2 μ + i2 st
│i μ
│ i st
│δ i st δ＝ arctan ──
└────→─→ d i μ
i f
b) 精确控制
近代同步电机矢量控制的Mi 单元都考虑了电机凸极效应, 并计及阻阻尼绕组的影响, 并不要求i * sm =0约束。Mi 单元结构比较复杂。下图为AEG 公司Mi 单元，定子电流转矩分量i * st 与磁场分量i * sm 经旋转变频器VD 变换为dq 轴电流i d ,i q ，考虑到dq 轴阻尼绕组的时间常数，dq 轴磁通分别为：
ψad = Lad (id +if )(RD +LD σ p)/(RD +LD p)
ψaq = iq L aq (RQ +LQ σ p)/(RQ +LP p)
由此计算出磁能幅值│ψ│和负载角δ。
i * sm ┌──┐ i sd + ┌───┐ ψad ┌──┐ ────┤ ├───────○─────┤ ├─────┤ │ i * st │ VD │ isq +│ └───┘ │ V A ├─── δ
────┤ ├───────┼─┐ ┌─┤ │ └──┘ │ │ │ └─┬┘ │ │ │ │ │ψ│ │ │ │ │ │ │ ┌───┐ ψaq │ │
│ └───┤ ├───┘ │
ψ* ┌───┐ │ └───┘ │
──○───┤ ├────┴─────────────────┼───→i * f │- └───┘ │
└──────────────────────────────┘
图(18)Mi单元原理图
c)Mi 单元磁通观测器的特点
转子模型磁通观测器是从同步机转子磁通关系出发，是同步机矢量控制系统必不可少的单元，在低速运行时，甚至电机停止状态也可以获得磁场定向信息。但Mi 单元是由电机转子参数与电流计算出来的，受电机参数调整以及温度频率变化等因素影响，磁场定向的精度较差。
2) 定子模型磁通观测器──电压模型Mu
定子模型磁通观测源于异步电机矢量控制。因为异步电机无法检测与直接控制转子电流，故产生出定子模型构成的磁通观测器，由于同步机Mi 单元精度差，受参数影响大的缺点，近代同步电机控制都把Mu 单元引入矢量控制系统。定子模型磁通观测器也称为电压模型输入定子电压、电流，输出α，β轴（静止轴子）的磁通ψα ，ψβ ， 并由此计算出磁通幅值│ψ│和M 轴与α轴之夹角θ。
┌─────┐
U s αβ ────┤ │
────┤ │ ψs α ┌───┐
│ ├─────────┤ │ │ Mu │ ψs β │ V A ├───θ │ ├─────────┤ │ i s αβ ────┤ │ └─┬─┘ ────┤ │ │
└─────┘ ↓│ψ│
ψs α ＝ ∫(us α - Rs i s α )dt - Ls σ i s α ψs β ＝ ∫(us β - Rs sβ )dt - Ls σ i s β
图(19)Mu单元原理图
Mu 单元的特点：
定子模型磁通观测器由定子实际电压、电流计算出来，反映了电机实际运行磁通的状态，具有“闭环”控制性能，在高速运行时，漏抗及电阻压降占很小部分，故观测精度很高，但在低速时，电压检测困难，阻抗压降所占比例大，精度差，因此，Mu 单元适于电机高速运行的磁通观测，而Mi 单元适于电机低速运行的磁通观测。目前国际上同步电机矢量控制都采用这两种观测器，低速(n10%nN ) 采用Mu 单元。这种随转速变化而变结构的矢量控制，还要解决Mi 与Mu 变结构控制时的平滑过渡问题。西门子公司设计了可移动频率特性的过渡环节，使Mi 平滑过渡到Mu 单元工作。而AEG 公司则采用MU 单元磁通观测闭环控制，对MI 单元进行补偿的方案。 7. 同步电机的功率因数控制 1) 同步电机的运行方式
同步电机由于可以从定子和转子两边供给励磁，比异步电机有更大的控制灵活性。众所周知，同步电机可以实现欠激磁，功率因数滞后和过激磁，功率因数超前，两种不同的运行方式。对于交直交电热换流变频器供电的同步电机，必须过激磁运行，为变频器换流提供无功能量，而交交变频器无论负载功率因数滞后还是超前，变频器输入功率因数始终是滞后的，只在负载Cos φ=1时具有最高功率因数。因此，近代交交变频同步电机运行基本上为两种方式： a) i sm ＝ 0,is ⊥ψ b) Cos φ＝ 1
↑ ↑ │ │ ↑ ↑ │ │ │ │ ↑ ↑ │ │ │ │
│ │ │
└─────→─────→ └──────→──→ a) is m = 0 b) Cosφ= 1
图(20)同步电机运行矢量图
同步电机与直流电机相同，基速以下恒磁通运行，而基速以上为电压恒定的恒功率运行。图(21a)为两种运行方式转矩T 与转速N 之间的曲线关系，图(21b)为转矩T 与电流is 之间的曲线关系。
T ↑ T ↑
│ a │ a
├───── │ ψ恒定 2T N │- - - - -┐ │ b │ │ │ │ b │ │ │ b
│ │ │ U 恒定 T N │ │ a │ │ │
└─────────→ n └──────────→ i n N I N (a) (b) 图(21)同步电机运行曲线
由曲线可以看出，要保持电机最大转矩输出，并保持电流与转矩的线性关系，应该使同步电机运行方式选择为：
nnN U= const → cos φ= 1 2) 同步电机定子磁场电流i sm 的确定
通过同步电机定子电流磁通分量i sm 的控制来实现功率因数控制。由前面同步电机矢量图在不计定子电阻压降的条件下，可以看出电压 Us 与T 轴夹角同磁通ψ与M 轴夹角相同，可以推出：
φu,t = -arctan(ψT /ψM ) φi,t =-arctan(ism /ist ) 那么电压与电流夹角φu.i 为:
φu,i = arctan(ism /ist ) + arctan(ψT /ψM ) 在Cos φ=1附近小角度运行，tan φ≈ φ 可以推出近似关系式：
i sm = -ist (ψT /ψM +φu,i ) 进一步考虑到
L s σ
i sm = -ist (ist *Ls σ /ψδ +φu,i )
上式为同步电机功率因数控制公式, 电路实现如图。
i st
─────┬───────────────────────┐
│ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ -1 │ │ │ │ │ └─┬─┘
│ ┌───┐ ┌───┐ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ │ │
└─┤ L s σ ├───────┤ ÷ ├─○─┤ * ├───→i sm
│ │ │ │ │ │ │ ψδ └───┘ └─┬─┘ │ └───┘ ─────────────────────┘ │ φu,i │ ─────────────────────────┘ 图(22)同步电机定子磁场电流控制系统
8. 同步电机全数字控制系统
由于同步电机矢量控制系统十分复杂，坐标变换以及磁通观测需要大量的数学计算，构成这样一个系统是十分庞大的。西门子控制系统由150余块插件板组成，这给系统运行、维护带来了很大困难，同时，这样一个庞大系统的调试也是个大难题。近十年来，计算机技术突飞猛进，电气传动控制系统开始由模拟控制转向计算机的全数字控制。数字调节技术不仅使控制系统实现了高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。近两年世界几大电气公司：西门子、AEG 、ABB 、都推出全数学控制的同步电机矢量控制系统, 其中西门子公司的Simadyn D 和AEG 公司的 Logidyn D 采用通用计算机硬件、软件模块化、可编程化，为当代电气传动全数字控制的先进水平。
西门子同步电机全数字矢量控制系统如图(23)所示。 Simadyn D采用10块计算机硬件模块。
* PG处理器板四块，分别负责三相定子电流以及励磁电流控制，并产生可控硅变频器的触发信号。
* PS处理器板一块，专门作矢量控制的计算。CPU 为Intel 80186 16位微型机。
* PM处理器板两块,cpu 为32位RISC 微处理器R 3000负责电机的起动逻辑与速度控制以及系统的自诊断与通讯。
* 输入模板EM 检测和处理速度与位置信号。 * 存贮器板MM 存贮计算信息。
软件采用Struc 功能方框图设计语言，可以从软件包中调出上百个控制模块软件子程序，按控制系统要求进行组接，实现可编程控制。目前这种全数字控制的同步电机变频调速已成功地应用到矿井提升机和轧机主传动中。
图(24)为AEG 公司近几年推出Logidyn D 同步电机全数字矢量控制系统。该系统的速度、磁场电流及矢量控制运算由主控制器TCU032来完成，TCU032采用32位微处理器作CPU 。同步电机的定子电流控制由COP800来实现，COP800采用简化指令级的高速32位微处理器RISC 。用COP032作一个PI 调节功能运算大约为85μs, 而COP800仅需要10μs 。采用 32位微处理器硬件，同步电机速度环平均计算时间在10ms 以内，而定子电流环的计算时间少于1ms 。图(25)为双机驱动可逆轧机的Logidyn D 控制板配置。VIP 模板为Logidyn D总线与IBM 个人计算机的通讯接口。 Logidyn D的软件Logi CAD 为控制功能块图形编辑软件。在IBM386个人计算机上运用鼠标器在屏幕上编辑作图, 同时生成控制软件。图(26)为Logi CAD设计的例子。目前，这种采用32位微处理器及RISC 微处理器的先进数字控制系统已成功地应用于轧机主传动与矿井提升机传动中。
西门子、AEG 公司在全数字控制的基础上开发出计算机控制系统自调试技术，使矢量控制系统的调试简单化。传统的模拟控制系统调试必须依靠电机模拟器，而且调试过程十分复杂，需要调试人员具备较高的矢量控制理论水平和调试技术，而计算机控制把现代控制理论中模型参考自适应技术引入系统，使控制系统具备自调试、自动寻优功能，复杂的磁场定向与参数识别完全由计算机自己完成，调试人员可以不具备交流调速方面的专门技术，也不需要另外的测试仪器。计算机自调试技术对同步电机矢量控制系统的运行维护及推广应用具有巨大的推动作用。
表1. 交交变频调速典型应用实例
·30年代 水银整流器交交变频器 原理 德国 ·1969年 6400KW 同步电机 水泥磨机 BBC ·1981年 4220KW 同步电机 矿井提井机 Siemens ·1981年 4000KW 同步电机 初轧机 Siemens
·1982年 2500KW 同步电机 初轧机 ·1983年 3200KW 同步电机 水泥磨机 ·1985年 12000KW 同步电机 粗轧机 ·1987年 8000HP 同步电机 破冰船 ·1988年 F1 3700KW
F2 4800KW异步电机 冷连轧机 F3 3500KW (0.004% , 60rad/s)
·1990年 12000KW*2同步电机 游船驱动 ·1990年 7000KW 同步电机 35rpm 粗轧机 ·1991年 3730KW*5同步电机 铝板热轧机(5机架) ·1991年 6000KW*2同步电机 连铸连轧(4机架精轧) 4000KW*2
·1992年 11250KW 同步电机 热带粗轧机
表2. 国产交交变频调速系统现状
1979 1/3交交变频50KW 异步电机 成都无缝厂辊道 院
1983 80KW 交交变频双馈异步电机 首钢焊管厂冷拔机 研究院
1986 280KW 交交变频异步电机 北京稀土研究所轧机 院
1989 (50～200KV A)*14交交变频异步电机 包钢棒材厂辊道 研究院
(国家科技进步三等奖)
1990 440KW 交交变频异步机 第一重机厂轧机 设计所
1991 630KW 交交变频双馈电机 首钢带钢厂中轧 研究院
1993 1250KW 交交变频异步电机 长钢初轧机 设计所
1993 2500KW 交交变频同步电机 包钢轨梁厂850轧机 研究院
1993 630~1000KW 5机架热连轧 首钢带钢厂热连轧机 研究院
交交变频双馈电机
1994 5000KW*2交交变频同步电机 天津中板厂中板轧机 日本富士电机 苏联
法国Alsthom 加拿大GE ABB
日本三菱 Siemens AEG 日本东芝 重庆钢铁设计 冶金部自动化 北京钢铁设计 冶金部自动化 天津电气传动 冶金部自动化 天津电气传动 冶金部自动化 冶金部自动化 冶金部自动化
日本东芝
研究院
1994 2500KW 交交变频异步电机 天津无缝钢管厂轧机 天津电气传动设计所
1994 630-800KW5机架棒材连轧 宣钢小型厂棒材连轧机 冶金部自动化研究院
交交变频双馈电机
1995 4000KW 交交变频同步电机 重钢中板轧机 冶金部自动化研究院
i * st ┌───┐ ┌───┐ i * ABC ┌─────┐ ┌─────┐
────────────────────────────┤ │ │ │ + │ ┃ │ + │ ┏━┓ │
│ │ VD ├──┤ 2/3 ├──────┤ ┣━━ ├───────┤ ┃ ┃ ├──
i * sm │ │ ├──┤ ├──┬┬──┤ ┃ ├──┐┌───┤━┛ ┗━├──
──┬─┼───────────────────────┤ │ │ │ - ││ │ ┗━━━ │ +││ │ │
│ │ └───┘ └───┘ ││ └─────┘ ││ └─────┘ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ┌───────┐ ││ ││
│ │ │ │ + U * st ┌───┐ ┌───┐ ││ ││
│ ├───┤ ├────→○─────┤ │ │ │ ││ U * ABC ││
ψ ├─┼───┤ 电压前馈 │ +↑ │ VD ├──┤ 2/3 ├──┴┴───────────┘│
──┼─┼───┤ │ │+ U * sm │ ├──┤ ├──┬┬────────────┘
──┼─┼───┤ ├─────┼→○───┤ │ │ │ ││
n │ │ │ │ │ +↑ └───┘ └───┘ ││
│ │ └───────┘ │ │ ││
│ │ │ │ ││
│ │ ┌────┐ │ │ ││
│ │ │ ┃ │ │ │ ││
│ └──→○─→│ ┃ ├─────┘ │ ││
│ i st ↑ │ ┗━━ │ │ ││
│ │ └────┘ │ ┌───┐ ┌───┐ ││
│ │ │ │ │ │ │ ││ i ABC
│ │ ┌────┐ │┌──┤ VD ├──┤ 2/3 ├──┘└───────────────────────────
│ │ │ ┃ │ ││┌─┤ ├──┤ ├───────────────────────────────
└──→○─┼─→│ ┃ ├───────┘││ │ │ │ │ i sm ↑ │ │ ┗━━ │ ││ └───┘ └───┘ │ │ └────┘ ││ │ │ ││ │ └────────────────┘│ └───────────────────┘
图(16)电流控制系统原理图
图(7)直流电机示意图
图(8)同步电机示意图
-1- -2- -3- -4- -5- -6- -7- -8- -9- -15- -16-
-17- -18- -19- -20- -21- -22- -23- -24- _
-10- -11- -12- -13- -14- -25- -26- -27- -28- -29-
交交变频同步电机调速系统
冶金部自动化研究院
交流调速工程开发中心
一九九四年八月
目 录
一、前言
二、交交变频同步电机调速传动的发展概述
三、交交变频器
四、同步电机
五、同步电机矢量控制系统
1. 同步电机矢量控制原理
2. 坐标变换单元
3. 同步电机矢量控制系统结构
4. 位置检测器
5. 电流控制系统
6. 磁通观测器
7. 同步电机功率因数控制
8. 同步电机全数字控制系统
一、前言
直流电动机调速性能好且方便，因而在要求调速的传动中一直占统治地位，由于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载能力、低转动惯量以及维护简单化等方面受到了限制，已不能满足生产机械向大型化的发展。随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率调速传动领域已出现交流传动取代直流传动的趋势。 对于大容量低速运转的生产机械，例如：轧钢机、矿井提升机以及水泥球磨机传动，交交变频同步电机调速是一种十分理想的传动方式，它不仅有与直流传动同样优越的调速性能，还有很多直流传动所不及的优点。
1. 由于同步电机不受整流子换向火花的限制，电机具有比直流机大得多的过载能力。
2. 电机在整个调速过程中，甚至在堵转状态，可始终维持其最大转矩，对于矿井提升机传动是一个突出的优点。
3. 效率高，节能效果显著，比直流传动效率高3-4％。以西门子公司为宝钢热连轧机R2粗轧机13000KW 电机提出的传动方案为例, 交流比直流年节电628万度/年, 折合52万元/年。
4. 体积小, 重量轻, 转动惯量小。 湘潭钢铁厂750轧机改为交流传动后, 电机容量加大40%, 而转动惯量GD 2 仅为直流机的1/6。GD 2 的大幅度减少使系统得到更快的动态性能, 加快了轧机的轧制节奏, 提高了产量，如湘潭钢铁厂电机改造后综合经济效益提高了30%。
5. 维护简单, 可靠性高。 电机可直接安装在轧机旁, 无需主电室。
同步电机变频调速与异步电机变频调速相比较, 功率因数高，可实现功率因数为1的运行。由于异步电机的激磁要从定子变频器供给，其变频器容量要比同步机大30%。尤其是轧机、造纸机等最高速与基速之比为2~3倍以上的传动，要求变频器有足够的电压余度，当电机过载2倍，转速达到300%Nn 时，同步电机变频器的容量仅为异步机的60%，在变频器价格高于电机的情况下，同步电机优越性明显。由于步电机转子电流是可控的, 不存在异步电机转子参数受温度影响产生的控制误差，因此同步电机控制精度高。
由于交交变频同步电机调速传动具有上述优点, 国内外工业界在大容量调速传动已陆续采用并推广这一技术。我国冶金企业从西门子公司引进了8套大功率交交变频同步电机调速系统应用于初轧机主传动, 取得了明显的经济效益。煤炭部与有色金属总公司也引进了德国 AEG 等公司的两套该系统用于矿井提升机传动, 并将在今后几年陆续引进6 套提升机传动。由于我国大型工业传动装备急待更新, 为了赶上世界先进水平, 迅速扭转交流传动装备重复引进的局面, 国家已把大容量交交变频同步电机调速传动装备的研制列入“八五”科技攻关课题。冶金部自动化研究院与哈尔滨电机厂合作研制的2500KW 交交变频同步电机轧机主传动系统已于1993年8月在包钢轨梁厂850轧机上投入运行。该系统是我国第一台大功率交交变频同步电机调速系统，它不仅为我国大型轧机主传动的国产化树立了样板，而且使我国大功率交流调速装备跻身于世界先进行列。
在该项目研制成功的基础上，冶金部自动化院与上海电机厂合作研制5000KW 交交变频同步电机轧机主传动装备。已在天津中板厂投入运行, 并正在同东方电机厂合作研制4000KW, 40rpm 大转矩交交变频同步电机轧机主传动系统。
二、交交变频同步电机调速传动的发展概述
交交变频同步电机调速传动为自控式同步电机传动。自控同步电机就其供电变频器的类型不同，分为交直交型、交交型。交直交自控同步电机的变频器是采用电机负载电势自然换流，由于换流超前角的限制，电机过载能力不高（一般125％），而且电机旋转磁场呈步进状态，转矩脉动大，因此这类传动多用于风机、水泵节能传动。本文讨论的是交交变频器（Cycloconverter ），电网自然换流，输出电压、电流均为正弦波的同步电机调速传动。
早在本世纪三十年代初期，在汞弧闸流管交交变频器的理论与实验产生的同时，就有人提出交交变频同步电机传动系统的方案，但它在工业上的实际应用却推迟了近三十年。1969年BBC 公司研制成功世界上第一台6400KW 交交变频同步电机传动装置, 用于法国伦伯尔基水泥厂作水泥球磨机无级调速传动，由于当时还没有合适的大容量高压可控硅，该系统还是采用汞弧闸流管。由于这种传动方式在大容量低速传动领域具有良好的运转性能，到1978年, 世界上已有20多套6000KW 以上的该类传动用于水泥球磨机传动。
70年代初, 随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广, 德国西门子公司、AEG 公司、BBC 公司及日本东芝、富士、日立等大电气公司都投入大量人力物力对交交变频同步电机传动进行试验研究, 期望这一技术可以应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动, 其中西门子公司在科研与工业应用方面取得了长足进展。
1981年西门子公司研制成功世界第一台4220KW 交交变频同步电机矿井提升机主传动。 同年(1981年) 该公司又研制成功第一台4000KW 初轧机交交变频同步电机传动系统, 使大容量交流调速系统登上了高性能调速的台阶。
1982年日本富士电机公司研制成功日本第一台2500KW 初轧机交交变频同步电机主传动系统, 但82年以后, 日本各电气公司放弃同步电机变频调速, 而主攻交交变频异步电机调速, 因此, 高性能大容量交流调速传动在世界上开始分成两大学派：即以西德为代表的同步电机调速和以日本为代表的异步电机调速。日本东芝公司1988年为川崎制铁公司研制了世界上第一套交交变频异步电机调速高精度冷连轧机, 速度响应达到60弧度/秒, 速度控制精度为0.004％, 超过了直流调速的指标，但由于同步电机变频调速对于大容量轧机主传动具有许多异步机所不及的优点，日本80年代末又开始研制同步电机变频调速装置, 三菱电机公司1990年推出世界最大转矩交交变频同步电机轧机主传动, 7000KW,35/79rpm， 1992年又陆续制造2-3台同步电机轧机主传动装置。东芝公司制造了日本最大容量11250KW 交交变频同步电机轧机主传动,1992年投入运行。
此外，世界其他国家也进行过该传动系统的研究。1983年, 苏联研制了3200KW 交交变频同步电机水泥球磨机传动。1987年加拿大GE 公司研制了8000HP 交交变频同步电机作为破冰船螺浆传动。1985年法国 Alsthom 公司制造了12000KW 初轧机主传动, 该同步机电压达到5900V 。 1990年ABB 公司为日本长崎三菱造船的游船驱动制造的交交变频同步电机为12000KW*2, 效率高达96％, 采用全数字矢量控制。表1列出世界各国交交变频同步电机轧机主传动的典型实例。
1989年, 西门子公司第一次将交交变频同步电机传动应用于热连轧的精轧机主传动, 使大容量同步电机变频调速终于达到并超过了直流调速的性能。屹今为止，世界上已经有近300套轧机及矿井提升机传动采用了交交变频同步电机调速。其中德国西门子公司生产了 160余套, 占绝对优势。
我国从70年代就开始交交变频调速技术的研究, 80年代初已研制成功交交变频同步电机的实验样机, 并制成交交变频异步电机调速工业试验样机。但大功率交交变频调速装置到90年代才得到长足的进展。由天津电气传动设计所与哈尔滨电机厂合作研制的1250KW 交交变频异步电机, 冶金部自动化院与哈尔滨电机厂合作研制的2500KW 交交变频同步电机已于93年在轧机主传动中投入运行。尤其是后者采用了国际先进水平的1650V 高压主柜, 光电全关断检测技术, 磁场定向控制系统, 采用独特的阻尼磁链定向控制原理及同步电机转子位置定位调整方法, 使该系统各项运行性能达到了国外进口样机的指标, 标志着我国交交变频同步电机调速技术与装备制造水平已达到国际先进水平。
目前，国内有关单位正在上述成果基础上积极研制4000~5000KW全数字控制交交变频同步电机调速装置。表2 列出我国交交变频调速系统的实例。
从目前国际上交交变频同步电机传动系统的发展来看，该系统的基本理论与电路结构已趋于成熟，但仍存在着系统过于庞大复杂，难于调整，难于掌握的缺点，因此，西方各国致力于计算机对交交变频同步电机传动系统作全数字控制，同时进一步完善控制理论和简化控制系统，形成计算机、变频器、电机一体化的新型系统。
交交变频同步电机传动系统由于其容量大，系统庞杂，一般高校不具备该系统的实验装置，因此理论研究及实验较少涉及这一课题。推动这一技术发展的多为大电气公司的研究开发部门，而其研究成果除公布一般结果以外，理论与系统的诀窍多是保密的，因此，关于交交变频同步电机传动系统理论分析与研究的论文很少，本文是在搜集了大量工程应用实例的基础上，对这一系统的各个主要部分的研究与发展情况作一些介绍，以期推动这一技术的进一步发展。
三、交交变频器
交交变频器也称为循环变流器或直接变频器（Cycloconverter ），它是一种频率比可变而功率可双向传送的静止变频器。其基本原理是由Hazeltine 于1932年提出来的，在30年代，相控汞弧变流器产生之后，由Schenkel 和Issendoyff 研制出实用的变频器，将其应用在欧洲的电力牵引机车上，并建立了这种采用电网自然换流的交交变频器的基本理论。随着半导体技术的迅速发展，大容量晶闸管的研制成功，使得自然换流交交变频器在工业中得到了广泛应用。本世纪70年代, 这种变频器在大功度低转速的交流驱动领域得到了推广应用，因此对变频器的理论分析与工程设计方法提出了需求。Pally 和Gyngyi 分别发表了几本有关交交变频器的理论专著, 全面阐述了交交变频器的原理, 推导了输入电流波与输出电压波的精确表达式, 列出了不同变频器外部性能的定量数据。而Mcmurry 发表了一本交交变频器的设计理论著作，为变频器的工程设计应用奠定了理论基础。这几本专著为变频器的工业应用提供了理论分析与工程设计的依据。
典型的自然换流交交变频器主回路为三组反并联的全控晶闸管桥式变流器，相当于三组可逆直流供电系统。三组桥式变流器星形联接，供电给同步电机，见图(1)(2)。
1. 无环流切换技术
与直流可逆传动相同，交交变频器也分为有环流与无环流两种方式。有环流方式具有良好的切换性能，控制系统简单，可以提高变频器的输出频率（日本东芝公司冷连轧机主传动系统采用的有环流交交变频器将输出频率提高到50HZ ）。但有环流系统的环流电抗器毕竟给大容量传动系统增加了负担，并提高了装备投资，因此，绝大多数大容量交交变频器都采用无环流切换方式，但无环流交交变频器又给科技人员带来了切换技术与电流断续运行两大难题。
无环流切换技术是交交变频器技术难关之一。交交变频器每秒钟要切换几十次，采用传统直流调速的电流检测与切换方式是无法满足这一要求的。70年代初, 产生一种用检测晶闸管端电压来检测电流过零状态的方法，称之为晶闸管全关断电压检测，交交变频器采用这一技术后，把无环流切换死时由传统的10ms 减少到1ms 以内, 这一技术难关的突破, 为交交变频器工业应用铺平了道路。
2. 电流断续补偿技术
众所周知，当晶闸管直流传动系统的电流断续时，变流器输入控制电压与输出直流电压之间的传递函数发生很大变化，放大系数大大减少，许多学者对这一课题进行过研究，探讨了电流断续时传动系统的运行特性，提出不少补偿电流断续特性的方法。例如德国AEG 公司提出的PIP 前馈电流断续自适应控制电路，电流断续时，在移相控制信号上叠加一个按三阶抛物线变化的电压信号，来补偿电流断续造成的特性改变，该方法目前在西欧直流传动技术中普遍采用，因此，交交变频器也无疑沿用了该技术。但交交变频器是三组变流器供电系统，当电流断续时，一组变流器的电流断续可能阻断另外两组变流器的电流通路，造成新的电流断续，这一过程比较复杂，也给工程应用带许多难以克服的困难，造成电流断续振荡，以至无法运行。此外，电流断续的脉冲电流也给电机分析增加了复杂性。许多学者对电流断续时的电机及控制系统进行计算机仿真分析，探索这一状态下的电机运行特性，并寻找解决的方法。AEG 公司研制了主回路中点连接的方式来解决电流断续问题，当电流断续时，变流器中点经电子开关与电机中点相连，三组变流器互不影响，而电流连续后，电子开关打开，造成无星形中点接线，形成梯形波供电效果。而西门子公司则在控制电路上下功夫，经过大量理论分析与实验来确定每个晶闸管的触发脉冲宽度，保证三组变流器中，一定要有四只晶闸管同时导通，并采用了所谓“摇摆”控制技术来解决电流断续的问题。电流断续这一变频器不可避免的运行方式，对于电机分析、控制系统调节、工程应用等仍然有许多尚未明了并待攻克的难题。
3. 交交变频器的输入功率因数
众所周知, 相控整流器输入功率因数与移相控制角有关，在忽略换向重叠角的条件下，可以近似认为：
Cos φi ＝Cos α
而交交变频器的移相控制角始终在90°左右摆动。因此，交交变频器的输入功率因数较低。图
(3)为交交变频器输入功率因数的变化规律。 由图(3)可知，交交变频器输入功率因数Cos φi 与负载功率因数角φo, 调压系数γ有关。电压越低, 即调压系数γ小, 输入功率因数低，负越功率因数角越小，Cos φi 亦越低。特别要指出，无论负载性质如何，感性还是容性，输入电流总是滞后于电源电压，即交交变频器始终要从电网吸收滞后的无功功率以提供换流，因此，超前功率因数的负载，例如过激同步电机，对电网滞后无功功率补偿是毫无作用的。 由图(3)可以看出， 当变频器工作于最高电压，负载功率因数Cos φo ＝1, 交交变频器输入功率因数为Cos φimax ＝0.843。
提高交交变频器的输入功率因数的方法之一是尽管使相移角α工作在0°附近，由此而产生了梯形波供电方式，图(4)标出梯形波供电的波形， 梯形波供电使变频器理想输入功率因数由 0.843 提高到0.945, 实际运行功率因数也由0.7提高到0.8。梯形波可以看作为是三次谐波与基波的叠加，由于三相变频器与电机星形接线，消除了梯形波中的三次谐波分量，使输出线电压仍保持为正弦波。由于基波峰值较梯形波高15%, 因此, 在相同输出线电压条件下, 梯形波供电的变频器与变压器容量可减少15%。
4. 交交变频器对电网的谐波影响
交交变频器对电网的谐波影响较大, 它除了具有一般直流变流器的各高次谐波以外, 还存在旁频谐波, 这些谐波的次数与幅值同变频器的输出频率以及负载有关。图(5)给出交交变频器输入电流波形和谐波频谱。理论分析与运行结果都表明, 交交变频器尽管增加了旁频谐波次数, 但总谐波畸变由直流供电的23%下降到14%, 见图(6)。
综上所述，交交变频器的理论与设计方法已基本完善，科研工作的重点集中在如何提高变频器功率因数及电流断续等特殊运行方式的研究上，同时，国外学者针对交交变频器输出频率低，输入功率因数低的致命弱点，试图研究出一种频率比不受电网限制，有功与无功功率能双向流动的变频器。这一理论与变频器原型由Pally 及Gyugyi 于70年代中期建立，但由于该变频器需要大量自关断半导体器件，使得试验样机在80年代才出现。可以预见，随着大功率半导体元件技术的发展，这种新型的交交变频器将会在工业应用中得到推广。
四、同步电机
传统的同步电机按恒速长期运行来设计，而交交变频供电的同步电机要求在频繁起制动及正反转调速状态下工作，因而在这种条件下工作的交流同步电机，结构设计应与传统同步电机不同。交交变频同步电机在机械结构上应满足轧钢直流电机的工况。
在变频工作条件下，电机的参数设计理论与传统同步电机不同。对于自控同步电机，供电方式是多种多样的，负载换流交直交电流型变频器方波供电，电网自然换流的交交变频器正弦波供电，传动系统的运行方式也各异（恒磁通运行，弱磁运行，矢量控制运行等等），此外，传动对象的工艺要求不同，频繁可逆传动、冲击负荷、加速度控制等等。显然，在一种供电方式，以一种特定的运行方式得出的电机运行理论及电机参数设计准则作为一个普遍原则是不科学的。
1. 定子漏抗X s σ
从电流控制系统的动态特性出发，电机定子漏抗X s σ 越小越好，但由于交交变频器是谐波供电，定子漏抗X s σ 对供电电源谐波起到一个滤波作用, 西门子公司提出X s σ 加大对交交变频同步电机传动系统是有利的。此外，在交交变频传动的工程与实验中也同样发现X s σ 加大系统稳定性有利，并有意在定子回路串联电感来消除供电谐波的影响。引进的西门子电机X s
s σ 较常规同步电机大些。X σ >>0.1
2. 同步电抗X d
传统同步电机的同步电抗X d 是决定电机过载能力的重要参数。同步电机的转矩公式为： T = E*Us /(ωs *Xd )*Sinδ
由公式看到，同步电机静态过载能力反比于直轴同步电机X d ，即X d 小过载能力大，而X d 的大小主要取于电机的气隙长度，增加气隙可以提高过载能力，但同时又需要更多的励磁安匝数，励磁绕组导电材料增多，提高电机造价，一般凸极同步电机X d 取0.7─1.3。
而自控同步电机静态转矩关系式与X d 是无关的。
T = K*ist*iμ (矢量控制)
但为了抵抗电枢反应的影响，静态磁通恒定控制中，激磁电流i f 的大小与同步电抗X d 有关。
i f ─ψf = √ψ2 +L2 d i 2 s
L d 过大, i f 相应也要加大, 从静态磁通恒定控制出发,L d 小对i f 控制有利, 而引进的西门子电机的同步电抗参数X d 远大于常规同步电机。X d >>2.0。
3. 阻尼绕组参数
自控同步电机与常规同步电机在参数理论上的主要区别集中在阻尼绕组。近二十年来，许多学者涉足于该课题的研究。
常规同步电机阻尼绕组的设置是为了抑制转子在同步速附近的自由振荡，提高同步发电机承担不对称负荷的能力，同时提高电网系统的稳定性，而阻尼绕组的超瞬变电抗又影响发电机的突然短路特性，因此，该参数设计主要考虑发电机突然短路的电流冲击幅值及脉振电磁转矩幅值，对于同步电机阻尼绕组作为电机起动绕组，其参数设计主要考虑起动转矩和起动电流。 自控同步电机定子电流的旋转频率及相位与转子位置始终是同步相关的，不存在失步与振荡现象，同时，该电机又不需要阻尼绕组作起动绕组之用，故传统同步电机意义上的阻尼绕组就没有存在的必要了。
近几年，国内外不少学者对交直交负载换流自控同步电机的阻尼绕组进行了比较详尽的分析。
阻尼绕组可以改善换流特性，使换流加快，换流电抗减少，并使电压波形缺口减少，改善了供电波形，同时，阻尼绕组加强了电机过载能力，使换流极限加大，但阻尼作用使电流脉动加大，使电机转矩脉动增加，系统动态响应开始的瞬间，电机电流受到直流大电抗L B 的限制，而几十毫秒后，阻尼电流衰减其影响消失，因此，阻尼绕组对系统响应没有影响。
对于交交变频供电的同步电机，由于供电波形为正弦波而不是方波，变频器靠电网自然换流，并不需要阻尼绕组来加速换流过程，改善换流特性，因此稳态运行的同步电机，没有必要安装阻尼绕组，但从国外文献介绍，以及国内引进该类同步电机都装有阻尼绕组。阻尼绕组在交交变频同步电机中究竟起什么作用呢？
德国对该电机的理论与实验进行过较多的探索。
西门子公司认为阻尼绕组的设置是考虑在轧钢冲击负载时，使磁通保持恒定，补偿动态过程中的电枢反应，减少激磁调节系统由于激磁绕组大时间常数所造成的滞后，同时该公司进一步提出，阻尼绕组对于轧机传动是必要的，它可以有效的补偿咬钢冲击负荷时的动态速降，但对于动态要求不太严格的交流传动，如水泥窑传动，可以取消阻尼绕组。1989年西门子公司来华技术交流时又提出用矿井提升机传动的同步机可以取消阻尼绕组, 以简化电机结构，提高运行效率，引起了国内外学者的很大兴趣。
AEG 公司Hosselse 博士于对阻尼绕组的作用进行了分析，他认为在速度阶跃即转矩电流阶跃变化时，同步电机的阻尼绕组将感应出阻尼电流，其作用是使总磁通保持恒定，使系统的动态响应加快，另一方面，在弱太调节范围，磁场电流的调节，阻尼绕组将产生阻止磁通变化的影响，尽管这一影响不直接对转矩产生作用，但仍将影响系统动态调节特性。
由此可见，交交变频同步电机中的阻尼绕组主要是考虑为改善传动系统的动态响应而设置的，这对于高性能，冲击负荷的轧机传动尤为必要，但上述分析只是一般性结论报导，没有看到详细的理论分析与实验记录。
从国外引进的该类同步机来看，其阻尼绕组结构与一般同步电机大不相同，阻尼条很细，西门子公司的阻尼绕组只安装在转子磁极表面，极间并不相连，而ABB 公司阻尼绕组交轴阻尼绕组是相连的。由此而见，各公司对阻尼绕组的设置与参数设计所依据的理论并不相同。西门子公司称它的阻尼绕组设计是通过专用的模拟程序计算出的最佳化参数。
从引进的几套轧机传动同步电机的运行来看，湘钢3250KW 同步电机的阻尼绕组发生过端部开焊现象。1991年包钢1150初轧机同步电机大修换磁极时, 发现磁极鸽尾槽配合面, 由于流过大容量阻尼电流而大
面积烧蚀，磁极压板的固定螺丝也被阻尼电流烧断。鞍钢同步电机也发生类似问题。西门子公司也认为这一问题是电机设计时没有考虑到的。由此看出，半阻尼结构尽管可以减少电机的谐波转矩，减少谐波引起的温升，但磁间q 轴电流引起的发热与烧蚀现象使电机学者们重新对全阻尼结构, 以及电机阻尼绕组参数的设计理论给予了极大的关注。
近几年，中国学者对交交变频同步电机的阻尼绕组进行了深入的理论分析和实验研究，在该领域取得了较大的突破。理论与实验证明交交变频同步电机阻尼绕组的作用在于： * 加快定子电流响应
* 抵消动态电枢反应, 维持磁链恒定
* 产生异步转矩, 抑制负载能振荡, 提高电机过载能力
同时指出:
* q轴阻尼绕组对改善系统动态特性具有重要作用。
* 在突加负载时, q轴阻尼电流的增量近似等于定子电流的增量。对于轧钢电机，要充分考虑q 轴电流的合理通路。
* 从动态特性出发，全阻尼要优于半阻尼，全阻尼的电流谐波要大于半阻尼，但阻尼参数对转矩谐波影响不大。
五、同步电机矢量控制系统
1. 同步电机矢量控制原理
交流电机矢量控制原理，也称为磁场定向控制原理，是由德国西门子公司学者Blaschke 于1970年提出的。
交流电机矢量控制原理建立在交流电机理论基础上。本世纪初，交流同步电机过渡过程的研究，由稳态等值电路、矢量图发展出d.q 轴双反应理论，而后由Park 建立了交流电机的动态方程，同时提出了多相交流电机ABC →dq 等坐标变换理论。在此基础上，Kron 把各种电机（同步机、异步机、直流机）统一为一种电机原型，建立了统一的电机理论。交流电机与直流电机的共性，以及相互转化的理论已建立起来，从这些电机理论出发，基于直流机良好的转矩控制性能，把交流电机通过坐标变换控制等效为直流电机，产生出交流电机矢量控制原理，并由此引起交流电机控制的一场革命。
直流电机结构示意图(7)由于电枢整流子的作用, 电枢磁势F a 终与激磁势F f 正交，由于电枢反应作用，合成磁势F u 与F a 不是正交的，在直流机磁极上安放了补偿绕组，补偿绕组流过电枢电流，产生相反的电枢磁势-F a , 抵消了电枢反应。直流电机转矩公式为：
T=K*Ia *If
由上述转矩公式可以看出，电枢磁势与电机磁通ψ正交，电枢电流和磁通可以分别控制，获得了良好的控制性能。
交流电机从外部可以控制的电量是定子交流电压、交流电流，产生电机转矩的电流和磁通是无法直接控制的。
同步电机矢量控制的思路为：通过坐标旋转变换，把坐标参照系放在旋转的转子上，站在转子上来看电机的磁势，同步电机与直流电机基本相同。从图(9)同步电机矢量图可以看出, 由于电枢反应作用，气隙磁通ψδ 与转子激磁磁通ψf 夹角为δ，也称为负载角。把气隙磁通ψδ 的轴线定为磁场定向M 轴线，与其正交的T 轴为转矩轴，把定子交流电流矢量Is 沿M.T 轴分解为磁场电流i sm 和转矩电流i st 。可以证明，转矩电流i st 与磁通ψδ 的乘积与转矩成正比，且ψδ 与i st 正交, 可以分别控制。
T=K*ist *ψδ
这一公式与直流电机转矩公式完全相同，达到控制转矩的目的。交流异步电机磁通是由定子电流的磁通分量i sm 提供，而同步电机的磁通ψ则可以由i sm 和转子激磁电流两边供给, 调节转子激磁电流i f 来抵消定子电流产生的电枢反应, 维持磁通恒定, 定子电流与磁通之间的正交性。
2. 坐标变换单元
交流电机矢量变换系统要用坐标变换单元来实现矢量变换控制。
1) 三相(ABC)→两相(αβ)
ABC 轴系与αβ轴系变换为静止坐标变换
│i A │ │1 0 ││i α │
│i B │=│-1/2 √3/2 ││ │
│i C │ │-1/2 -√3/2││i β │
│i α │=│1 0 ││i A │
│i β │=│1/√3 2/√3 ││i B │
┌──┐
A ──┤ ├──α i A ──┬───────────────→i α B ──┤3/2 │ │
C ──┤ ├──β │
└──┘ │ ┌──┐
│ │ │
└─┤3/2 ├──┐
│ │ │
└──┘ │
│
│ ┌──┐
│ │ 2 │
i A ──────────○─┤──├──→i β
│√3 │
└──┘
┌──┐
α──┤ ├──A i α ──────┬──────────────→i A │2/3 ├──B │
β──┤ ├──C │
└──┘ │
│
│ ┌──┐ │ │ │
├──────○──┤ -1 ├─→i B │ │ │ │ ┌──┐│ ┌──┐ │ └──┘ │ ││ │ │ │
i β ──┤√3 ├┴─┤-1/2├─┴───────→i C │ │ │ │
└──┘ └──┘
图(9)ABC轴系与αβ轴系之间的变换关系
2) 旋转变换(VD)
两相坐标系之间的旋转变换, αβ→dq, dq→MT
│iM │ │Cos δ Sin δ ││id │
↑ │ │＝│ ││ │
│ │iT │ │-Sin δ Cos δ││iq │
│
│
│ │id │ │Cos δ -Sin δ││iM │
│ │ │＝│ ││ │
└──────→ │iq │ │Sin δ Cos δ ││iT │
┌─┐
i d ──┬─┤* ├──────────┐
┌─┐ │ └┬┘┌─┐ │
i d ─┤ ├─i M i q ──┼──┼┬┤* ├───────○─→i M
│VD │ │ ││└┬┘┌─┐
i s ─┤ ├─i T └──┼┼─┼┬┤* ├────┐
└┬┘ ││ ││└┬┘┌─┐ │
│ │└─┼┴─┼─┤* ├─○─→i T
δ │ │ │ └┬┘
├──┼──┼──┘
Cos δ Sin δ -Sin δ
图(10)坐标旋转变换关系
3) 直角坐标→极坐标变换(VA)
由直角坐标X.Y 变换到极坐标的模与夹角。
↑Y
│ │A │＝√A X 2 +AY 2
│
A Y │ Cos α＝ A X /│A │
│
│ Sin α＝ A Y /│A │
│ α
└───────→X
A X
A X ┌─┐
┌───┐ ────┤÷├──┬───────────→Cos α A X ─┤ │ └┬┘ │
│ V A ├→α ┌──┘ │
A Y ─┤ │ A Y │ ┌─┐ │
└─┬─┘ ──┼─┤÷├┬─┼───────────→Sin α ↓│A │ │ └┬┘│ ├─┐
├──┘ │ │┌┴┐
│ │ └┤* ├─┐ V=1
│ │ └─┘ │ │ ┌─┐
│ ├───┐ ○─○─┤∫├┬→│A │
│ │ ┌┴┐ │ └─┘│ │ └──┤* ├─┘ │ │ └─┘ │ └──────────────────┘
图(11)直角坐标与极坐标之间的变换
3. 同步电机矢量控制系统结构
同步电机矢量控制系统的基本结构如图(12)
图(11)中各控制单元符号为:
ASR ----转速调节器 VD----坐标旋转变换单元
ACR ----定子电流调节器 V A----直角至极坐标变换单元
AUR ----电压调节器 MU----电压模型磁链观测器
A ψR----磁链调节器 Mi----电流模型磁链观测器
AFR ----励磁电流调节器 UC----前馈电压计算单元
2/3 ----三相至两相或两相至三相变换器
交交变频磁场定向控制同步电动机经坐标变换后，可以等效为直流电机。因此，组成的调速系统与直流调速系统相仿，根据需要可以采用各种闭环以实现转速控制。图(12)中， 速度给定值n * 与反馈值n 综合， 经速度调节器ASR 运算后，得电磁转矩给定值T e * 。为了消除磁链与电流之间的非线性耦合，把T e * 除以磁链ψ值后，得定子转矩电流给定值i st * 。 i st * 和定子励磁电流给定值i sm * 经坐标旋转变换单元VD 变换，得α、β轴系电流给定值i s α * 和 i s
，然后经两相至三相坐标变换，得到A 、B 、C 三相电流给定值i A * 、i B * 、i C * 。再由三组相电流调节器ACR 控制同步电机的定子电流，使之按照定子转矩电流给定值i st * 和励磁电流给定值i sm * 的变化而变化。
像直流电机一样，产生电磁转矩的磁链ψ也需要控制。从图(12)中知道，电机的磁链控制通过磁链调节器A ψR 来实现， 磁链反馈值ψ跟随给定值ψ* 变化。 A ψR 的输出为同步电机的磁化电流给定值i μ * 。所谓磁化电流， 即产生该磁链ψ的电流。同步电机磁链反馈值ψ由间接法获得，通常采用磁链观测器来实现。它是磁场定向控制的核心部分。图(12)中采用了两种磁链观测器：电压模型磁链观察器Mu; 电流模型磁链观测器Mi 。 Mi 单元的功能是将输入的定子电流给定值 i st * 、i sm * 及磁化电流给定值i μ * 计算出负载角δ和励磁电流给定值i f * 。负载角δ与位置检测出的同步电机转子旋转角γ，经坐标旋转变换，得磁场定向旋转角θ。Mu 单元由同步电机实际三相交流电压u A 、u B 、u C 与交流电流i A 、i B 、i C , 经三相至两相变换计算出α、β轴系的磁链ψs α 、ψs β 。再经直角至极坐标变换单元V A ，得出磁链旋转角度β * θ和磁链反馈值ψ。电机高速运行时，Mu 单元较 Mi 单元观测精度高。但电机低速甚至静止状态时，Mu 单元精度很差，甚至无法运行。这时Mi 单元担任磁链观测任务，并由它计算出抵消电枢反应所需的励磁电流给定值i f * 。
图(12)中的电压前馈单元UC ，是用来消除旋转电势和定子阻抗压降造成的电流通路交叉耦合，这里不赘述了。此外，图(12)中还有弱磁控制电压调节器AUR 以及保持电机定子功率因数为1的功率因数计算单元。
4. 位置检测器
位置检测器是自控同步电机的关键环节, 用它来检测电机转子位置的信息。
交直交自控同步电机方波供电, 需要转子位置信息为方波信号, 位置检测器可以由简单的接近开关来构成。而交交变频自控同步电机是正弦波供电，需要转子位置的信息为正弦波信号，位置检测器就十分复杂。从目前国际上交交变频同步电机工程应用的实例来看，位置检测器大致分三类：
1) 电磁检测型[图(13)]
70年代早期的交交变频自控同步电机多采用这种方式。采用一台小型同步电机(自整角机) 与大同步电机同轴相连，小电机的极对数要与大电机相符，为了获得低速的转子位置信息，必须对小同步电机进行调制解调控制，以获得转子位置的正弦波信号, 其特点: 结构简单，但检测精度不高，极数多的小电机制作有困难，这一方案目前大多不采用。
2) 光电编码器[图(14)]
为了提高位置检测精度，80年代以后，各国都采用光电码盘来作位置检测器，其中一方式是采用光电编码器，把光电编码器安装在大电机轴上，编码器输出8位或10位以上数字编码信号，该信号送入存贮器ROM 中去读取正弦与余弦数据, 再经D/A变换器变为模拟正弦信号。目前德国AEG 、ABB 等电气公司都采用这种检测方式。其特点：检测精度高，即使在电机静止状态, 也比较容易地获得转子位置信息控制系统比较简单，但是光电编码器不很坚固，传输线要8─10位并行母线，抗干扰能力差，电机拆装定位比较困难。
3) 普通脉冲码盘[图(15)]
为了解决位置检测器的可靠性与高精度的矛盾, 德国西门子公司在 70年代末，研制成功一种采用普通脉冲码盘与电压模型定位系统相结合的新型轴位检测方式。采用普通脉冲计数码数码盘，结构坚固耐用，脉冲信号送到计数中，然后去读取存在ROM 里的正弦与余弦信号, 而后经D/A变换输出正弦波模拟信号。码盘每转一圈，送一个同步脉冲，用来校正正弦波与转子位置之间的相位误差。为了在停车状态，获得转子位置信息, 利用电机投励瞬间，同步电机定子感应电势建立的过渡过程，由电压模型计算出转子位置角来引导位置检测器的计算初始值，以此来获得转子位置的控制信息。这一定位技术为西门子公司的专利。该方案的特点：结构简单，运行可靠，传输线少，但定位系统比较复杂。
此外, 近代交流传动技术的科研比较热衷于无位置检测控制的研究，采用电压模型计算方式可以实现10％以上转速调节的无位置检测控制，但对于轧机、提升机等低速高性能传动要求的机械仍然需要位置检测器。
5. 电流控制系统
交交变频自动控制同步电机必须有三个交流电流闭环调节系统来实现电流控制。
由于电流控制系统的给定与反馈量不是直流量而是交流量，常规的PI 调节器不可能达到消除稳态误差的目的, 这从控制理论的稳态误差理论出发是不难证明的，同时在电机控制原理图中也可以看到。交流电流的稳态误差的物理意义是：误差构成了移相控制电压Uk 即电流误差Δi ，与交流电机的电压成正比。
理论分析证明电流控制系统的稳态误差(幅值差、相位差) 与感应电势e 、转速n 以及移相角有关, 转速越高, 误差越大, 感应电势e 将对电流控制系统构成交叉耦合, 影响系统的控制品质, 同时, 在工程中发现, 调节器放大系数Ki
针对这一问题，学者们提出电势前馈补偿方法来消除电热的交叉耦合影响并消除控制稳态误差。并提出dq 轴直流电流闭环无差调节系统，并对dq 轴直流电流闭环的控制系统进行了数学推导及根轨迹稳定性分析。而西德学者则综合了前馈补偿与直流电流闭环的各自优点，提出了电压前馈直流电流闭环调节相结合的电流控制系统, 见图(16)。目前国际上基本上都采用这一方法，从工程应用效果来看，该方法比较圆满地解决了电流控制系统稳态误差与动态特性问题。
电压前馈模型为:
U sm = Rs i sm - Ls σ ωs i st
U st = Rs i st + Ls σ ωs i sm + ψδ ωs
采用电压前馈后，输入到移相触发器信号Uk 主要是电压前馈输出的正弦波，输入波形好，电流扰动影响小，稳态情况电流调节器输出应为零。交流电流调节只在动态过程中参与，一般只占20％，并且电流调节器输出可正负变化，放大倍数可以提高，系统动态性能好。由于电压前馈量是由电机参数计算出来的，较实际电机必有一定误差，采用直流电流闭环无差调节来消除稳态误差，可提高稳态控制精度。
6. 磁通观测器
矢量控制系统的关键单元是磁通观测器，即观测到气隙磁通的幅值以及旋转角度的信息，构成磁场定向的基准轴线(M,T轴) 。
1) 转子模型磁通观测──电流模型Mi
同步电机转子电流是可控的，同时凸极同步电机转子磁路呈非对称性，因此，转子模型磁通观测是同步电机矢量控制必不可少的单元，转子模型由电流计算出来，因此也称为电流模型Mi 单元。Mi 单元输入定子转矩分量i * st 和磁场分量i * sm , 以及总磁化电流i μ * , 输出磁通幅值│ψ│，负载角δ，以及转子激磁电流给定值i * f , 其磁链矢量图见图(17)。
i sm i st ↑
│ │ │
↓ ↓ │
┌───┐ │
i * μ │ ├─→│ψ│ │
───┤ │ │ │
│ ├─→δ │ │
└───┘ │ │
│ │ │
│ i * f ←┴────────┴────→
图(17)同步电机电流与磁势矢量图
a) 简化控制方式
简单的矢量控制Mi 单元作了一些简化和控制约束。
* i* sm =0, 电机定子磁场电流为零。
* 忽略凸极效应, 认为Lad=Laq。
* 忽略定子漏抗 L s σ =0。
根据上述简化, 电机磁势与电流之间为线性比例关系, 故磁势可转化为电流矢量图由矢量图可以推出if * 和角度δ的计算关系, 早期同步电机矢量控制都采用这一方案。
q
↑ M i * f ＝ √i 2 μ + i2 st
│i μ
│ i st
│δ i st δ＝ arctan ──
└────→─→ d i μ
i f
b) 精确控制
近代同步电机矢量控制的Mi 单元都考虑了电机凸极效应, 并计及阻阻尼绕组的影响, 并不要求i * sm =0约束。Mi 单元结构比较复杂。下图为AEG 公司Mi 单元，定子电流转矩分量i * st 与磁场分量i * sm 经旋转变频器VD 变换为dq 轴电流i d ,i q ，考虑到dq 轴阻尼绕组的时间常数，dq 轴磁通分别为：
ψad = Lad (id +if )(RD +LD σ p)/(RD +LD p)
ψaq = iq L aq (RQ +LQ σ p)/(RQ +LP p)
由此计算出磁能幅值│ψ│和负载角δ。
i * sm ┌──┐ i sd + ┌───┐ ψad ┌──┐ ────┤ ├───────○─────┤ ├─────┤ │ i * st │ VD │ isq +│ └───┘ │ V A ├─── δ
────┤ ├───────┼─┐ ┌─┤ │ └──┘ │ │ │ └─┬┘ │ │ │ │ │ψ│ │ │ │ │ │ │ ┌───┐ ψaq │ │
│ └───┤ ├───┘ │
ψ* ┌───┐ │ └───┘ │
──○───┤ ├────┴─────────────────┼───→i * f │- └───┘ │
└──────────────────────────────┘
图(18)Mi单元原理图
c)Mi 单元磁通观测器的特点
转子模型磁通观测器是从同步机转子磁通关系出发，是同步机矢量控制系统必不可少的单元，在低速运行时，甚至电机停止状态也可以获得磁场定向信息。但Mi 单元是由电机转子参数与电流计算出来的，受电机参数调整以及温度频率变化等因素影响，磁场定向的精度较差。
2) 定子模型磁通观测器──电压模型Mu
定子模型磁通观测源于异步电机矢量控制。因为异步电机无法检测与直接控制转子电流，故产生出定子模型构成的磁通观测器，由于同步机Mi 单元精度差，受参数影响大的缺点，近代同步电机控制都把Mu 单元引入矢量控制系统。定子模型磁通观测器也称为电压模型输入定子电压、电流，输出α，β轴（静止轴子）的磁通ψα ，ψβ ， 并由此计算出磁通幅值│ψ│和M 轴与α轴之夹角θ。
┌─────┐
U s αβ ────┤ │
────┤ │ ψs α ┌───┐
│ ├─────────┤ │ │ Mu │ ψs β │ V A ├───θ │ ├─────────┤ │ i s αβ ────┤ │ └─┬─┘ ────┤ │ │
└─────┘ ↓│ψ│
ψs α ＝ ∫(us α - Rs i s α )dt - Ls σ i s α ψs β ＝ ∫(us β - Rs sβ )dt - Ls σ i s β
图(19)Mu单元原理图
Mu 单元的特点：
定子模型磁通观测器由定子实际电压、电流计算出来，反映了电机实际运行磁通的状态，具有“闭环”控制性能，在高速运行时，漏抗及电阻压降占很小部分，故观测精度很高，但在低速时，电压检测困难，阻抗压降所占比例大，精度差，因此，Mu 单元适于电机高速运行的磁通观测，而Mi 单元适于电机低速运行的磁通观测。目前国际上同步电机矢量控制都采用这两种观测器，低速(n10%nN ) 采用Mu 单元。这种随转速变化而变结构的矢量控制，还要解决Mi 与Mu 变结构控制时的平滑过渡问题。西门子公司设计了可移动频率特性的过渡环节，使Mi 平滑过渡到Mu 单元工作。而AEG 公司则采用MU 单元磁通观测闭环控制，对MI 单元进行补偿的方案。 7. 同步电机的功率因数控制 1) 同步电机的运行方式
同步电机由于可以从定子和转子两边供给励磁，比异步电机有更大的控制灵活性。众所周知，同步电机可以实现欠激磁，功率因数滞后和过激磁，功率因数超前，两种不同的运行方式。对于交直交电热换流变频器供电的同步电机，必须过激磁运行，为变频器换流提供无功能量，而交交变频器无论负载功率因数滞后还是超前，变频器输入功率因数始终是滞后的，只在负载Cos φ=1时具有最高功率因数。因此，近代交交变频同步电机运行基本上为两种方式： a) i sm ＝ 0,is ⊥ψ b) Cos φ＝ 1
↑ ↑ │ │ ↑ ↑ │ │ │ │ ↑ ↑ │ │ │ │
│ │ │
└─────→─────→ └──────→──→ a) is m = 0 b) Cosφ= 1
图(20)同步电机运行矢量图
同步电机与直流电机相同，基速以下恒磁通运行，而基速以上为电压恒定的恒功率运行。图(21a)为两种运行方式转矩T 与转速N 之间的曲线关系，图(21b)为转矩T 与电流is 之间的曲线关系。
T ↑ T ↑
│ a │ a
├───── │ ψ恒定 2T N │- - - - -┐ │ b │ │ │ │ b │ │ │ b
│ │ │ U 恒定 T N │ │ a │ │ │
└─────────→ n └──────────→ i n N I N (a) (b) 图(21)同步电机运行曲线
由曲线可以看出，要保持电机最大转矩输出，并保持电流与转矩的线性关系，应该使同步电机运行方式选择为：
nnN U= const → cos φ= 1 2) 同步电机定子磁场电流i sm 的确定
通过同步电机定子电流磁通分量i sm 的控制来实现功率因数控制。由前面同步电机矢量图在不计定子电阻压降的条件下，可以看出电压 Us 与T 轴夹角同磁通ψ与M 轴夹角相同，可以推出：
φu,t = -arctan(ψT /ψM ) φi,t =-arctan(ism /ist ) 那么电压与电流夹角φu.i 为:
φu,i = arctan(ism /ist ) + arctan(ψT /ψM ) 在Cos φ=1附近小角度运行，tan φ≈ φ 可以推出近似关系式：
i sm = -ist (ψT /ψM +φu,i ) 进一步考虑到
L s σ
i sm = -ist (ist *Ls σ /ψδ +φu,i )
上式为同步电机功率因数控制公式, 电路实现如图。
i st
─────┬───────────────────────┐
│ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ -1 │ │ │ │ │ └─┬─┘
│ ┌───┐ ┌───┐ ┌─┴─┐ │ │ │ │ │ │ │
└─┤ L s σ ├───────┤ ÷ ├─○─┤ * ├───→i sm
│ │ │ │ │ │ │ ψδ └───┘ └─┬─┘ │ └───┘ ─────────────────────┘ │ φu,i │ ─────────────────────────┘ 图(22)同步电机定子磁场电流控制系统
8. 同步电机全数字控制系统
由于同步电机矢量控制系统十分复杂，坐标变换以及磁通观测需要大量的数学计算，构成这样一个系统是十分庞大的。西门子控制系统由150余块插件板组成，这给系统运行、维护带来了很大困难，同时，这样一个庞大系统的调试也是个大难题。近十年来，计算机技术突飞猛进，电气传动控制系统开始由模拟控制转向计算机的全数字控制。数字调节技术不仅使控制系统实现了高精度、高可靠性，还为新的控制理论与方法提供了物质基础。近两年世界几大电气公司：西门子、AEG 、ABB 、都推出全数学控制的同步电机矢量控制系统, 其中西门子公司的Simadyn D 和AEG 公司的 Logidyn D 采用通用计算机硬件、软件模块化、可编程化，为当代电气传动全数字控制的先进水平。
西门子同步电机全数字矢量控制系统如图(23)所示。 Simadyn D采用10块计算机硬件模块。
* PG处理器板四块，分别负责三相定子电流以及励磁电流控制，并产生可控硅变频器的触发信号。
* PS处理器板一块，专门作矢量控制的计算。CPU 为Intel 80186 16位微型机。
* PM处理器板两块,cpu 为32位RISC 微处理器R 3000负责电机的起动逻辑与速度控制以及系统的自诊断与通讯。
* 输入模板EM 检测和处理速度与位置信号。 * 存贮器板MM 存贮计算信息。
软件采用Struc 功能方框图设计语言，可以从软件包中调出上百个控制模块软件子程序，按控制系统要求进行组接，实现可编程控制。目前这种全数字控制的同步电机变频调速已成功地应用到矿井提升机和轧机主传动中。
图(24)为AEG 公司近几年推出Logidyn D 同步电机全数字矢量控制系统。该系统的速度、磁场电流及矢量控制运算由主控制器TCU032来完成，TCU032采用32位微处理器作CPU 。同步电机的定子电流控制由COP800来实现，COP800采用简化指令级的高速32位微处理器RISC 。用COP032作一个PI 调节功能运算大约为85μs, 而COP800仅需要10μs 。采用 32位微处理器硬件，同步电机速度环平均计算时间在10ms 以内，而定子电流环的计算时间少于1ms 。图(25)为双机驱动可逆轧机的Logidyn D 控制板配置。VIP 模板为Logidyn D总线与IBM 个人计算机的通讯接口。 Logidyn D的软件Logi CAD 为控制功能块图形编辑软件。在IBM386个人计算机上运用鼠标器在屏幕上编辑作图, 同时生成控制软件。图(26)为Logi CAD设计的例子。目前，这种采用32位微处理器及RISC 微处理器的先进数字控制系统已成功地应用于轧机主传动与矿井提升机传动中。
西门子、AEG 公司在全数字控制的基础上开发出计算机控制系统自调试技术，使矢量控制系统的调试简单化。传统的模拟控制系统调试必须依靠电机模拟器，而且调试过程十分复杂，需要调试人员具备较高的矢量控制理论水平和调试技术，而计算机控制把现代控制理论中模型参考自适应技术引入系统，使控制系统具备自调试、自动寻优功能，复杂的磁场定向与参数识别完全由计算机自己完成，调试人员可以不具备交流调速方面的专门技术，也不需要另外的测试仪器。计算机自调试技术对同步电机矢量控制系统的运行维护及推广应用具有巨大的推动作用。
表1. 交交变频调速典型应用实例
·30年代 水银整流器交交变频器 原理 德国 ·1969年 6400KW 同步电机 水泥磨机 BBC ·1981年 4220KW 同步电机 矿井提井机 Siemens ·1981年 4000KW 同步电机 初轧机 Siemens
·1982年 2500KW 同步电机 初轧机 ·1983年 3200KW 同步电机 水泥磨机 ·1985年 12000KW 同步电机 粗轧机 ·1987年 8000HP 同步电机 破冰船 ·1988年 F1 3700KW
F2 4800KW异步电机 冷连轧机 F3 3500KW (0.004% , 60rad/s)
·1990年 12000KW*2同步电机 游船驱动 ·1990年 7000KW 同步电机 35rpm 粗轧机 ·1991年 3730KW*5同步电机 铝板热轧机(5机架) ·1991年 6000KW*2同步电机 连铸连轧(4机架精轧) 4000KW*2
·1992年 11250KW 同步电机 热带粗轧机
表2. 国产交交变频调速系统现状
1979 1/3交交变频50KW 异步电机 成都无缝厂辊道 院
1983 80KW 交交变频双馈异步电机 首钢焊管厂冷拔机 研究院
1986 280KW 交交变频异步电机 北京稀土研究所轧机 院
1989 (50～200KV A)*14交交变频异步电机 包钢棒材厂辊道 研究院
(国家科技进步三等奖)
1990 440KW 交交变频异步机 第一重机厂轧机 设计所
1991 630KW 交交变频双馈电机 首钢带钢厂中轧 研究院
1993 1250KW 交交变频异步电机 长钢初轧机 设计所
1993 2500KW 交交变频同步电机 包钢轨梁厂850轧机 研究院
1993 630~1000KW 5机架热连轧 首钢带钢厂热连轧机 研究院
交交变频双馈电机
1994 5000KW*2交交变频同步电机 天津中板厂中板轧机 日本富士电机 苏联
法国Alsthom 加拿大GE ABB
日本三菱 Siemens AEG 日本东芝 重庆钢铁设计 冶金部自动化 北京钢铁设计 冶金部自动化 天津电气传动 冶金部自动化 天津电气传动 冶金部自动化 冶金部自动化 冶金部自动化
日本东芝
研究院
1994 2500KW 交交变频异步电机 天津无缝钢管厂轧机 天津电气传动设计所
1994 630-800KW5机架棒材连轧 宣钢小型厂棒材连轧机 冶金部自动化研究院
交交变频双馈电机
1995 4000KW 交交变频同步电机 重钢中板轧机 冶金部自动化研究院
i * st ┌───┐ ┌───┐ i * ABC ┌─────┐ ┌─────┐
────────────────────────────┤ │ │ │ + │ ┃ │ + │ ┏━┓ │
│ │ VD ├──┤ 2/3 ├──────┤ ┣━━ ├───────┤ ┃ ┃ ├──
i * sm │ │ ├──┤ ├──┬┬──┤ ┃ ├──┐┌───┤━┛ ┗━├──
──┬─┼───────────────────────┤ │ │ │ - ││ │ ┗━━━ │ +││ │ │
│ │ └───┘ └───┘ ││ └─────┘ ││ └─────┘ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ││ ││ │ │ ┌───────┐ ││ ││
│ │ │ │ + U * st ┌───┐ ┌───┐ ││ ││
│ ├───┤ ├────→○─────┤ │ │ │ ││ U * ABC ││
ψ ├─┼───┤ 电压前馈 │ +↑ │ VD ├──┤ 2/3 ├──┴┴───────────┘│
──┼─┼───┤ │ │+ U * sm │ ├──┤ ├──┬┬────────────┘
──┼─┼───┤ ├─────┼→○───┤ │ │ │ ││
n │ │ │ │ │ +↑ └───┘ └───┘ ││
│ │ └───────┘ │ │ ││
│ │ │ │ ││
│ │ ┌────┐ │ │ ││
│ │ │ ┃ │ │ │ ││
│ └──→○─→│ ┃ ├─────┘ │ ││
│ i st ↑ │ ┗━━ │ │ ││
│ │ └────┘ │ ┌───┐ ┌───┐ ││
│ │ │ │ │ │ │ ││ i ABC
│ │ ┌────┐ │┌──┤ VD ├──┤ 2/3 ├──┘└───────────────────────────
│ │ │ ┃ │ ││┌─┤ ├──┤ ├───────────────────────────────
└──→○─┼─→│ ┃ ├───────┘││ │ │ │ │ i sm ↑ │ │ ┗━━ │ ││ └───┘ └───┘ │ │ └────┘ ││ │ │ ││ │ └────────────────┘│ └───────────────────┘
图(16)电流控制系统原理图
图(7)直流电机示意图
图(8)同步电机示意图
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