有關特性
1、電壓的調節
自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發電機的端電壓将随無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發電機的端電壓應基本保持不變，實現這一要求的辦法是随無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。
2、無功功率的調節：
發電機與系統并聯運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟着變化，此時發電機的無功電流也跟着變化。當發電機與無限大容量系統并聯運行時，為了改變發電機的無功功率，必須調節發電機的勵磁電流。此時改變的發電機勵磁電流并不是通常所說的“調壓”，而是隻是改變了送入系統的無功功率。
3、無功負荷的分配：
并聯運行的發電機根據各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調節的勵磁裝置，改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整，以實現并聯運行發電機無功負荷的合理分配。
輔助設備
自動調節勵磁的組成部件有機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點，自動開機.自動停機.并網（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模拟信号，發電機機端電壓100V，發電機機端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點信号；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。
勵磁控制、保護及信号回路由滅磁開關，助磁電路、風機、滅磁開關偷跳、勵磁變過流、調節器故障、發電機工況異常、電量變送器等組成。在同步發電機發生内部故障時除了必須解列外，還必須滅磁，把轉子磁場盡快地減弱到最小程度，保證轉子不過的情況下，使滅磁時間盡可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。
近十多年來，由于新技術，新工藝和新器件的湧現和使用，使得發電機的勵磁方式得到了不斷的發展和完善。在自動調節勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節裝置。由于采用微機計算機用軟件實現的自動調節勵磁裝置有顯着優點，目前很多國家都在研制和試驗用微型機計算機配以相應的外部設備構成的數字自動調節勵磁裝置，這種調節裝置将能實現自适應最佳調節。
獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；另一類是用矽整流裝置将交流轉化成直流後供給勵磁的整流器勵磁系統。現說明如下：
直流勵磁機勵磁、直流勵磁機通常與同步發電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一台被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。如圖15.5所示。
靜止整流器勵磁、同一軸上有三台交流發電機，即主發電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來後再轉為自勵(有時采用發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流後供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式矽整流器整流後供給主發電機的勵磁繞組。(見圖15.6）
旋轉整流器勵磁、靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到旋轉的勵磁繞組，對于大容量的同步發電機，其勵磁電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。
因此，在大容量的同步發電機中，常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統，如圖15.7所示。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的矽整流器整流後，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流後供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。
優點：同步，可當發電機用
缺點：電刷容易壞，電機結構複雜，造價高
控制策略
引言
近年來，随着電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。與傳統的電勵磁同步電機相比，永磁同步電機,特别是稀土永磁同步電機具有損耗少、效率高、節電效果明顯的優點。永磁同步電動機以永磁體提供勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機運行的可靠性；
又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度，因而它是近幾年研究較多并在各個領域中應用越來越廣泛的一種電動機。在節約能源和環境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這裡對永磁同步電機的控制策略進行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統的各種控制策略發展方向。
數學模型
當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上産生電壓降。由三相交流電産生的旋轉電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中産生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速旋轉。電樞電流還會産生僅與定子繞組相交鍊的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中産生感應漏電動勢。
此外，轉子永磁體産生的磁場也以同步轉速切割定子繞組。從而産生空載電動勢。為了便于分析，在建立數學模型時，假設以下參數：①忽略電動機的鐵心飽和；②不計電機中的渦流和磁滞損耗；③定子和轉子磁動勢所産生的磁場沿定子内圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波；④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度。
在分析同步電動機的數學模型時，常采用兩相同步旋轉(d，q)坐标系和兩相靜止(α，β)坐标系。圖1給出永磁同步電動機在(d，q)旋轉坐标系下的數學模型。
(1)定子電壓方程為：
式中：r為定子繞組電阻；p為微分算子，p=d/dt；id，iq為定子電流；ud，uq為定子電壓；ψd，ψq分别為磁鍊在d，q軸上的分量；ωf為轉子角速度(ω=ωfnp)；np為電動機極對數。
(2)定子磁鍊方程為：
式中：ψf為轉子磁鍊。
(3)電磁轉矩為：
式中：J為電機的轉動慣量。
若電動機為隐極電動機，則Ld=Lq，選取id，iq及電動機機械角速度ω為狀态變量，由此可得永磁同步電動機的狀态方程式為：
由式(7)可見，三相永磁同步電動機是一個多變量系統，而且id，iq，ω之間存在非線性耦合關系，要想實現對三相永磁同步電機的高性能控制，是一個頗具挑戰性的課題。
控制策略
任何電動機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用産生的。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨立調節；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機的轉矩控制性能較差。經過長期研究，目前的交流電機控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制等方案。
恒壓頻比控制
恒壓頻比控制是一種開環控制。它根據系統的給定，利用空間矢量脈寬調制轉化為期望的輸出電壓uout進行控制，使電動機以一定的轉速運轉。在一些動态性能要求不高的場所，由于開環變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調速系統中，但因其依據電動機的穩态模型，無法獲得理想的動态控制性能，因此必須依據電動機的動态數學模型。永磁同步電動機的動态數學模型為非線性、多變量，它含有ω與id或iq的乘積項，因此要得到精确的動态控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線性特性。
矢量控制
高性能的交流調速系統需要現代控制理論的支持，對于交流電動機，目前使用最廣泛的當屬矢量控制方案。自1971年德國西門子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睐。因此，對其進行深入研究。
矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模拟直流電機轉矩的控制規律，磁場定向坐标通過矢量變換，将三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然後分别調節，以獲得像直流電動機一樣良好的動态特性。
因此矢量控制的關鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由于定子側的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，因此調節、控制和計算都不方便。需借助複雜的坐标變換進行矢量控制，而且對電動機參數的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。
直接轉矩控制
矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要複雜的矢量旋轉變換，而且電動機的機械常數低于電磁常數，所以不能迅速地響應矢量控制中的轉矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學者Depenbrock于上世紀80年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案，即直接轉矩控制(DTC)。
該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環節，采取定子磁鍊定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鍊和轉矩進行調節，具有結構簡單，轉矩響應快等優點。DTC最早用于感應電動機，1997年L Zhong等人對DTC算法進行改造，将其用于永磁同步電動機控制，目前已有相關的仿真和實驗研究。
DTC方法實現磁鍊和轉矩的雙閉環控制。在得到電動機的磁鍊和轉矩值後，即可對永磁同步電動機進行DTC。圖2給出永磁同步電機的DTC方案結構框圖。它由永磁同步電動機、逆變器、轉矩估算、磁鍊估算及電壓矢量切換開關表等環節組成，其中ud，uq，id，iq為靜止(d，q)坐标系下電壓、電流分量。
雖然，對DTC的研究已取得了很大的進展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如：低速性能、帶負載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。
解耦控制
永磁同步電動機數學模型經坐标變換後，id，iq之間仍存在耦合，不能實現對id和iq的獨立調節。若想使永磁同步電動機獲得良好的動、靜态性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恒為0，則可簡化永磁同步電動機的狀态方程式為：
此時，id與iq無耦合關系，Te=npψfiq，獨立調節iq可實現轉矩的線性化。實現id恒為0的解耦控制，可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對id，iq的完全解耦，但實現較為複雜；後者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：适當選取id環電流調節器的參數，使其具有相當的增益，并始終使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機的近似解耦。圖3給出基于矢量控制和id*=O解耦控制的永磁同步電動機
調速系統框圖。
雖然電流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，隻要采取較好的處理方式，也能得到高精度的轉矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制隻能實現電動機電流和轉速的靜态解耦，若實現動态耦合會影響電動機的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滞後的功率因數。
結語
上述永磁同步電動機的各種控制策略各有優缺點，實際應用中應當根據性能要求采用與之相适應的控制策略，以獲得最佳性能。永磁同步電動機以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機必然廣泛地應用于國民經濟的各個領域。
應用範圍
按照不同的工農業生産機械的要求，電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。
1、定速驅動
工農業生産中有大量的生産機械要求連續地以大緻不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低，結構簡單牢靠，維修方便，很适合該類機械的驅動。但是，異步電動機效率、功率因數低、損耗大，
而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節其流量，通常是通過調節風門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節風機、水泵中異步電動機轉速來調節它們的流量，取得可觀的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機本身的低效率依然存在。
例如，家用空調壓縮機原先都是采用單相異步電動機，開關式控制其運行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機控制上采用了異步電動機的變頻調速，變頻調速的優點促進了變頻空調的發展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機來替代異步電動機的變頻調速，顯着提高了效率，獲得更好的節能效果和進一步降低了噪聲，
在相同的額定功率和額定轉速下，設單相異步電動要的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動機的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上，而且調速方便，價格和異步電動機變頻調速相當。永磁無刷直流電動機在空調中的應用促進了空調劑的升級換代。
再如儀器儀表等設備上大量使用的冷卻風扇，以往都采用單相異步電動機外轉子結構的驅動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經完全被永磁無刷直流電動機驅動的無刷風機所取代。現代迅速發展的各種計算機等信息設備上更是無例外地使用着無刷風機。
這些年，使用無刷風機已形成了完整的系列，品種規格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，轉速範圍從2100rpm到14000rpm，分為低轉速、中轉速、高轉速和超高轉速4種，壽命30000小時以上，電機是外轉子的永磁無刷直流電動機。
近年來的實踐表明，在功率不大于10kW而連續運行的場合，為減小體積、節省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的異步電動機驅動正被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅動器，故還較少有應用。
2、調速驅動
有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統，70年代後随電力電子技術和控制技術的發展，異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統的應用領域。
這是因為一方面異步電動機變頻調速系統的性能價格完全可與直流調速系統相媲美，另一方面異步電動機與直流電動機相比有着制造工藝簡單、效率高、同功率電機用銅量少、維護保養方便等優點。故異步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統。
交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優點，是當今社會的低碳電機。已越來越引起人們重視，由于同步電機的運行特性和其控制技術日趨成熟。
中小功率的直流電動機、異步電動機變頻調速正逐步被永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是一個典型的例子。電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機調速系統，其缺點是效率低、維護保養困難。70年代變頻技術發展成熟，異步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。
而這近十年電梯行業中逐漸采用最新驅動技術就是永磁同步電動機調速系統，其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒适性都優于以前的驅動系統，也适合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅動系統很快得到各個行業的青睐，與其配套的各種變頻器系列産品已有多種品牌上市。
可以預見，在調速驅動的場合，将會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的三相永磁同步電動機産品及相配的變頻控制器，功率從0.4kW～750kW體積比同容量異步電動機小1～2個機座号，力能指标明顯高于異步電動機，可用于機床、泵、壓縮機、起重運輸機械、擠出機械、升降機等多種場合。
精密控制驅動
高精度的伺服控制系統
伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應用中，伺服電動機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經曆了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動機的交流伺服系統。
信息技術中的永磁同步電動機
當今信息技術高度發展，各種計算機外設和辦公自動化設備也随之高度發展，與其配套的關鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動，精度要求更是特别高。例如，硬盤驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機，它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉，盤片上執行數據讀寫功能的磁頭在離盤片表面隻有0.1～0.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。
信息技術中各種設備如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動、傳真機、複印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制，這類微電機目前國内還不能自己制造，有部分産品在國内組裝。
