（电力电子与电力传动专业论文）六相永磁同步电动机特性仿真的研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sc h o o s e st t ms i x - p h a s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a st h es u b j e c tt or e s e a r c h f i r s t t h ec o n t r o lm o d e io fs p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sf o u n d e da n dt h es i m u l a 廿o nm o d e lo fs i x - p h a s e i n v e r t e ri ss e tu pb ym e a n so ft h en o n c e p to fs w i t c hf u n c t i o n s e c o n d ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i x - p h a s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n ei s d e v e l o p e di ns t a t i o n a r ya - b 吧f r a m ea tt h eb a s eo ft h em u m - l o o pt h e o r y a c c o r d i n gt om a g n e t i cc o n d u c t a r c ea n a l y t i c a lm e t h o di n d u c t a n c ei sc a l c u l a t e d a n dt h ee x p r e s s i o n so fi ta n di n d u c t a n c el e a k a g ei sd e d u c e d f i n a l 嗽t h e s i m u 协i i o nm o d e ib a s e d s i m u u n ki sa c h i e v e da n dt h ew h o l es y s t e m p e r f o r m a n c es i m u l a t j o nr e s p e c u v a l yo nd y n a m j ca n ds t e a d ys i t u a u o ni s p r o v i d e d w 曲a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e ru s a g eo fd cv o l t a g e a d a p tt o d i g i t a l - c o n t r o la n dt h ec a p a c i t yo fb u i l d i n gh i g hp e r f o r m a n c es p e e dr e g u l a t i o n s y s t e m ，s p a c e - v e c t o r - p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sab e t t e rm e t h o d t h a ns i n u s o i d a ip u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni nf i e l do fa cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o n s v p w mc o n t r o lp r i n c i p l ea n dm o d u l a t i o nm e t h o da r ea n a h z e df i r s t ，t h e na s v p w mc o n v e r t e rm o d e i se s t a b l i s h e da n du n d e ras i m u l a t i o ne x a m p l e 。t h e r e s u l t s s h o wt h a tt h es v f v mm o d e li sm o r ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gh a r m o n y w a v e m u i t i p h a s em o t o rs y s t e mi ss u i tf o rt h eo c c a s i o n st h a tr e q u i r eh i g hp o w e r a n dr e l i a b i l i t y , f o re x a m p l eg a l l e y , u n d e r - s h i pp r o p u l s i o ns y s t e ma n dn u c l e a r p o w e rs t a t i o n sc y c l ew a t e rs y s t e m ，b e c a u s ei tc a ns u p p l yh i g hp o w e r , r e d u c e t o r q u er i p p l ea n di m p r o v et h er e t i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a tp r e s e n t ，i th a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h es i x p h a s ep m s mp r o p u l s i o ns y s t e mo fa m e r i c a a r m y b a s e do nt h ea c t u a lp h y s i c a le l e m e n t s ，am u i t i p h a s em o t o rs t a t e s p a c e m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h e na c c o r d i n gt oi tt h es - f u n c t i o n m o d e i sf o u n d e d p o w e r e dw i t ht h ec o n v e r t e rf o u n d e de a r l y t h em u i t i p h a s e m o t o rs y s t e mi ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yo nd y n a m i ca n ds t e a d ys i t u a t i o nw h i c h i n c l u d i n gs t a r t i n ga n db r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i c s ， t h er e s u l t sv a l i d a t et h e r a t i o n a l i t yo ft h em o d e l o na b o v eb a s i s 。t h e 海海事人学顿七学位陵盘 f a u l t - o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi ss i m u l a t e dt od e m o n s t r a t et h e s y s t e m ss p e c i a l i t yo fs t a b i l i t y k e y w o r d s ：s v f v m ，m u l t i p h a s em o t 0 5s y n c h r o n o u sm o t o r m a t h e m a t i c a lm o d e l m a t l a bs i m u l 舐o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：主莨鏖翻期：也早! ! 监 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：丕墓塞 导师签名：骚莩垒一f 期：丝丑五! 生 上海海事大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 多相永磁同步电动机推进系统概述 1 1 1 永磁同步电动机调速系统 】：程上电气传动主要有直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系列，其 中同步、异步电动机占主导地位。同步电动机虽然在结构上比笼型异步电动机复杂， 但比直流电动机简单。和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体 积小、转动惯量小、省维护等优点，并可以做到大容量、高转速和高电压。和异步电 动机相比，它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转子气隙大，控制性能好 等方面的优势。而永磁电机利用永磁材料高剩磁、高矫顽力的优异特性可以大幅度地 减少电机的重量提高效率减少震动噪声，而且转动惯量低，响应速度快，调速范围宽， 具有优越的动态性能【。 永磁电机具有高效、节能和无刷结构的优势，是现代运动控制系统动力源的首选。 本文采用定予结构为双三相绕组的永磁同步电动机，两组绕组空间互差3 0 。，转子磁 极为永磁体结构，带阻尼绕组。 1 1 2 多棺电机的应用 多相电机的主要优点是大容量和系统的稳定性，它通过相数的扩展来实现低压大 容量，因此对于大功率和大电流场合多相电动机应用是非常方便的，例如军事、核电 站循环水电动机、电动混合燃料车辆、航空航天、舰船推进等场合。随着电力电子 学和电力推进的发展，水面舰船和水下潜艇的多相交流推进势在必行。 1 9 8 2 年，t tm j a h n s 申请了欧洲发明专利，采用1 5 相感应电机，蓄电池供电，以 三桐为子集构成多相系统，每个三相子集都采用三相半桥逆变器六步法供电，应用于 潜艇驱动系统，定子绕组的谐波电流通过配置高的漏电抗加以抑制1 2 j ；荧军1 9 9 0 年1 月开始了潜艇新型电力推进系统研制计划l 。1 9 9 4 年8 月在那不勒斯海军水下系统中 一1 5 , 进行海试，其推进方式为大功率永磁电动机推进，主要参数为：功率2 5 0 0 0 b p ，电 压至逆变器模块为7 5 0 v d c ，极对数1 2 ，六相：英国海军以多相感应电动机为对象， 研制大功率综合全电力推进系统应用于未来的护卫舰，航空母舰等大型舰只。同时， 多相发电机系统则已成功的应用于汽轮发电机的励磁系统，以及潜艇推进系统| 4 】1 5 】。 此外，在供电直流电压较低，如直流1 0 0 v 以f = ： 的场合，多相电机系统具有潜在的应 用前景f 6 j 。 与普通三相电机相比多相电机有以i - 突出的特点： 上海海事大学硕士学位论文 ( 1 ) 用低压器件实现大功率。根据p = m u i ( p 为电机容量；m 为电机相数；u 为定子额定相电压；，为定子额定相电流) 可知，在功率一定的情况下，相电流不变 增加电机相数可使供电电压下降，故大容量的多相电动机可采用低压变频器供电，避 免功率器件的串并联，特别适合无法得到高压但需要输出大功率的场合；同样，在供 电电压受到限制的场合，由于多相电机单相电流峰值小，可用单管实现大容量，避免 了功率器件的多管并联。 ( 2 ) 转矩脉动小。对于m 相平衡的电机绕组，其磁势空间谐波的次数 v ；k m 。+ 1 ( k 为包括零的正的或负的整数，m 。为电机实际相数) ，由此可见随着 电机相数的增加，影响电机特性的空间谐波次数增大，且幅值下降，从而使电机转矩 脉动下降。 ( 3 ) 系统的可靠性提高。定子缺相时，多相电机可降额继续运行而不必停车， 同时，缺相时可采用适当的控制方法，使剩余各相电流平衡，维持电机气隙磁通为圆 形，适合高可靠性要求的领域。 所以，多相电机系统在大功率和大的电流的场合的应用是非常方便的，越来越多 的国家和研究者积极投身于多相电机系统的研究之中。目前我国多相电机的研究刚刚 起步，在许多相关领域还是一片空白，这值得我国研究人员给以充分的重视阴【8 】。 1 2 电压空间矢量脉宽调制技术概述 随着微电子技术和电力电子技术的迅速发展，交流电机的数字控制越来越被广泛 地采用，传统的脉宽调制方法数字化实现较困难。2 0 世纪8 0 年代中期，一些国外学者 提出了基于电压空间矢量的脉宽调制( s v p w m ) 方法，和传统的s p w m 方法不同， s v p w m 调制方法将逆变器和电机视为一个整体，着眼于使电机获得幅值恒定的旋转 磁场，把电机和控制器作为一个统一整体考虑。与其它调制方法相比，s v p w m 具有 概念清晰、算法简单等优点，近年来逐渐成为国内外学者研究的热点f 9 】【1 0 】。 电压空间矢量脉宽调制和正弦脉宽调制为二种常用变流调制方式。前者是把三相 变流器的指令输出电压在复平面上合成为电压空问矢量，并通过不同的开关矢量组合 去逼近指令电压空间矢量，与传统的s p w m 相比，直流电压的利用率可提高1 5 4 7 ， 能获得较好的谐波抑制效果，且易于实现数字化控制1 1 1 】【1 2 】。 1 3 本课题研究的意义 船舶电力推进是一种先进的推进方式，它已有近百年的历史。上世纪8 0 年代， l ：i t , 7 7 海事人学帧i ：学位论义 随着电力电子技术迅速发展，大功率交流电机变频调速技术同臻成熟，基于晶体管整 流和逆变方案和i g b t 器件方案实现的船舶电力推进技术在国外得以迅速发展，并在 可靠性和运行效率等方面都有了突破，从而使电力推进技术的应用领域不断扩大，除 应用于破冰船、挖泥船、渡轮以外，还广泛用于大中型常规船舶，碌示出广泛的应用 前景【1 3 】。 现代永磁电机采用稀土材料励磁，不仅使电机尺寸大大减小，重量减轻，而且使 之维护方便，运行可靠，效率提高。与同容量的异步电动机相比，永磁电机效率提高 了4 一1 3 ，功率因子提高了5 2 0 1 1 4 j 。 电力推进系统基本由机械原动机( 柴油机、燃气轮机或核动力) 构成，用以驱动交 流发电机，发电机再为推进电动机提供动力。电动机可能是直流、交流同步电动机或 交流感应电动机。本文以六相永磁同步电动机为推进电机，文中从基本的支路电压入 手，采用实际物理量建立多相永磁同步电机的状态空间数学模型，对起动过程进行分 析，为多相永磁同步推进系统的设计提供可靠依据。 目前关于多相电机调速系统的研究主要有以下几个方面【1 5 】。【1 9 】： ( 1 ) 在多相电机会增加定子谐波电流的情况下如何产生高效率、低谐波损耗的 p w m 控制方法。 ( 2 ) 如何采用智能控制算法在线辨识多相电机参数，并使之实用化。 ( 3 ) 如何得到适用于多相电机调速系统的高性能控制方法。 ( 4 ) 在系统缺相时，电机虽然可以不用停机，但此时电机的气隙磁通将不再为 圆形，进而带来转矩的扰动，如何在不平衡供电时仍保持气隙磁通为圆形。 本文车- t - x , j - 第一个问题，采用s v p w m 控制的电压型逆变器( v s l ) 驱动多相电机， 与p w m 控制方法相比，该控制方法所获得的磁空间分布更均匀，得到的电流谐波幅 值也更小，减小了定子侧损耗。 1 4 本文主要研究内容 本文研究对象为六相永磁同步电动机，采用v s i 驱动系统供电，对六相永磁同步 电动机的动态及稳态特性进行仿真研究。主要工作如下： ( 1 ) 建立v s i 的控制模型并进行性能仿真。虫h - f i i s 所叙述，定子绕组采用的多相 绕组结构使多相系统相对传统三相系统有很大优势，但同时它也带来了些缺点，比如 它消除了通常存在于三相电机中的6 k4 - 1 次谐波转矩脉动却增加了定子谐波幅值增 加了谐波损耗等。为了减小电机定子端的谐波损耗提高效率，本文采用s v p w m 控 制策略。 3 ：海海事人学硕i j 学位论文 ( 2 ) 建立六相永磁同步电机的数学模型。从基本的支路电压入手，采用实际物 理量建立多相永磁同步电机的状态空间数学模型，为了对电机进行仿真还需要知道电 机的参数，根据电机的回路方程进行了电机自感和互感系数的计算。 ( 3 ) 建立基于s i m u l i n k 的六相永磁同步电机的仿真模块并通过仿真分析六 相永磁同步电动机的动态过程，包括其起动、突变、故障运行等，以及电机结构和参 数对电机动态性能的影响。电动机驱动系统结构图如图1 - 1 所示。电机驱动系统主要 包括变频器和六相永磁同步电动机两部分：变频器采用交直一交电压型逆变器，交流 电源经整流电路输出直流电压，直流电压分别同时给两组输出互差3 0 0 电角度的三相 电压型逆变器供电。 ( 4 ) 对六相永磁同步电机的稳态性能进行仿真分析，并对相电流进行谐波分析。 逆变器l q 丫 、 又、 固 逆变器2 图1 1 电动机驱动系统 4 上海海事大学硕二b 学位论文 第二章逆变器的数学模型及仿真 随着电力电子技术的发展，电机变频调速系统在很多领域得到了迅速的研究和应 用。变频调速需要有能够改变供电频率的电力变换装置，根据能量变换形式的不同， 电力变换装置可分为直接变换和间接变换两种，直接变换装置通常是指交交变频器 ( 周波变换器) ，间接变换装置即交直交变换，根据直流环节的储能元件的不同又可 分为电压型与电流型。本文的六相永磁同步电动机变频器即采用交直交电压型变频 器。 交直交电压型变频器的构成如图2 - 1 所示，该电路的核心部分是逆变器。图中 直流电源并联一大容量滤波电容器。由于大电容的存在，使得直流输出电压具有直流 电压源的特性，内阻很小，直流电路电感起限流作用，电感量很小。由于逆变器部分 采用s v p w m 控制技术，逆变器本身具有了调频、调压的功能，简化了电路结构， 同时，也减小了电网侧谐波，减轻了调速装置对电网的污染【2 0 j ；但由于逆变器需采用 全控的开关器件，因此受器件容量、开关频率等的影响，交直交电压型调速系统原 先的应用大都集中在中、小功率范围内，随着开关器件的发展，交直交电压型调速 系统在国外己进入大容量的实用阶段【2 1 】 2 4 l 。 r y 、n 褒錾 圭圭 直 5 0 h z l 匕 | | a i | | 流 b 二 。 乙 ，广 ， 器 ( 太飞太 - l 五 | | 图2 - 1 交直交电压型变频器 首先对于交一直交电压型变频器作如下假设： ( 1 ) 所有功率器件均为理想开关元件； ( 2 ) 所有续流二极管导通压降为零； ( 3 ) 在换流过程中，忽略晶体管丌关时吸收电路的影响； ( 4 ) 电动机三相负载对称且为星型连接。 上海海事大学硕士学位论文 2 1 三相电压空间矢量脉宽调制模块 2 1 1 空间矢量的概念 一个在空间按正弦分布、有一定旋转速度的物理量可定义为空间矢量。设交流电 机定子三相绕组是对称的，轴线在空间上互差1 2 0 0 。 以电机三相定子绕组轴线为坐标轴，设定a 相绕组轴线为参考坐标轴，建立三相 坐标系，各坐标轴的单位矢量为： u 4 0 - 1 一e 争， l l o 一l 三相定子绕组通以对称的三相电流： - j o s ( 甜+ 岛) 。，眦咖( 耐心芋) i c o - i 一= c o s 卜岛+ 等) 式中岛为电流初始相位角，一为电流幅值。 三相电流将在对应的定子绕组轴线上分别产生磁动势： l f 。一n 毒。 x f 一n 毒 f c o n 毒c o 式中舨为每相定予绕组的等效匝数。 三相定予绕组磁动势矢量可分别表示为： f l 。一只。u 。 一 i f c 口一r i c o 三相合成磁势为： 6 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上海海事大学硕士学位论文 f d 一+ f 肋+ f c d = s ( k + i b o e 5 * i + i c o e 扣) ( 2 - 5 ) ；要s k e “引 根据空问矢量的一般概念，得出三相绕组的合成磁势f o 是一个幅值为妄n s ，越。角 速度为的旋转空间矢量，取合成矢量的要定义为磁势矢量p 9 - 1 2 4 ，即 n j 。i e 知。 由于磁势的大小和电流成正比，所以在三相交流电机中，三相定子绕组电流也构 成一个电流矢量，用i 表示，则有： j 吾( k + 红争，+ p 纫) 一k p 肛训 同样可定义三相电机的磁链矢量i ，及电压矢量u ，即有： 1 i ，；罢知。+ 妒肋e 争，+ 妒p 扣7 ) ( 2 - 7 ) 1 i ，5i i 妒d + 妒肋e 。”+ 妒c d p 7 ”j u ；詈( 。+ u 阳e 扣，+ ( ，e 争7 ) ( 2 8 ) 式中：妒、妒。、妒是和相绕组交链的磁链，吼。、【，、c ，c o 为各相相电压。 根据对电机各矢量的定义，得三相电机定子电压矢量表达式： u = r “詈 ( 2 9 ) 式中r 为定子电阻。 当忽略定子电阻时，由磁链与定子电压的关系如下所示： i | 。，u 出 ( 2 - 1 0 ) 由上式可知为获得电机的圆形旋转磁场，只需要控制三相定子电压的合成矢量为圆形 旋转矢量即可。 2 1 2 逆变器数学模型 图2 - 2 为三相电压型逆变器的拓扑结构，图中玑为直流母线输入电压；u a ，c 为三相对称输出电压，三相输出电压合成电压窄间矢量i j 。 7 上海海事大学硕士学位论文 o 图2 - 2 电压型逆变器拓扑结构 对于1 8 矿导通型逆变器，任何时刻每相桥臂上总有一个晶体管处于导通状态， 而另一个处于关断状态，所以设立三个开关变量就能很方便地得到逆变器各相输出端 对直流电源中性点的电压，如下式所示： 一丢毗 一三躐 u c s = 专s p 。 毒嚣篡菩詈耄；至耋簇薯羹薯 ztl2 ，3 下晶体管导通上晶体管关断 ” 一去( s 厂墨) 玑 ( j = 1 , 2 ，3 ；k 一1 2 ，3 ；jw , k ) 如图2 2 所示，从逆变器输出端至直流电源中性点的电压为： 1 u a o + i ub s ；u + u 魄 1 一+ 计算可得： ( 2 - n ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 孙 一；( + + u c g ) ( 2 - 1 4 ) 将上式回代式( 2 1 3 ) ，可得负载对称时( 以。+ u 。+ 【，一o ) 的各相相电压为： b 1 l ，_cl-l 一 ： s 为示表可 ： 压 中 电 其 线 上海海事大学硕士学位论文 - - 1 12 u 血一一) 一三( 也+ 砜一) ( 2 - 1 5 ) 一；( 也一+ 砜) 根据式( 2 1 1 ) 、( 2 1 5 ) 可以得到负载对称情况下的负载相电压： u 舯t 吾( 强一是一马) 玑 刁1 s 。+ 碣一墨) 醵 ( 2 - 1 6 ) 刁1 s 。一碜+ 勰) 以 图2 - 3 所示为根据式( 2 - 1 6 ) 建立的基于s i m u l i n k - - 相逆变器电压仿真模块如下 图所示，图中墨、是、s 分别与( 2 - 1 6 ) 式中s 各值对应 圈2 - 3 三相逆变器电压仿真模型 2 1 3 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 原理 由于采用1 8 0 0 导通方式，上下桥臂的功率器件互锁，因而三相逆变器6 个功率 开关器件具有8 个独立的开关状态，将各状态下s 值代入式( 2 - 1 6 ) 可得各状态下逆变 器输出各相电压值，结合式( 2 - 8 ) 可得各状态下合成的8 个基本电压矢量，其中包括6 个非零矢量( u ，u 。) 和两个零矢量( u 、u ，) ，各个矢量分布如图2 _ 4 所示。 9 上海海事大学硕士学位论文 u 2 【 u 3 ( 一1 1 1 ) u l ( 图2 _ 4 基本电压矢量图和开关状态 u u 。 i ： 一；n 甄 图2 - 5 第扇区电压矢量图 图2 - 4 中括号内各值与其中墨，是，s 各值相对应，表示图2 - 2 中3 个晶体管通 断状态，其值为1 表示相应晶体管导通，一l 则表示其关断表2 l 中s ，瓯，墨各值 相对应，u 。，u ，分别对应其值为( 一l 一1 1 ) 和( 1 1 1 ) 的状态，由表2 - 1 可知各非零矢量 模均为詈玑一 采用s v p w m 控制是通过逆变器开关控制两个最近的非零矢量和零矢量之伽的 切换，从而在每个开关周期内去逼近旋转参考矢量u 耐，使合成电压矢量轨迹逼近圆 形，进而得到图2 - 4 所示的六个扇区1 2 5 2 8 l 。以u 位于第1 i 扇区为例，如图2 - 5 所 示，在一个采样周期内i j 。可由非零电压矢量u ，u 及零电压矢量u 。，u ，合成，通过 控制逆变器可控制各时刻输出电压矢量在u 。，u ，及u 。，1 j ，之间切换，逼近u 硝。以下 将具体推导各电压矢量切换时刻。 表2 - 1 为图2 4 的列表形式，表中具体列出了逆变器的8 种开关状态及各状态下 逆变器的各相输出电压值；表中墨，是，s 各值与图2 4 中各值对应；u 。，u 。，u c d 为逆变器各相输出相电压值；u 。为各状态下三相电压合成的基本电压矢量。 上海海事大学硕士学位论文 表2 - 1 逆变嚣开关状态及输出电压对应关系表 s是墨 【，_ d u t 1 r r 1r r 昙玑昙p 扣， - 1- 1 l j u dj jj 1 f t ；虬 一昙冬ud l - 1 1 - 1 i 叫jj - 11l 一昙玑 扛三玑 昙 jj l- 1- 1 昙玑 1r r 一三玑 2 ， ji u di u 。 1- 11 詈玑 2 r r 三玑吾玑一一。 11- 1 扛三 2r r 扣扣j u j 1110o0 o - 1- 1- 1o00o 2 1 3 1 计算参考电压所属扇区 要对参考电压进行控制首先要确定参考电压所处的扇区，由此需要引入p a r k 变 换将电压从三相静止坐标系下变换到两相静止坐标系下，两相静止坐标系下参考电压 u 耐用口，卢轴分量玑，u f 表示为： u 呵一u o + j u p = 罢( 乩。+ e 争7 + e 扣7 ) ( 2 - 1 7 ) 其中u 。，【，。，c d 为每相相电压，将表2 - 1 中各电压值代入上式可得8 种开关状 态下合成输出电压矢量表达式为： 上海海事大学硕士学位论文 u 一。聒咿m - 1 ) b 枷 1 0 kt 0 , 7 各矢量具体数值结果列于表2 - 2 最后一列。 由图2 - 5 可知根据u 。，u ，易得矢量u 一所处的扇区为n = s i g l l ( j ) + 2 s i g n ( k ) + 4 s i g n ( l ) ： 其中圳。，k = 丢( 呜+ 豇) ，b 圭( 坷，一4 - 鲫o ) 。 2 1 3 2 计算各扇区内电压矢量作用时间 判断出u 。所在扇区后可分别计算各扇区内相邻电压矢量的作用时问以控逆变 器晶体管通断，下面以u 。在第扇区为例进行推导。 记电压矢t u ，u ，u o ，u 作用时间分别记为，五，晶，弓，采样周期为r 。，采样周 期内s ，是，s 导通时间分别为瓦，瓦，疋 由图2 - 4 可知，u 耐在第1 i 扇区时，根据空间矢量等效原则有： f l u 呵出；f l u 。e 蝎u ，出 + 露嵋u 。d f + 丘碱u ，出 倍功 由于u 。，u ，u 。，均为恒矢量，u 。，u ，为零矢量，故上式可化简为： u 一五一u 4 瓦+ u 5 互 ( 2 2 0 ) 但五，正之和不一定等于丁。，因此在其余时问插入零矢量工作状态来补充，它并 不影响输出电压的大小，由此可知一个采样周期内各电压作用时间满足关系 e - 瓦+ 瓦+ 五+ ，取一个采样周期中电压均以电压以零矢量开始和结束并考虑到 晶体管开关顺序可设瓦一弓，放有： 瓦- a = t 、t s 一l 一瓦)( 2 2 1 ) 查表2 - 1 中第1 i 扇区内相应墨，咒，墨的值可知当u 。在第1 1 区问时，各相晶体管作用 上海海事大学硕上学位论文 时间分别为： ( 2 2 2 ) 结合式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 可得第1 i 扇区内各相晶体管作用时间序列，如图2 - 6 所示； 瓦 2 图2 - 6 u w 于第扇区时各相晶体管作用时闻 以下计算各晶体管作用时问的具体数值，u 可在第1 i 扇区时，将u 一在a , p 轴 分解，同样根据空间矢量等效原则有： f u 。互；i 1u ，霉+ u 。瓦 1u 加萼u ，五 1 查表2 - 1 可知u 。= u ，= 鲁虬，结合上式计算可得： 卜二等 卜唑产 同理可计算出其它扇区内各相晶体管开关导通时间，如下表所示： ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) 弓 + 互 弓 + + 五乃五 l i l 致写毛 ，_-_j_l 夏 磊 罨 上海海事大学硕士学位论文 表2 - 2 各扇区电压矢量作用时间 扇区 l i i ivv ii i 五 _ z z工一x- yl ， 易 xy- yzz一石 表中“- 4 虬- 3 v , t , ； y(,fx矿z,+xzo)r,； z ! 垫二坠巨 2 3 d 瓦，瓦为各扇区分相邻矢量的作用时间，其在各扇区内代表不同电压作用时间， 对应关系如下表所示： 扇区 l i t ivi i 瓦瓦瓦乏写五l 瓦毛瓦 五五瓦五 以上我们得到了参考电压位于各扇区时，相应逆变器处于导通和关断状态的时 间，下面计算各个晶体管的开启和关断时刻。 2 1 3 3 计算矢量切换时间 同样以u 。在第1 i 扇区为例来推导各扇区内电压矢量的切换时间，记 。一丢写 一三瓦+ 三乏 k 一三毛+ 三l + 三弓 ( 2 - 2 5 ) 若各相晶体管切换时间为z ：。，7 孟，z ：c ，结合表2 - 3 和图2 - 6 可知第l l 扇区内各 相晶体管的导通时刻为： 1 4 上海海事大学硕士学位论文 促。一乙。 一( 2 - 2 6 ) i k 一 扇区n iivi i k乙乙乙l l ，k k乙毛l毛l乙 2 2 三相电压型逆变器的模型及仿真 从以上s v p w m 原理可以看出，产生s v p w m 波的主要步骤有以下几步，首先 判断电压u 。所在的扇区，然后根据公式分别计算出工，y , z 直，根据参考电压所在的 扇区计算出l ，易，从而计算出晶体管切换时间z ：。，z o ，z k 以控制晶体管的导通和 关断产生s v p w m 波形。 建立基于s i m u l i n k 的s v p w m 控制模型仿真模块如下所示： 图2 - 7s v p w m 控制仿真模璎 图2 7 中输入电压为三相对称电压，通过仿真可得到合成电压运行轨迹，如图2 8 所示，由图可知电压u 以恒定幅值按照扇区一l i 一i i v 一一的顺序逆时 针方向旋转。 上海海事大学硕士学位论文 图2 - 8 扇区仿真模型的扇区数曲线 将三角波周期r 作为采样周期，与切换点毛。，瓦。，z k 比较，从而调制出s v p w m 波，可知r = t ，将以上各模型综合起来，组成三相逆变器模块，见图2 - 8 下面是一个仿真实例，有关参数如下： 直流电压玑一3 0 0 0 v ，正弦波频率厂1 - 2 0 h z 三角波频率为厶= 1 2 6 0 h z ，斜率为1 ，其表达意义为时问。 唰 一一j留 。 闲 ：i 7 匕u r j r 二 ) 廿 r ，j 幢 e = 苛 sonlder踟fm，f 7 ：i 1 h h - 幽2 - 9s v p w m 三相电压型逆变器仿真模型 仿真得到的逆变器输出电压及谐波分析如图2 1 0 、2 - 1 1 所示，可见s v p w m 电 1 6 上海海事大学硬士学位论文 压的谐波分量较少。图2 - 1 2 为1 0 与三角波比较图 图2 - 1 0s v p w m 逆变器输出a 相相电压仿真波形 图2 - 1 1s v p w m 逆变器输出相电压的谐波分析 翻2 - 1 2 1 ：m 与三角波比较波形幽 1 7 上海海事大学硕士学位论文 2 3 六相电压型逆变器原理 六相永磁同步电动机定子采用双y 移3 0 0 绕组，在s v p w m 控制中用两组相位差 互为3 0 0 电角度的三相对称且频率可调的正弦波作为输入信号和三角波信号控制逆变 桥每相桥臂上大功率晶体管的基极，分别产生两组相位差互为3 0 0 电角度的s v p w m 波。 对六相永磁同步电动机供电时，将上述三相交直交电压型变频器稍做改动，在 中间直流环节后，并联两组三相逆变器( 如图1 1 ) ，采用适当的控制电路控制下，使 其输出合成电压矢量相位差为3 矿如图2 - 1 3 所示，两组电压矢量构成两个独立六边形， 所以两组逆变器可以采用同一直流母线电压独立控制。 图2 - 1 3 双三相逆变器基本电压矢鼙幽和开关状态 2 4 多相电压型逆变器的谐波分析 理想情况下，当电机输入电压或电流为所相正弦对称，电机内肌相基波合成磁 动势为圆形旋转磁动势，但实际情况中，对称的肌相绕组外加脚相对称的非正弦电 压或电流，将产生旋转基波和一系列正转或反转( 相对于基波) 的谐波。在逆变器供电 下，产生的供电电压是s v p w m 波，按照傅立叶分解展开会得到基波和一系列的时 间谐波，谐波的存在会给电机及整个驱动系统造成危害，主要有以下几方面【2 9 j 【3 0 1 ： ( 1 ) 形成谐波磁动势并产生谐波磁通，从而引起附加铜耗和铁耗，影响电机的 效率和温升指标。 ( 2 ) 引起电动机较大幅度的低频脉动，导致电动机乃至整个驱动系统不稳定， 当脉动频率与机械系统的固有频率相同或接近时将引起共振，有损坏机械设备的危 险。 上海海事大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于供给电机的是畸变波形的电能，伴随电机磁通的变化会有较大的电磁 噪声。 因此有必要对多相变频器的输出电压电流的谐波进行分析。现以六相永磁同步电 动机为例，分析采用六相变频器供电情况下系统的谐波问题。 由图2 1 可见，六相变频器主要包含整流环节，滤波环节，逆变环节。六相逆变 器的主元件可以是功率晶体管或者是可控硅元件，它可以看作由两个三相逆变器组 成，通过适当的控制线路产生1 2 路控制信号加在功率器件的基极或门极，使得逆变 器输出两路相位差为3 0 0 的对称三相电压波形。六相永磁同步电动机中两套绕组均为 星型连接三相对称绕组，因此产生的磁动势中不存在3 及3 的倍数次谐波，仅存在 6 k - 1 谐波( 爱- 1 , 2 , 3 ) ，其中6 k 一1 为反转波，6 k + 1 为正转波。由于两路三相基波 电压相位差为3 0 ，则两路电压的五次谐波电压相位差为5 x 3 0 0 = 1 5 0 0 ，又由于电动机 两套绕组本身空间上相差3 0 。电角度，即同相位的电流在第二套绕组上产生的磁动势 将超前第一套绕缎3 0 0 电角度。五次谐波为反转波，所以两路五次谐波电压产生的气 隙磁动势在空间上差1 5 0 0 + 3 0 = 1 8 0 0 电角度，从而相互抵消，同样，七次谐波为正转 波，所以两路七次谐波电压产生的气隙磁动势在空间上差7 x 3 0 0 _ 3 0 0 = 1 8 0 电角度，也 相互抵消1 3 1 3 3 ip 3 l 。 由此可见，采用该驱动系统为六相电机供电，可以有效抑制低次高幅值( 5 次，7 次) 谐波影响，使得电机及系统的性能可以得到较大的改善。 本章建立了多相交直交电压型逆变器的数学模型，介绍了交直交型变频器的 主拓扑结构，首先建立了s v p w m 控制模型，并提出采用两组独立控制的交直交逆 变器使其输出两路相差3 0 0 相位的电源电压作为六相永磁同步电动机的供电电源的思 想；其次利用开关函数的概念，即将逆变器桥臂上的功率开关管作为理想的开关，建 立了六相逆交器的仿真模型；最后以六相变频器为例分析其气隙磁动势谐波问题，表 明了此系统对于5 、7 次谐波有抑制作用，较好地改善系统性能。 1 9 上海海事大学硕士学位论文 第三章六相永磁同步电动机的数学模型 3 1 六相永磁同步电动机的结构 3 1 1 六相永磁同步电动机绕组结构 通常，用电机定子侧出线端( 不含中线) 的数目来定义电机的相数。然而，这样的 定义有时会引起混淆。这是因为对于给定出线端数量的电机而言，它可以有两种不同 的相带角。例如大多数三相电机是6 0 0 相带角，但也存在1 2 矿相带角的情况。根据电 机绕组的相带角，( 电角度) 和每极相带数q 一：，多相电机相数定义如下：电机 1 8 0 i | p 定子有幻个绕组，以芦电角度空间对称分布，当日为整数时，如果有幻个出线端， 则称为勾相电机；如果只有窖个出线端，即同一磁轴上的两个绕组用同一个绕组代 替，则称为半2 9 相电机。所谓半幻相电机，是指在电机外部看是q 相的，而在电机 内部看却是勾相的。由于电机的特性主要由相带角( 内部相数) 决定，因而，半幻相 电机与幻相电机有相似的特性1 3 4 j 。f 3 6 1 。本文所涉及到的六相电机为六相3 0 0 相带电机， 即双y 相移3 0 0 电角度的半十二相电机，以下简称为六相同步电动机。 本文所研究的六相永磁同步电动机定子采用双y 移3 0 0 形式，即将两套独立且结 构完全相同的三相绕组空间位置排列上相差3 0 0 放置，如图3 1 所示。此定子形式也 可由三相电机定予绕组改绕而成，以3 对极、3 6 槽的三相电机为例说明，将三相电 机中的u 相分为a l 、a 2 两组，1 ，7 ，1 3 ，1 9 ，2 5 ，3 1 构成a 1 相；2 ，8 ，1 4 ，2 0 ，2 6 ， 3 2 构成a 2 相，将a 1 与a 2 + 串联即构成u 相。v 相和w 相类似地被分为b 。、b 2 相和印c 2 相。a x b l c l 和a 2 b 2 c 2 在空间相差3 0 0 电角度。图3 2 给出了3 6 个线圈槽电势相量图。 可见沿圆周相隔3 0 0 电角度依次排列的十二个相带的电压相量也在时间相位上相差 3 0 0 ，因此，这种六相双y 相移3 0 0 绕组和对称的十二相绕组完全一样。于是从电机内 部看该系统是对称的十二相系统，但是从电机外部看则是双y 相移3 0 0 的不对称的六 相系统1 3 7 l 。 同步电动机的转子上装有阻尼绕组，阻尼绕组安装在磁极的极靴上，由阻尼条( 5 根) 和阻尼环组成，阻尼条由阻尼环部分短接或者全部短接，阻尼条的分布对直轴或 交轴而言是对称的。 上海海事大学硕士学位论文 毒心少 彳o p 罗 1 图3 - 1 六相永磁同步电动机绕组示意图 图3 - 2 槽电势向量图 筝番 g 鬻 冬爵 3 1 2 永磁体的模拟 永磁同步电动机毋需再由直流电源提供励磁电流，不仅无励磁损耗以及与集电 环、电刷有关的损耗，而且可以提高功率因数，使电机的标观效率( 效率功率因数) 大为提高，具有显著的节能效果。永磁同步电动机的无刷结构是其另一个突出的优点， 与一般电励磁式同步电动机相比，永磁体宛如一个集成块，集励磁电源、引入装置( 集 电环、电刷) 和励磁绕组于一体，使转子结构得以简化。不仅如此，采用性能优良的 永磁材料可以减小永磁体体积，使转子磁路结构灵活多样，以适应不同技术要求的需 要。图3 - 2 分别列举了永磁同步电动机四种常见的转子结构，其中径向结构极问漏磁 较少，可采用导磁轴，不需要隔磁衬套，因而转子零件较少，工艺也较简单；切向结 构每极磁通由两块永磁体并联提供，可产生较大的气隙磁密；并联结构具有切向结构 的上述优点外，还可充分利用空问放置永磁体；混合结构又称为聚磁结构，每对极包 括一对主极和一对副极，主极径向磁化，体积较大，气隙磁通的大部分由它提供，副 极切向磁化，体积较小，不仅本身能提供一部分气隙磁通，而且能有效地减小主极的 极间漏磁，提高永磁材料的利用率。 上海海事大学硕士学位论文 7 l ( a ) 径向结构( b ) 切向结构 目前广泛采用稀土永磁材料，其去磁曲线基本上是一条直线，永磁体的工作点始 终处于去磁曲线上，如图3 4 所示。另外，矩形磁铁磁化均匀，可认为永磁体内各部 分磁密相等，这样每个永磁体都可用图3 4 所示的等效磁势源来代替，其中矫顽磁动 势只和内禀漏磁导g 。可由下式计算： 蓐：终 ， 式中，置永磁材料剩余磁密 h 。永磁材料矫顽力 k 永磁体磁化方向长度 瓯永磁体截面积 上海海事大学硕士学位论文 l 口 口， 一 7 h ：0 一 日 等效磁势源 图3 _ 4 永磁材料的去磁曲线及永磁体的等效 3 2 六相永磁同步电动机的数学模型 3 2 1 基本假设及正方向的规定 为了便于分析电机性能，在建立同步电动机模型前，首先对其做出一些合理丽必 要的简化假设，基本假设如下： ( 1 ) 气隙磁场按正弦规律分布，即忽略空间谐波磁场的影响； ( 2 ) 电机磁路线性，即不考虑铁芯磁路的饱和效应； ( 3 ) 定