（电机与电器专业论文）永磁同步电动机变频调速系统的研究.pdf

永磁同步电动机变频调速系统的研究 a b s t r a c t b a s e do nt h eo p e r a ti o nt h e o r yo ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) t h ed e t a i 1so ft h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t in g t h e e r y o fp m s mi s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e rt o g e t h e r w i t ht h e f i e l d o r ie n t a t i o nv e c t o rc o n t r o l ( v c ) s y s t e mo fp m s mb a s e do nd s p p m s mh a st h ea d v a n t a g eo fs m a l l e rv o l u m e ，h i g h e re f f i c i e n c ya n dp o w e r d e n s i t yo v e rt h ei n d u c t i o nm o t o r t h e r e f o r et h er e s e a r c ho np m s mh a s e n t e r e dan e ws t a g es i n c et h e1 9 8 0 sw i t ht h ei m p r o v e m e n to fr a t i o b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r i c eo ft h ep mm a t e r i a l a n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h e p o w e r e l e c t r o n i c sd e v i c e s p m s mh a si t s o w n c h a r a c t e r i s t i e s c o m p a r e d t ot h ei n d u c t i o nm o t o ra n d t h e e e s m n a t u r a l l yt h ep a p e ro r i g i n a t e sf r o mt h ep m s mi t s e i f ，d i s c u s s e st h e s t e a d yo p e r a t i o nt h e o r y ，a n a l y s e st h et o r q u ec h a r a c t e r o fp m s m ，p o w e r c h a r a c t e ra n de f f i c i e n c ya sw e l1 v ct h e o r yi so n eo ft h eg r e a t e s t b r e a k t h r o u g h si nt h ea cs p e e dc o n t r o lf i e l d a l s od e t a i l so ft h ev c o fp m s mi sp r e s e n t e di nt h ep a p e r ，a n dt h ea n a l y s i so fs e v e r a le i r c u i t c o n t r o ls t r a t e g i e so fv ct h e o r ya p p l l e dt ot h ep m s mc o n t r o l ，w h i c h i n c l u d et h ei 。= 0 c o n t r o l ，c o s 妒= 1 c o n t r o la n dt h em a xt o r q u e c u r r e n t c o n t r 0 1 ac o m p l e t ed i g i t a lp m s mv cs y s t e mb a s e do nd s pi sd e v e l o p e d w i t ht h es o f ta n dh a r dw a r ed e s i g np l a n sg i v e n t h ep a p e rd i s c u s s e s t h et h e o r yo fw e a k i n gf l u xs p e e dc o n t r o lo fp m s ma n dt h er e a s o nw h y t h ew e a k i n gf l u xs p e e de x t e n d i n gi sd i f f jc u l t ，a n dt h e nb r i n g so u t l w o1 e ww e a k in gf l u xp l a n s ，w h i c hh a v es p e c i a lr o t o r s t r u c t u r e s d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t h e o r yi sa n o t h e ra d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y a f t e rv ct h e o r yi nt h es p e e dc o n t r o lf i e l d t h ea p p li c a t i o no fd t c t h e o r y o np m s mi sd i s c u s s e si nt h ee n da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w p e r f e c td y n a m i cp e r f o r m a n c e ，m i n o r s t a r i ce r r o ra n dg o o d r o b u s t n e s sc h a r a c t e r i s t i c k e yw o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；w e a k i n g f l u xc o n t r o l ；d t c ；r o b u s t n e s s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：离勿1日期：如t 华年，月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：誓b 训 导师签名：僮争乏 日期：弘9 乎年，月d 日 日期： d 午年岁月j 7 日 硕士学位论文 1 1 永磁电机发展概况 第1 章绪论 众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为 了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是 在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相 关的装罱，又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种方法是用 永磁体来产生磁场。由于永磁体材料的固有特性，它经过预先磁化( 充磁) 后，不 需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场，这就是本文要阐述的永磁电机。 永磁电机的发展是与永磁体材料的发展密切相关的。1 9 世纪2 0 年代出现的世 界上第一台电机就是用永磁体产生励磁磁场的永磁电机，但当时所用的永磁材料 是天然磁铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久就被电励磁电 机所取代。 由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、 构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢( 最大磁能积约 2 7 k j m 1 ) 、钴钢( 最大磁能积约7 2 k j m 3 ) 等多种永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年 代出现的铝镍钻永磁( 最大磁能积现可达8 5 k j m 3 ) 和5 0 年代出现的铁氧体永磁( 最 大磁能积现可达4 0 k j m 3 ) ，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷 采用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业 和开常生活中得到了广泛的运用，产量急聚增加。 但是，铝镍钴永磁的娇顽力偏低( 3 6 1 6 0 k a m ) ，铁氧体永磁的剩磁密度不高 ( 0 2 - - 0 4 4 t ) ，限制了它们在电机中的应用范围。直到2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代， 稀土钴永磁和钕铁硼永磁( 二者统称为稀土永磁) 相继问世，它们的高剩磁密度、 高娇顽力、高磁能积和线性褪磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使 永磁电机的发展进入一个新的历史时期。 随着稀土永磁材料的出现和发展，永磁电机的研究和开发大致可以分成三个 阶段”l 。 ( t ) 2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点 是航空、航天用的电机和要求性能高而价格不是主要因素的高科技领域。 ( 2 ) 上个世纪8 0 年代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国 内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力 永磁同步电动机变频调速系统的研究 电予器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷采用稀 土永磁电机来代替，而且也可以实现传统电励磁电机难以实现的高性能。 ( 3 ) 进入上世纪9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是 钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的 进。步发展，稀土永磁电机的研究进入了一个新阶段。另一方面，促使永磁电机 的设计理沦、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局 面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路 解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析软件。 1 2 永磁同步电动机的主要特点及应用领域 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功 率因数( 可达到1 、甚至为容性) ，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运 行时没有转予电阻损耗，进而可以因总损耗的降低而减小风扇( 小容量电机甚至可 以去掉风扇) 和相应的风摩损耗，从而可以使效率比同规格的感应电动机提高2 - 8 个百分点。而且，永磁同步电动机在2 5 一1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的效 率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电动机一般都在转子上设 有起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，又称为异步起动永磁同 步电动机。 随若电力电子技术的迅猛发展和功率器件价格的不断降低，人们越来越多的 用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来代替直流电动机调速系统。在交流 电动机中，永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，这 一固有特性使得它可直接用于开环的变频调速系统，尤其适用于由同一变频电源 供电的多台电机要求准确同步传动系统中，这可简化控制系统，还可以实现无刷 运行，而且较高的功率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量，因而 在各种调速系统中的应用越来越广泛这类电机通常幽变频器频率的逐步提高来 起动，转子上可以不设置起动绕组。德国制成的6 相变频电源供电的1 0 9 5 k w 、 2 3 0 r m i n 稀土永磁电动机，用于舰船的推进。与过去使用的直流电动机相比，体 积减小6 0 左右，总损耗降低2 0 左右，而且省去了电刷可换向器，维护方便。 变频器供电的永磁电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动 机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，这在要求高控 制精度和高可靠性的场合，如军事、航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、 电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛的运用i ”。其中反电势 波形和供电电流波形都是矩形波的电动机，通常称为无刷直流电动机；反电势波 形和供电电流波形为正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步电动机，简称永磁同 步电动机，本文研究的是后者正弦波供电的永磁同步电动机。美国制成驱动航天 硕十学位论文 飞机升降副翼用的1 2 6 k w 、9 0 0 0 r m i n 稀土永磁无刷直流电动机，效率为9 5 ， 仅重7 6 5 k g 。法国开发的l o o k w 无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，总重 只有2 8 k g 。我国也已批量生产数控机床用的稀土永磁无刷直流电动，调速比高达 1 ：1 0 0 0 0 。 电动汽车是当前汽车发展的新方向，一些发达国家每年均投入大量经费用于 研制和开发，其中电机和传动系统是电动汽车的心脏，稀土永磁电机以其体积小、 效率高、性能优异而成为新一代电动汽车的首选方案 3 1 。随着人民生活水平的不断 提高，对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器，既是耗电大件，又是噪声 的主要来源，其发展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据 室温的变化，自动调整到适宜的转速下长时间运转，减少了噪声和振动，使人的 感觉更为舒适，还比不调速的空调器节电1 3 。 综上所述，永磁同步电动机的主要运用领域包括： ( 1 ) 军事、航空、航天领域； ( 2 ) 控制精度要求高领域，如数控机床、工业机器人控制等； ( 3 ) 交通工具控制领域，如电动汽车控制； ( 4 ) 家用电器控制领域，如家用空调、电冰箱等。 1 3 永磁同步电动机调速控制系统的研究现状及应用前景 自从上个世纪8 0 年代以来，随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术 的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调速进 入了深入研究和广泛应用的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更 为优越的性能，而且其d q 变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于检测，因 此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视， 有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表1 4 1 15 】【6 】，对矢量控制的不同电流 控制策略的研究成为了永磁同步电动机矢量控制研究的重点部分。与此同时，对 永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步电动机 调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围【7 】。随着永磁 同步电动机转矩的增加，电机定子绕组的反应电动势必然升高，当反电动势达到 电机的额定电压或是逆变器的直流侧电压时，电机的输入电流将不能跟踪控制器 的输出给定电流，引起电机的输出转矩的降低。此时，要设法减小永磁同步电动 机的反应电动势一一即弱磁控制，以增加高速时电机的转矩输出能力。由于永磁 同步电动机的主磁场是由永磁体产生，不能像直流电机或感应电机那样弱磁，给 永磁同步电动机的高速恒功率运行带来了新的问题 8 l 【9 l 【0 1 。 进入8 0 年代中后期后，永磁同步电动机变频调速系统具有代表性的几项重大 研究突破为：1 9 8 6 年，t m j a h n s 等人研制出具有代表性的内置式永磁同步电动 永磁同步电动机变频调速系统的研究 机矢量控制伺服系统，该系统是用于飞机上的执行机构，具有结构简单、性能优 良等特点，为其后的永磁同步电动机矢量控制系统的研究奠定了基础，推动了永 磁同步电动机矢量控制系统进入实际应用的步伐。1 9 9 3 年，日本的s m o r j m o t o 等人提出的内置永磁同步电动机的商转矩性能的矢量控制系统，其方法是根据电 机的负载情况，调整电流矢量的相角，充分利用内置式永磁同步电动机的磁阻转 矩，增加电机的转矩和功率的输出。而后，w i ，s o n g 发表了“凸极式永磁同步电 动机的恒功率运行能力”的论文，主要讨论了凸极式永磁同步电动机的恒功率运 行区域与电机凸极率的关系。但是，它们的设计思路是尽量增大电机的凸极率以 减少电机中永磁体的用量，并同时提高了电机的“弱磁”性能。实际上，当电机 凸极率很大，而永磁体用量很少时，此时的电机就其本质来说更应属于一台带有 永磁体的磁阻电机而并非永磁同步电动机。这类电机的“弱磁”能力虽然很高， 但由于永磁体发出的磁场很低，电机恒转矩运行的转折速度一般很低。 近几年来，随着电力电子器件、高速信号处理器等的发展，以及现代控制理 论的应用，电机调速控制，包括永磁同步电动机调速系统又出现了新的发展方向， 主要包括以下几个方面： ( l ) 电动机数学模型分析方法的发展 ( 2 ) 现代控制理论的引入 ( 3 ) 人工智能技术在交流调速系统中的应用【1 l 】 与此同时国内交流调速领域的学者也对永磁同步电动机的调速进行了大量的 研究：西北工业大学的韩英桃等对永磁同步电动机变频调速系统的最佳方案进行 了研究1 2 1 ；徐广人等对永磁同步电动机的气隙磁场进行了分析】；合肥工业大学 的万文斌博士等对电动机的高性能电流控制器进行了研究，提出了线性m i m o 状态 反馈控制及空间电压矢量p w m 控制 1 4 】；西北工业大学的马瑞卿教授等就稀土永磁 同步电动机在变频调速系统和中的效率、谐波及失步等关键技术进行了研究1 1 5 ； 山东大学的徐衍亮博士对永磁同步电动机的功率特性及扩速能力进行了深入的研 究 1 6 】 17 】；南航的田淳博士及同济大学的陶生桂教授对永磁同步电动机的直接转矩 控制进行了研究1 8 】【1 9 j ；白驶，刘宴等对永磁同步电动机的d s p 控制进行了研究， 并提出了基于d s t ，的矢量控制系统【2 0 】【2 1 1 ；姚光中对内置式永磁同步电动机的等效 电路进行了研究【2 2 】以及湖南大学的欧阳红林等对永磁同步电动机的数字化控制 进行了研究【23 。另外，清华大学和中科院电工研究所也先后开发研制了电动机汽 车的交流永磁电动机传动系统。 随着现代工业生产方式的f ：l 益自动化发展的需要，对作为其中重要组成部分 的现代电伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求，以永磁同步电动机为核心 的电伺服系统具有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特点，已日渐成为 电伺服驱动系统的主流，尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域更是 4 硕士学位论文 具有取代传统直流伺服系统的趋势。从其应用领域的特点和永磁同步电动机伺服 系统自身技术的发展来看，今后永磁同步电动机伺服系统将向着以下两个方向发 展：一个是适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备 以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简单、成本低的永磁同步电动机伺 服系统；另个方向则是适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给 进驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔性化的永磁同步电动 机伺服系统。而后一个作为更能充分体现永磁同步电动机伺服系统优点的发展方 向也必将是永磁同步电动机伺服系统的重点发展方向。 1 4 研究永磁同步电动机调速控制系统的意义及本文的主要研究 内容 在电伺服系统中，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统已是大势所趋，而 永磁同步电动机伺服系统因体积小、效率高、功率密度大而必将成为交流伺服系 统的“主流”。近年来，随着永磁材料性能价格比的不断提高以及电力电子技术的 迅速发展，在全世界范围内对永磁同步电动机调速系统的研究进入了个全面发 发展的时代。我国永磁材料资源丰富，稀土资源蕴藏量居世界首位，如何充分利 用稀土资源优势，大力开发高性能的永磁电机调速系统，缩小与发达国家在这方 面的差距已是一件刻不容缓的事情。因此，加强研究永磁同步电动机调速系统具 有重要的理论意义和实用价值。 国内的永磁同步电动机调速的研究进行了很多，但主要还存在以下不足之处： ( 1 ) 国内对永磁同步电动机的研究工作主要侧重于电动机本体的研究，对其调 速控制系统的研究工作较少。 ( 2 ) 对于永磁同步电动机的调速控制系统的研究理论和仿真研究较多【2 “，生 产实际中应用的成果较少；对于矢量控制系统研究较多 2 5 1 26 1 ，而对于其他先进的 电机控制方法，如直接转矩控制在永磁同步电动机上的运用研究较少； ( 3 ) 由于受到国内的设备、经费等条件的限制，对国际上电机调速领域中的前 沿性课题研究较少。对最新出现的电气传动研究方向，如：自适应控制技术、人 ：【智能的控制技术及无速度传感器技术与应用同国际先进水平还有较大差距f 2 7 】 2 8 1 1 2 9 1 1 3 0 l 。 针对国内外对永磁同步电动机调速系统的研究情况，特别是我国研究的现状， 本论文的主要研究工作包括以下几点： ( 1 ) 对永磁同步电动机的运行原理进行研究，分析永磁同步电动机的功率、 转矩特性，损耗及效率特性；建立起精确的永磁同步电动机的数学模型，为控制 策略的研究提供基础。 ( 2 ) 研究永磁同步电动机矢量控制的几种电流控制策略，对比其工作特性。 永磁同步电动机变频调速系统的研究 针对永磁同步电动机弱磁运行难的特点，本论文将以弱磁率和凸极率为参数对永 磁同步电动机的弱磁原理进行深入的研究，并找出影响其扩速能力的因素。在此 基础上，提出永磁同步电动机弱磁控制的新方案。 ( 3 ) 建立一个基于d s p 的永磁同步电动机磁场定向控制系统，研究全数字化 的永磁同步电动机调速控制系统。 ( 4 ) 将直接转矩控制理论应用了永磁同步电动机的控制系统，详细研究永磁 同步电动机直接转矩控制理论，并用m a t l a b 工具对永磁同步电动机的直接转矩控 制系统以及无速度传感器的直接转矩控制系统进行仿真研究。 6 硕士学位论文 第2 章永磁同步电动机变频调速理论 2 1 永磁同步电动机稳态运行原理 正弦波永磁同步电动机( 以下简称永磁同步电动机) 与电励磁凸极同步电动机 有着相似的内部电磁关系，故可采用双反应原理来进行研究。只是由于永磁同步 电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小( 对稀士永磁来说其相对回复磁导率 约为1 ) ，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感。本章根据双 反应理论对永磁同步电动机的稳态性能进行详细的分析。 2 1 1 永磁同步电动机稳态电压方程和向量图 电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应及理论可写出永磁同步电动机的 电压方程。 u = e q + ll r i + j i xl 七j id x + j iq x w = e o + il r t + j ld xd + j iq xq 啦、 式中应。一一永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值( v ) ； 7 一外施相电压有效值( v ) ； j 一定子相电流有效值( a ) ； 月一定子绕组相电阻( q ) ； 如、。一直交轴电枢反应电抗( q ) ； x ，一定子漏抗( q ) ； 爿d 一一直轴同步电抗( q ) ，x d = x “+ x l ； ( 2 2 ) ，一一交轴同步电抗( o ) ，x 。= + x ，； ( 2 3 ) ，。、乞一直、交轴电枢电流( a ) d2 l j8 1 n ( 2 4 ) q2 l jc o s g 一，。与反问的夹角( 。) ，称为内功率角，j ，超前或时为正。 由电压方程可绘制出永磁同步电动机于不同情况下稳态运行时的几种典型向 量图，如图2 1 所示。图中，占；为气隙合成基波磁场所产生的电动势，称为气隙 合成电动势( v ) ；e d 为气隙合成基波磁场直轴分量所产生的电动势，称为直轴内电 动势( v ) ；0 为口超前鼠的角度，即功率角，也称为转矩角；p 为电压d 超前定子 相电流，的角度，即功率因数角。图2 1 a ) 、b ) 、c ) 中的电流，均超前于空载反电 动势丘。，直轴电枢反应均为去磁性质，导致电动机直轴内电动势日小于空载反电 7 永磁同步电动机变频调速系统的研究 动势或。图2 1 e ) 中电流j 。滞后于或，此时直轴电枢反应为增磁性质，导致电动机 直轴内电动势岛大于空载反电动势或。 j i t x 口 驴鹊 。f i , x o 。 节一卜 闷 儿泛 d1e ) 图2 1 永磁同步电动机的几种典型向量图 图2 1 d ) 所示的是直轴增、去磁临界状态( ，与雪：同相) 下的相量图，由此可列出 如f 电压方程： u c o s o = e 0 。+ 1 1 r 1 ( 2 5 ) u s i n o = 1 1 x 口 从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势： e = 【，2 一( ) 2 一r ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 可用于判断所涉及的电动机是运行于增磁状态还是去磁状态。实际e 。 值由永磁体产生的空载气隙磁通算出，比较民和e j ，如岛大于e ，电动机将运 行于去磁工作状态，反之将运行于增磁工作状态。 2 1 2 永磁同步电动机的转矩特性 根据永磁同步电动机的电压方程和向量图，可得到如下关系： v ：a r c t a l l 二生( 2 7 ) + ，。 8 iii互ij刽0划 般盯怒一翁 爿 u kiii舅ii=i剥 “ w p一眭一 羁 硕士学位论文 p = 6 l 一矿 u s i n 0 = ，。x q + i d x d u c o s o = e o l d x d + l 尺l 从式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 中可求得电动机定子电流的直、 ，r 1 u s i n 0 + x q ( 一u c o s 0 ) “ 砰+ 局x 。 ，x d us i n 0 一r 1 ( e o u c o s 8 ) r 卜蜀。 定子相电流 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 交轴分量： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ，= ，；+ j ； ( 2 13 ) 而电动机的输入功率( w ) ： 鼻= m lc o s q = m u l lc o s ( o y ) = m u ( 1 ds i n 0 + c o s 0 ) 厂 1 m u i e o ( x g s i n o r lc o s 0 ) + r 1 u + u ( x a x q ) s i n 2 0 l ：上，二一( 2 1 4 ) 磷+ xd xd 忽略定子电阻，由式( 2 1 4 ) 可得电动机的电磁功率( w ) ： 小e z 警s i n 半c 去一专幽z 目 亿 除以电动机的机械角速度q ，即可的电动机的电磁转矩( n m ) ： 乙= 鲁= 等一的+ 警c 去一击坷以目 q m ， 式中。一一电动机的电角速度； p 一一电动机的极对数。 图2 2 是永磁同步电动机的转矩特性曲线。图中曲线1 为式( 2 1 6 ) 第1 项由 永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，又称永磁转矩； 曲线2 为式( 2 1 6 ) 第2 项，即由于电动机d 、q 轴磁路不对称而产生的磁阻转矩； 曲线3 为曲线1 和2 的合成。由于永磁同步电动机直轴同步电抗x 。一般小于交轴 同步电抗只，磁阻转矩为一负正弦函数，因此转矩角特性曲线上最大值所对应的 转矩角大于9 0 。，而不像电励磁同步电动机那样小于9 0 。，这是永磁同步电动机一 个值得注意的特点。 对式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 进行微分运算有： 等= 警c o s 0 + m u 2c 击一专c o s z 目 眩 d e x 。? x 。? xd j d t e ：p m e o uc o s 曰+ p m u 2 ( 1 一l ) c o s 2 0 ( 2 1 8 ) d o coxd(-0x 目x d 9 永磁同步电动机变频调速系统的研究 令芝筝：0 ，则可求的电动机的极值功角方程为： “ c o s 氏。+ 足。【2 c o s 2 一1 j 0 ( 2 1 9 ) 式中 耻等半 解得极值功角为： = m c c o s i 忐卸s 咖纠 z 将代入式( 2 1 6 ) 可得转矩曲线中的最大转矩值k 。，k 被称为永磁同步 电动机的失步转矩，如果负载转矩超过此值，则电动机将不再能保持同步转速。 最大转矩与电动机的额定转矩巧的比值乙称为永磁同步电动机的失步转矩倍数。 2 6 2 15 z 1 e e 卜- 1 3 5 口 05 1 一 1 8 0 7 ar 】 图2 2 永磁同步电动机的矩角特性曲线 ( 2 2 1 ) 2 1 3 永磁同步电动机的功率因数 稀土永磁电动机的无功功率为 眦忡伢一半c o s 0 + m u ：( 譬+ 警) ( 2 2 2 ) d da 。 1 0 锚一韩 2 2渤一曲 魁里堑。 + 一 十 堕峨 蛳一虹 = 鹜孤 f i 堑_ m 爿e 尘。us i n o + m u 2 ( f i d o扣删 ( 2 z 。) x dx j x d j j 比较式( 2 1 7 ) 和式( 2 2 3 ) 可以看出，在目( 。，包) 的范围内，等争 等 o ， 说明随着功率角的增加，稀土永磁同步电动机的有功功率的增加速度大于无功 功率o o 的增加速度，见图2 3 。 ) e 山 卫 a 卫 ， e n 日c 日 日c 日 a ) b ) 图2 3 凸极同步电动机等，塑d o 心比较 a ) 永磁同步电动机；b ) 电磁式同步电动机 当空载电动势e o u 时，q 0 等，永磁同步电动机的运行状态由 感性增磁作用逐步变化为感性去磁作用，功率因数由c o s ( o o 逐步增加至( c o s o ) ； 当p 包时，等 j d p 矿e m ，电动机的功率因数下降。 图2 4 给出了三相异步电动机、电磁式同步电动机和永磁同步电动机的功率 因数随电磁功率变化的示意图。电磁式同步电动机虽然励磁可调，但在，为常数 时，其功率因数较永磁同步电动机变化大；异步电动机的功率因数显然较永磁同 步电动机低，特别是在窄载或轻载工作状杰下，两者的差别更明显。 p、e皿、bp、o廿，emm 永磁同步电动机变频调速系统的研究 c o s p 0 8 感性 1 容性 0 8 幽2 4 不同电动机功率因数随电磁功率变化示意图 a 一三相异步电动机：b 一电磁式同步电动机( e o = u ，i ，恒定) ； c 一永磁同步电动机。( c 1 ：e o u ；e 2 ：e l 。，因此，为了充分利用转子磁路的不对称所造成的磁阻转矩，应该使 永磁同步电动机变频调速系统的研究 电动机的直轴电流分量为负值。 电机稳态运行时，电磁转矩可表示为 e 。= p 三，d i ，f ，s i n + 去( 三。一l q ) f ? s i n 2 f 1 = 咖，i q + ( 厶一坞引= 拿喇。+ ( 局一x 以 ( 2 5 8 ) 而电压方程可表示为 葛c o l 苏i 苗r i 亿 “目= dd + 国y ，+ i 口 相应的输入功率 只= u d i d + f g = e o i ，s i n f l + 寺( 工d x g ) s i n 2 , 8 + f ；胄l ( 2 6 0 ) 电磁功率 厶= q 乙= 詈乙= i q + ( 局一x q ) i 一 ( 2 6 1 ) 为了推导方便，对d q 坐标系下的永磁同步电动机的方程标幺化，上标 表示 标幺化以后的物理量。在永磁同步电动机分析中采用如下标幺化处理方法： = c o c o n “= u c o u v , 艺i = ：i i 驯( f f q p l i f ，a ) ；l 。) ( 2 6 2 ) 艺= 疋。( p i f ，；。) 一 r r ( c o l d ) y + = p 妒， 式中呓，、i + 、“+ 、r + 和国+ 分别是转矩、电流、电压和电角速度的标幺值。经过标 幺化处理后的转矩方程为： 艺= i ：一( p 一1 ) i ；i ： ( 2 6 3 ) 式中p = 乞l 。对稳态时永磁同步电动机的在d q 坐标系下的电压方程进行标幺 化处理后得： “d 。一。l d l p 7 ( 2 6 4 ) “g 2r 2 9 + p l a + 埘 从永磁同步电动机的相量图( 图2 8b ) ) ，可得电动机的功率因数为 c 。s 4 0 = c o s ( g 一昙石一占) ( 2 6 5 ) 硕士学位论文 并且，可以推导出电动机功率角占的正切 t a n 6 = p i ：( 1 + f ：) ( 2 5 6 ) 2 4 永磁同步电动机变频调速策略 同步电动机的转速就是同步转速 n 。：盟 ( 2 6 7 ) p 式中f 为定子电流的频率，p 为电动机的极对数，如果接入恒频率电源，则由于电 动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，因而速度不可调。因此，长期以来 同步电动机以转速恒定且功率因数可调而著称，仅仅适用于补偿电网功率因数和 不调速的风机、水泵等设备上。随着电力电子变频技术的飞速发展，现在同步电 动机同样可以进行变频调速，而且，由于旋转磁场的转速可调，曾经困扰同步电 动机的起动、振荡及失步等问题也随之得到解决，扩大了应用范围。 与感应电动机的控制相类似，高性能的永磁同步电动机的变频调速策略也有 两种：矢量控制和直接转矩控制。 矢量控制技术是从直流电动机的控制中得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方 向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其 励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控制i3 4 】。永磁同步电动机的矢量控制就 是分别控制定子电流的幅值和相位，包含了i 。= 0 控制、c o s l 9 0 = l 控制、恒磁链控 制、最火转矩电流控制等不同的控制方法。 直接转矩控制变频调速技术，是近1 0 年来继矢量变换变频调速技术之后发展 起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。它是将逆变器和被控制的电 动机看成是一个整体，采用空问电压矢量的控制方式，通过对定子电压的控制达 到直接控制电动机转矩的目的，因而省去了矢量控制中繁琐的坐标变换。 本论文将在以后的章节对永磁同步电动机的矢量控制和直接转矩控制作详细 的讨论。 2 5 结论 本章分为两个部分，第一部分分析了永磁同步电动机的稳态运行原理，详细 讨论了永磁同步电动机的电压方程、向量图、功率、转矩及效率等特性；在前一 部分的基础上，本章的第二部分阐述了永磁同步电动机的变频调速理论，重点讨 论了坐标变换原理。坐标变换的基本思想就是将交流电机的物理模型等效的变换 成类似直流电机的模式，然后在模仿直流电机进行控制。本章详细讨论了静止三 相到静止两相、静止两相到旋转两相及静止三相到旋转两相的坐标变换原理和变 永磁同步电动机变频调速系统的研究 换方程。然后，分析了永磁同步电动机在三相坐标系下的数学模型，并根据坐标 变换理论得到了永磁同步电动机在两相坐标系( d 、q 坐标系) 下的电压、磁链及转 矩方程。最后，讨论了永磁同步电动机的变频控制策略，与感应电动机相似，永 磁同步电动机也可采用了矢量控制和直接转矩控制两种控制策略。 2 4 硕士学位论文 第3 章永磁同步电动机的矢量控制原理 3 1 永磁同步电动机失量控制原理 ， | ；| = 怔棼辫 ( 3 1 ) 3 2 永磁同步电动机失量控制基本电磁关系 正弦永磁同步电动机的控制运行时与系统中的逆变器密切相关的，电动机的 运行性能要受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值u 。 和相电流有效值的极限值，“。要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流 永磁同步电动机变频调速系统的研究 的限制。当逆变器直流侧电压最大值为u ，时，y 型接法的电动机可达到的最大基 波相电压有效值 = 丽u c = 而u c ( 3 2 ) 而在d q 轴系统中的电压极限值为“。= 4 3 u 。 3 2 1 电压极限椭圆 电动机稳态运行时，电压矢量的幅值 甜= ；+ “； ( 3 3 ) 将式( 2 5 9 ) 代入上式，可得稳态运行时电动机的电压方程 “= ( 一础q i g + r j i a ) 2 + ( c o l a i d + 棚吵，+ r l i q ) 2 (-xqiq+rtia)2+(xaia+eo+rliq)2 ( 3 4 ) 电压极限圆 。 l i 。 ，亭淞 ，电流极限圆 醛孓 、 、 l l 1 一 | | ? j 遵 i ； 速度增加 。 图3 1 电压极限椭圆和电流极限圆 由于电动机一般运行于较高的转速，电阻远小于电抗，因此电阻上的电压降 可以忽略不计，上式可简化为 ”= f 瓦万可面丽= 雁习可瓦再万 ( 3 5 ) 以”。代替上式中的u ，有 ( 上口i q ) 2 + ( 三d i a + ，) 2 = ( 甜。c o ) 2 ( 3 6 ) 当l 一上。时，上式是一个椭圆方程，当l 。= l 。时( 即电动机为表面突出时转 硕十学位论文 子磁路结构) ，上式是一个以( 一少，l d ，0 ) 为圆心的圆方程，下面定的分析以l 。l 。 为例进行。将式( 3 6 ) 表示在图3 1 的i f 。平面上，即可得到电动机运行时的电 压极限轨迹一一电压极限椭圆。对于某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电 流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的 提高，电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比的相应缩小，从而形成了一组椭 圆曲线。 3 2 2 电流极限圆 电动机的电流轨迹方程为 巧+ = i 。2 ( 3 7 ) 上式中i 。为3 ，。，i 。为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式( 3 7 ) 表示 的电流矢量轨迹为一以t ，i 。平面上坐标原点为圆心的圆( 示于图3 1 中) 。 电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限椭圆，也不 能超出电流极限圆。如电动机转速为时电流矢量的范围只能是图3 1 中a b c d e f 所包含的面积。 3 2 3 恒转矩轨迹 把电磁转矩公式( 2 5 7 ) 用标幺值表示，当l 。l q 时可以得到 吃= i ：( 1 一翻 ( 3 8 ) 式中电流基值为i 。= y ，( 上。一乙) ，转矩基值为瓦= p c ，i 。 图3 2 在i ：、i ：平面上给出了一组转矩标幺值各不相同的转矩曲线。从图中可 以发现，电动机的恒转矩轨迹在i * a 、i ：平面上不仅关于d 轴对称，而且在第二象限 为正( 运行于电动机状态) ，在第三象限为负( 运行于制动状态) 。 3 2 4 最大转矩电流轨迹 在图3 2 中，不论是在第二象限还是在第三象限，某指令值的恒转矩轨迹上 的任何一点所对应的定子电流矢量均导致相同的电动机转矩，这旱就牵涉到了寻 求一个幅值最小的定予电流矢量的问题，因为定子电流越小，电动机的效率越高， 所需的逆变器容量也越低。在图3 2 中，某指令值的恒转矩轨迹上距离坐标原点 最近的点，即为产生该转矩时所需的最小的电流空间矢量。把产生不同转矩值所 需要的最小电流点连接起来，就形成了电动机的最大转矩电流轨迹，见图3 2 。 对于凸极永磁同步电动机的最大转矩电流轨迹是关于d 轴对称的条曲线，且 在坐标原点处与q 轴相切，在第二象限和第三项向内的渐进线均为一条4 5 。的直 线。这些清楚的反映了d 、q 轴电感不相等的永磁同步电动机的转矩特性，因为q 轴代表永磁转矩，恒转矩曲线上各点是永磁转矩和磁阻转矩的合成。当转矩较小 时，最大转矩电流轨迹靠近q 轴，说明永磁转矩起主要作用。当转矩增大时， 永磁同步电动机变频调速系统的研究 与电流平方成正比的磁阻转矩要比与电流呈线性关系的用磁转矩增加得更快，故 最大转矩电流轨迹越来越偏离q 轴。 爹净吣 之j o 、。户 秽鼬线 玲 图3 2 永磁同步电动机恒转矩轨迹 3 3 永磁同步电动机失量控制的电流控制策略 永磁同步电动机用途不同，电动机电流矢量控制策略也各不相同。可采用的 控制方法主要有：= 0 控制、c o s p = 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制 等，不同的电流控制方法有不同的优缺点，本节就几种常用的矢量控制方法进行 分析。为了叙述方便，将p m s m 的空间矢量图和相量图重新绘制如下( 图3 3 ) 。 3 3 1 i 。= o 控制 屯= o 控制又叫磁场定向控制，这是一种比较简单的电流矢量控制方法，该方 法电流算法的计算量小，很适合以普通单片机为主控单元；另外，该方法没有电 枢反应对永磁电动机的去磁问题，目前许多小功率的永磁同步电动机伺服系统都 采用屯= 0 的控制方法。 硕士学位论文 q 轴 d 轴 。q 划 卜 e 。 舀，f j z 。f - 弋- - g 哆 i q l ； 氐。碧 ( a )( b ) 图3 3p m s m 空间矢