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调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 最后，在上述研究工作基础上，研究丌发了三台调速高效啷m 样机，并对样机迸 行了全面的性能试验测试和节能效益分析。结果表明样机性能达到设计要求。 关键词：调速高效，永磁同步电动机，效率优化，场路结合设计，通煨系统，驱动系统 一n - 沈阳工业大学博士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s 朗枷o ni sd e v o t e dt ot h es t u d yo i lv a r i a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c yp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r6 m s m ) d r i v es y s t e mf u n d e db yt h es t a t e t e n t hf i v ey e a r p r o g r a m a n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to f l i a o r t i n gp r o v i n c e s i xp a r t sa l ei n c l u d e d a sf o l l o w i n g ： f i r s to fa l l , w h e nt h eg e n e r a li n v e r t e rd r i v e st h ep m s mi no p e nl o o pt h e r e 躲m a n y p r o b l e m s t h ec a u s e so ft h o s ep r o b l e m s 黜a n a l y z e di n t h i sp a r tw h e nu s i n gt h eg e n e r a l p u r p o s ei n v e r t e r , s o m ct n e a s u r e m e n t ss u c ha sa d d i n ga ca n dd c i n d u e t o r si nt h eb o t hs i d e so f i n v e r t e ra n dg e t t i n gt h er e a s o n a lu f c u r v eo f p u m pa p p l i c a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o n 躺t a k e nt o i m p r o v et h es y s t e mp e f f o r m 锄c e s e c o n d l y , i nv i e wo f t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p u m pa p p l i c a t i o n , an o v e le f f i c i e n c y - o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e dt om e e tt h ed e m a n do fh i g he f f i c i e n c yo fv a r i a b l e s p e e dh i g he t t i e i e n c yp m s m t h e c o l eo f t h i ss l r a t e g yi st h ee x e e u e n ti n t e g r a t i o no f l o s sm o d e l a r i t h r n e t i ei nc l r n a m i es t a t ea n dt h eg r a a i e n ts e s r c ht e c h n i q u eb a s e do nf u z z yl o g i cc o n t r o l m e t h o di ns t e a d ys t a t e at m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p - b a s e df u l l - d i g i t a lc o n t r o li n v e r t e rf o rv a r i a b l e s p e e dh i g he f f i c i e n c yp m s m i sd e v e l o p e d , a n dt h ed e s i g nm e t h o do f h a r d w a r ea n ds 0 f i 、v 眦i s p l 瑚e n t e d t h ep e r f o m m e ee x p e r i m e n t sf o re o n l x o ls y s t e mo fv a r i a b l es p e e dh i g he f l f i c i e n c y p m s mh a v eb e e nc o m p l e t e d t h es y s t e mi sv e r i f i e dt ob eo f r e l i a b l ea n dp t 翩p e r f o r m a n c e s b yt h ee x p e r i m e n t , a l s oh a so b v i o u se f f e c to f s a v i r l go ne n e r g y t h i r d l y , w h e nd e s i g n st h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t e ( s v p w m ) d r i v es y s t e m , t h e e o n t r o u e ro fs p e e da n dt h ec u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l l e ri so p l j l n i t j c d ad s pa n dc p l db a s e d f u l m i g i t a lc o n l r o li n v e r t e rf o rv a r i a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c yp m s mi sd e v e l o p e d , a n dt h e d e s i g nm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et 1 1 ep r e s e n t e d e x p e r i m e n t so ft h ew h o l es y s t e m i n c l u d i n gp m s m a n di n v e r t e ra r cf u l f i l l e d f o u r t h l y , t h eo p e r a t i o nd e m a n d so fp m s m u s e di np u m pa p p l i c a t i o na 肥s t u d i e d t h e n p a r a m e t e r sd e s i g nr u l e so fv a r i a b l es p e e dh i 曲e f f i c i e n c yp m s m a r cp r e s e n t e d t h ei r d l t m a c e o f v a r i a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c yp m s mp a r a m e t e r so f d i f f e r e n tr o t o rs m l c t u r ei sa n a l y a x la n d s e l e c t i o nr u l e so fp m s mr o t o rs l a u e t u r ea r cd e t e r m i n e d w h 锄d e s i g nt h ep r o t o t y p em o t o r s , t h e r ea r es o m ep i e c e so f m e t h o dt og e t t i n gh i g h e rp o w e rf a c t o ra n de f f i c i e n c y t h ef i e l d - c i r c u i t 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 c o u p l i n gd e s i g nm e t h o do fv a r i a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c yp m s mi ss t u d i e dc o n s i d e r i n gt h e p u m p d r i v ed e m a n d s f i f t h l y ，d u et ot h em o d i f i c a t i o no fv e n t i l a t i o ns y s t e mf o rv a r i a b l e 唰h i g he f f i c i e n c y p m s m ，t h ev e n t i l a t i o ns t r d c t u r ei sa n a l y z e di nt h i sp a r t f i r s t , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fs e v e r a as t r u c t u r e sa r ec o m p a r e db yf l u i df i e l d t h o u g ht h es t u d y i n go fc o o l i n gs t r u c t u r ef o r i m p r o v e dp m s m , t h ep o s i t i o no f t h ec o o l i n gh o l ei nt h er o t o ri so p t i n l i z eb yt h ef i n i t ed e m e n t m e t h o d a tl a s t , t h et h e r m a lf i e l dd i s t r i b u t i o no f t h em o t o ri sc a l c u l a t e db yt h e3 dt e m p e r a t u r e r i d & f i n a l l y ，t h r e ev a r i a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c yp m s m sp r o t o t y p e sa r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t l l r e d e x p e r i m e n t so ft h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n gp m s ma n dg e n e r a li n v e r t e ra r e c o n c l u d e d ；t h ee f f e c to f s a v i n go ne n e r g yi sv e r yo b v i o u s k e yw o r d s v a f f a b l es p e e dh i g he f f i c i e n c y ，p 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 ( p m s m ) ，e f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o n , f i e l dc i r c u i tc o u p l i n gd e s i g n ，v e n t i l a t i o ns y s t e m ， d r i v es y s t e m i v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：篮逸日期：呈! 竺笸：丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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应遵循此规定) 签名：2 鸳主塑导师签名：。厘鱼盛日期：盈! ! 笸! u 沈阳工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 随着我国工业化和城镇化进程的加快，特别是工业和交通运输业的快速发展，能源 的需求量大幅上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源环境问题尤为突出。2 0 0 4 年 我国的各行各业不同程度地经历了煤、电、油、运的紧张：煤炭告急，原油市场价格持 续攀升，“电荒”开始蔓延，2 0 余个省市相继进入“拉闸限电”的行列【l j 。上述问题需 要从两方面着手解决：第一是扩大能源的供应，包括新能源的开发：第二是提升能源的 使用效率。最近世界能源利用的趋势是：大量投资用于改善和提升用户侧的电能使用效 率，因为成本不高，回报较快。结合我国的实际情况，提升能效和电效是我们的最佳选 择。文献 2 、 3 中详细论述了我国对提高能效解决能源短缺问题的相关政策。 我国各行业节能潜力很大，工业部门的能源消耗变化对未来中国能源总需求的变化 起着支配作用。从发展水平看，我国目前总体上仍处于工业化中期阶段，工业部门的能 耗占国家整个能源消耗总量的7 0 ，其中钢铁、有色金属、化工、建材等高耗能行业的 能耗又占整个工业终端能耗的7 0 以上。通过结构调整、技术进步、采用先进的工艺及 设备对高耗能行业进行改造等强化节能措施，到2 0 2 0 年可使工业部门能耗降低到占总 能耗的5 5 5 7 ，节能潜力为3 6 2 亿吨标煤【4 】。 电动机广泛应用于国民经济各个领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备 的动力。电动机的用电量占全国总用量的5 0 以上，在工业领域其用电量则占2 3 左右， 因此积极推广应用高效率电机具有重要意义【5 6 1 0 永磁同步电动机( p i i s m ) 自身具有多方面的优点，比如高效率、高功率因数、高功率 密度等且该类电机具有调速精度高、调速比大、输出特性硬、运转平稳等特点，已被 应用于工业中的许多领域。但当永磁同步电动机使用通用w 、，f 变频器，丌环运行时，有 时会出现起动困难、电流增大、噪声异常、振动、永磁转子温升比定予温升还要高的异 常现象，易造成钕铁硼永磁体退磁，电机效率有所下降i n ；有时甚至还会出现失步现 象，电机突然停止旋转。这主要是由于永磁同步电动机与v v v f 通片j 变频器各自的工作 特点所决定的，即两者各自的输入输出要求不匹配，以及系统处于开环运行而造成的。 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 本课题是“十五”国家科技攻关计划课题稀土永磁材料在高性能电机应用的共性关键 技术( 编号2 0 0 2 b a 3 1 5 a 0 6 ) 中的一部分，对变频调速高效永磁同步电动机及其共性关键 技术进行研究。 1 2 国内外发展现状和趋势 1 2 1 高效永磁同步电动机的发展现状 高效节能永磁同步电动机的研究，国内外的科技工作者已经做了一些工作，也研制 出多种样机。 我国采用钕铁硼永磁材料开发的高效永磁电动机，其效率可以超过美国对高效率电 动机的要求。以1 l k w 、4 极电机的效率为例，我国目前通用的y 系列电机为8 8 ，美 国规定高效电机为9 1 ，最高效率电机为9 2 4 ，而沈阳工业大学特种电机研究所开发 的永磁同步电动机效率高达9 3 2 l 研。 浙江中源电气有限公司生产的t y b z 系列调速永磁同步电动机功率等级从0 4 8 7 5 k 1 】| 【9 。杭卅眇巾马永磁电机有限公司生产的变频调速永磁同步电动机达到3 0 k w 1 0 l 。西北 工业大学研制的l l k w 泵用永磁同步电动机，与感应电动机相比不仅较大幅度地提高了 电机的效率，而且由于其功率因数达0 9 5 ，也可解决企业的无功补偿问趔l 。 沈阳工业大学特种电机研究所”2 1 围绕中型高效永磁同步电动机设计中的几个关键技 术问题进行了系统深入的分析和研究。最后，丌发了3 0 0 k w 的泵用高效永磁同步电动 机。 国外日本东洋电机公司开发了e 踟系列( 6 极、5 5 k w l l o k w 、1 9 0 3 8 0 v 、 1 8 0 0 r m i n ) 的小型、轻量永磁同步电动机【1 3 】。这种电机需要与e d 6 4 专用逆变器( 高性 能矢量控制逆变器) 一起，应用于快速响应的场合。 迄今为止，中型调速高效永磁同步电动机在国内没有得到全面的应用和推广。究其 原因，除成本较高外，晟主要的问题是永磁同步电动机由于存在许多诸如电磁、机械、 通风冷却和驱动系统等关键技术问题尚未得到解决。因而严重阻碍了其研发和推广应用 工作的进展。 为了降低制造成本，有些文献在电机设计方面采取了一些措施，如对电动机效率和 重量进行线性最优化设计【1 4 1 ，准确分析电动机磁路模型保证永磁体的充分利用”s l ，将电 沈阳工业大学博士学位论文 动机应用到工频和变频两种场合【1 6 1 。为了降低驱动系统的成本，应用通用变频器驱动永 磁同步电动机，文献 1 7 对应用通用变频器时电动机的起动性能进行了分析。 1 2 2 永磁同步电动机控制策略的现状和水平 永磁同步电动机的电磁结构和应用场合决定了适合它的控制策略。目前，永磁同步 电动机主要有b = o 控制、最大转矩电流控制、c o s # = 1 控制和恒磁链控制。对于表面 凸出式永磁同步电动机来讲 t s 2 0 l ，白= 0 控制和最大转矩电流控制效果是相同的，且白 = o 控制具有控制算法简单的优点，因此该类电动机的驱动大都采用这种控制方式。对 于转子磁路不对称的永磁同步电动机，为了有效利用磁阻转矩，应采用最大转矩电流 控制【2 卜捌，与d = o 控制相比，该控制方式能够提高系统的效率、功率因数和输出功 率。c o s # = 1 控制和恒磁链控制在调速系统中的应用越来越少。 目前，以模糊控制和人工神经网络控制技术为代表的智能控制技术己在p m s m 调 速领域中显示出重要作用口7 制。由于神经网络计算量较大，一般是采用权值的离线训练 方式，在电机的实时控制方面大多尚处在仿真理论的研究阶段 2 9 3 0 l 。而模糊控s t n 相对 成熟，具有不依赖控制对象的数学模型、利用现场的经验知识、动态性能好、能很好地 克服系统参数变化和非线性等不确定因素的影响、鲁棒性强等优点，已经获得了广泛应 用 2 7 2 8 1 。 另外，由于永磁同步电动机的交直轴磁路耦合和磁路局部饱和，电动机的参数无法 用路的方法进行精确计算p 1 删。为提高系统的性能，文献【3 4 】提出应用神经网络方法校 正p m s m 交、直轴电感检测值。可见p m s m 参数的给定偏差，会对控制策略产生较大的 影响，所以应根据应用的目的和场合合理选择和设计电机参数。 1 2 3 永磁同步电动机驱动系统效率优化技术 高效永磁同步电动机的发展既有其重大的社会意义，同时还具有重要的经济意义。 电动机节能除了提高本身的效率外，还能与被驱动设备很好地匹配，使其运行在负载的 高效区域，同时电动机配以控制器后具有良好的调速性能，从而可高效地调节风机风量 和泵类流量，实现系统的节能。因此高效永磁同步电动机及其系统的节能具有广阔的前 景p 5 - 3 6 1 。 一3 - 调速高敛永磁同步电动机及其驱动系统的研究 传动装置的效率不仅与电动机的类型、逆变器的拓扑结构、功率开关器件的种类及 其采用的p 吼算法有关；此外，控制系统软件控制算法也对其有重要的影响。目前，变 频调速系统的效率优化策略主要分为两类：基于损耗模型的效率优化策略和搜索技术。 这两类方法都是以电机损耗最小为控制目标，但具体实现有很大的不同。 ( 1 ) 基于损耗模型的效率优化策略控制是以精确的数学描述为基础，从电动机的 d 、q 轴损耗模型出发，建立融入各种损耗的电磁转矩公式，通过复杂的计算求出电机 损耗最小时对应的“f 。电流工作点p 7 侧。 在损耗模型的建立方面，文献 4 1 提出了一种适用于永磁同步电动机、开关磁阻电 动机、感应电动机和d c 电动机的d 、g 轴损耗模型，在此基础上提出了一种容易实现 的基于损耗模型的损耗最小算法，并且考虑了铁心饱和的影响。文献 4 2 提出了一种适 用于不同类型的永磁同步电动机最大效率控制算法。该控制方法不仅应用磁阻转矩和d 轴电枢反应来减少总的电气损耗，且分析了电动机的参数变化对控制方式的影响。该最 大效率控制方式对定子电阻的变化不敏感；相反，由于磁路饱和而引起的q 轴电感三。的 变化将导致控制系统出现效率偏差。上述文献没有将杂散损耗参数的变化对系统性能的 影响考虑进去。 电动机各种损耗对数学模型的建立影响较明显，准确确定铁耗、机械耗和杂散耗对 提高系统的驱动性能有重要的意义。文献 4 3 提出了一系列电机部件改进的近似模型来 估计铁耗。这些改进的近似模型能够用于设计优化程序，且由于它们与电机尺寸和材料 特性建立直接联系，因此能够快速观察到设计方案改变对铁耗的影响。文献 4 4 提出了 一种适用于永磁同步电动机模型的的铁耗计算方法。该方法是基于反电动势平方与输入 功率的线性关系，从它们线性关系的斜率来离线计算损耗电阻。由于分离了机械耗，铁 耗电阻从而不受它的影响，是这种方法的优势。上述两个文献只考虑了铁耗对系统的影 响。 文献 4 5 1 、 4 6 1 在数学模型中定义了机械耗转矩、杂散损耗系数和铁耗电阻，提出了 最佳效率控制算法和实施方案。然后实现了基于改进的数学模型的矢量控制策略。理论 分析和实验结果证明，该方法是有效的，具有较为明显的节能效果。 4 一 沈阳工业大学博士学位论文 在最后、i 。电流的实时计算公式中含有定子电阻，交、直轴电感等电机参数。上 述参数在电机运行过程中随磁路饱和、电机温升、负载变化而不断变化，这样带来新的 研究问题。文献 4 7 中详细研究了表面式永磁同步电动机驱动系统的损耗最小问题，提 出了一种基于减弱气隙磁通且不需要电动机参数的方法。文章首先根据表面式永磁同步 电动机的相量图导出了各种物理量的关系方程；然后通过分析各种主要损耗推导出控制 系统的损耗最小公式；最后通过与传统的“屯= o 控制”试验比较，得出该控制方式 的效率要高于“= 0 控制”。 针对内置式永磁同步电动机，文献 4 8 】中提出了一种通过不断在线估计参数的方法 来提高系统的效率。文章中通过永磁同步电动机的状态方程来实际估计厶、。，然后 采用考虑磁路饱和的最大转矩电流轨迹来改进最大转矩电流轨迹控制方式。试验证明 该方法取得了一定的效果。该文献在估算厶、厶时，假定转子永磁体提供的磁通始终 不变，但是该磁通是随着电动机的工作状态变化的，这样会带来参数估计的误差。 从上述文献的分析可以得出：损耗模型适合做理论上的分析，但在实时控制中存在 很多缺点：计算量大，对电机参数依赖强。 ( 2 ) 搜索技术则不需要准确的函数表达式 4 9 - 5 ”，它以保持输出功率一定为前提，即 稳态时电机输出转矩和转速保持不变，不断调整励磁电流分量，同时测量输入功率， 输入功率最小时，系统效率达到最佳点，对应的电流值即为最佳的励磁电流分量屯。 对于转子磁路不对称的永磁同步电动机，为了更好的利用磁阻转矩和消除电机参数 对控制策略的影响，通常在系统稳态时应用搜索方法进行效率优化，将直流母线的功率 作为优化的目标，通过实时调整直轴电流来实现效率最优的策略。通过在伺服唧】和电 动汽车用p m s m 5 3 1 的试验证明该策略达到了降低系统损耗的目的，能够实现系统效率 的全局最优。 搜索技术对初始值的选取有一定的要求，不恰当的初始值会带来搜索慢、收敛性差 的问题。且现在对永磁同步电动机应用方面的研究主要在要求高动态性能的伺服驱动系 统，该场合要求系统有高的动态性能，因此搜索技术在永磁电动机效率优化方面应用不 是很广泛。 5 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 ( 3 ) 混合优化算法，就是将模型参考算法和搜索算法相结合，克服各自的缺点，应 用前者确定后者的搜索初始值，通过搜索最终实现收敛。 损耗模型是以系统的数学模型为依据，因此具有较强的理论性。电机参数如能给定 或在线估计准确，将极大提高系统的性能。但在实时控制中存在很多缺点：计算量大， 对电机参数依赖强。如果以损耗模型计算初值，然后利用搜索算法收敛性好的特点来实 时提高系统性能。在比较梯度搜索、斜坡搜索、损耗模型和斜坡搜索结合方法的基础 上，文献e 5 4 3 提到第三种方法中如果能够粗略估计到参数，收敛速度最快。文献 5 5 在 分析感应电机最大效率控制技术基础上，结合损耗模型和搜索两种方法，提出了基于损 耗模型和黄金分割法的混合搜索方法。 1 2 4 定子电流波形控制的研究现状 对永磁同步电动机电磁转矩的控制就是控制定子电流矢量的幅值和相位，或者说控 制定子电流矢量与感应电动势矢量或与永磁励磁磁场间的相位差；同时控制永磁同步电 动机的相电流波形。由于永磁同步电动机永磁磁场波形不是纯粹的正弦波，含有较多谐 波，如电机馈以正弦波电压，则电流产生的转矩中谐波将非常丰富，而根据永磁磁场的 波形对供电电流进行优化，可极大地消除转矩谐波，得到优质的转矩。因此，电流波形 优化控制是另一种消除电机转矩谐波的控制方法d 6 - 5 9 1 。目前，对定子电流的控制策略有 很多种，但最常用的有滞环电流控制、预测电流控制、斜坡比较控制。 预测电流控制是在每个电流环的采样周期内，选择和计算逆变器电压矢量，利用这 些电压矢量强迫实际电流跟踪电流指令。该控制方法是根据预测定子电流矢量可能发生 的轨迹来控制定子电压矢量，控制策略复杂。预测电流控制的优点是具有恒定的逆变器 开关频率、稳态时保证端电压有很好的j 下弦性。但是由于计算的延迟，实际电流要滞后 参考电流一个以上的采样周期，且它不能像滞坏控制那样可以明确规定电流纹波的脉动 范围 6 0 6 3 1 。 斜坡比较控制时利用脉宽调制( p 州) 电流控制器来生成所需要的定子电流。该方 法首先将实际电流与参考电流比较，然后将得到的偏差与锯齿三角波比较，根据上述两 个偏差来确定逆变器的开关状态。斜坡电流控制与滞环电流控制相比具有逆变器丌关频 率可以预置的优点睇鲫。 一6 沈阳t 业大学博士学位论文 电流滞环控制是通过控制三相绕组供电电压的转换，来迫使实际电流跟踪参考电 流，令实际电流波形尽量逼近j 下弦。这种控制方式，从理论上讲可以使实际电流实时跟 踪参考电流，因此不存在延迟或滞后的问题：且由于实施起来比较简单，目前获得了广 泛应用 6 6 7 0 l 。因此出现了以下结合滞环电流控制新控制策略。 由于容易实现、响应快速以及具有内在的脉冲电流限制功能的优势，滞环电流控制 被认为是一种最简单的电流控制方法。斜坡比较电流控制方法具有固定的开关频率、良 好的谐波抑制功能等优点。为了充分利用这两种控制方式的优点，文献 7 1 提出一种基 于滞环电流控制和斜坡比较控制的混合电流控制方法。 基于静止坐标系的数字电流控制器具有容易实现的特点，但是当采用p i 调节器时 就具有些不可避免的缺陷，如稳态误差、相位延迟。通过应用准确解耦的控制输入 量，如反电动势，可以提高控制性能，从而实现像同步p i 解耦控制器一样理想的稳态 控制特性m 】。 文献c 7 3 应用模糊逻辑电流控制的p 嘲逆变器获得永磁同步电动机预定的输出转 矩、定子相电流和定子磁链。文章首先在m a t l a b - - s i m u l i n k 软件中建立了描述电动机 动态性能的状态方程；然后将模糊p i 调节器和传统固定增益p i 控制器分别应用于永磁 同步电动机的定子相电流、定子磁链和转矩控制，最后的仿真结果试验证明前一种方法 具有较好的性能，上述方法只是仿真的结果。 电流滞环控制器需要克服开关频率不固定、输出p w m 电压波形不规则，三相电流偏 差都在滞环宽度内而造成的无法控制电动机转矩的情况。因此，需要采用一种有效的电 流波形优化控制方法来提高系统的性能，这是构建p m s m 驱动系统需要解决的重要问 题。 1 3 论文的主要工作 本文以高效、高功率因数的调速永磁同步电动机及其驱动系统的开发为背景，针对 风机、泵类负载的特点，从优化电动机的设计、提高电动机及其驱动系统的运行效率出 发，先分析通用变频器的问题及提高其性能的措施，然后在小功率样机上研究效率优化 算法和专用驱动系统，最后完成专用电动机设计方面的工作并进行试验验证。论文包括 以下主要内容： 。 7 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 ( 1 ) 通用变频器的问题及提高其性能的措旖 分析通用变频器驱动永磁同步电动机时出现的问题，找出产生上述问题的原因。针 对通用变频器两侧波形差，谐波多，与永磁同步电动机不匹配的问题，采取有效措施来 提高系统性能。 ( 2 ) 调速高效p m s m 系统效率优化技术方面的研究 通过对调速p m s m 系统的效率优化问题的研究和输入功率最小效率优化方法原理的 分析，找出适合于泵类负载的效率优化控制策略。 在上述理论研究基础上，开发提高调速高效永磁同步电动机运行效率的控制系统， 在小功率样机上进行相应试验来验证所提出效率优化策略的有效性。 ( 3 ) 调速高效p m s m 专用控制系统的实现 根据目自口调速系统性能的不足，对调速高效p m s m 系统的速度控制器和电流控制器 进行优化设计。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和c p l d 为核心，开发能够保证系统稳定、可靠运行 的数字化矢量控制系统，验证所提出控制方式的优越性。 ( 4 ) 调速高效p m s m 的电磁设计 由于电机转子磁路复杂多样，通过电磁场数值计算来分析空载漏磁系数及电机交、 直轴电感。确定调速高效永磁同步电动机的转子结构选择原则。运用电磁计算软件对调 速高效永磁同步电动机进行电磁设计。 ( 5 ) 调速高效p m s m 通风系统方面的设计 由于本系列电动机是在原有感应电动机的基础上进行改造的，转子截面面积基本不 变的。因此在进行通风结构设计过程中，对风扇的数量和位置、轴向通风孔的位罨及电 机温升分布方面进行分析。 ( 6 ) 样机的研制及性能测试 运用上述几个关键技术问题的研究，以首钢所配1 3 5 、2 0 0 、3 0 0 k w 4 极感应电动机 为对象，设计相应的变频调速永磁同步电动机。进行详细试验来验证样机的设计结果。 8 沈阳工业大学博士学位论文 第二章通用变频器的问题及改善其性能的措施 为了降低系统成本，2 0 0 、3 0 0 k w 样机采用通用变频器驱动。课题前期用通用变频 器驱动永磁同步电动机时出现了一些异常现象。本章首先分析出现的异常现象及原因， 然后在通用变频器方面采取措旌，提高系统性能，以取得优异的节能效果。 2 1 通用变频器驱动永磁同步电动机的问题及原因 通用变频器开环控制获取0 9 k w 、1 3k w 、7 5 k w 、l lk w 、2 2k w 、3 0 k w ( 表面 式) 、3 0k w ( 内置式) 功率等级的永磁同步电动机的工作特性时，出现了变频器输入 侧功率因数低、电动机运行异常等现象。 ( 1 ) 变频器输入侧的功率因数较低，导致输入侧的电流过大。这样即使变频器和 电动机拥有较高的效率，也会致使系统的输入功率过高。 ( 2 ) 0 9 k w 、1 3k w 永磁同步电动机出现运行到额定转速时突然失步；7 5 k w 超高 效永磁同步电动机出现效率降低，在变频器前后增加交直流电抗器后系统的性能有所改 善。7 5 k w 表面式与相同功率等级的变频调速感应电动机相比，电机效率在接近额定转 速时效率高于感应电动机，随转速和负载的下降两者差距逐渐缩小。3 0 k w ( 表面式) 出 现电动机空载温升过高过快，5 分钟内达到4 0 k ；3 0k w ( 内置式) 出现转子温升比定子 温升还高的异常现象，电机效率有所下降，有时还会失步。 这主要是由于永磁同步电动机与w 、，f 通用变频器各自的工作特点所决定的，两者 输入输出要求不匹配，以及系统处于开环运行造成的。具体原因分析如下。 2 1 1 通用变频器输出s p w m 正弦脉宽调制电压 w v f 通用变频器，即变压变频通用变频器，其三相输出是s p 州正弦脉宽调制电 压，包含有基波以及接近和高于调制频率的高次谐波电压，后者幅值小，一般只会增加 造成电机附加损耗。对电机来说，w 、，f 通用变频器输出的s p w m 正弦脉宽调制电压可近 似认为是一个基波电压源。实测的某通用变频器电流、电压频谱如图2 1 所示。 一9 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 1 2 1 0 8 6 4 2 o 1 兰 6 喜2 4 o 一生d 兰型堕! b 一= 9 5 型 24681 01 21 41 61 8 2 0 fh 澹8 a ) c u r r e n t ut h 于2 1 7 6 d f 9 7 6 0 - i ；i i 24681 0 1 21 41 61 8 2 0 f h 份8 b ) v o l t a g e 图2 13 0 0 0 r r a i n 、2 3 8 8 n m 时的电流、电压频谱 l 毽2 1o u t p u tc u r r e n t , v o l t a g ef r e q u e n c ys p e c t r u ma t3 0 0 0 r m i n 、2 3 8 8 n m 由于变频器输出电压可近似看作正弦电压，而绕组内合成电动势含有各种高次谐 波。运行时，绕组内电流显然非正弦，除基波外，还包含有一系列高次谐波。基波电流 产生的基波合成旋转磁动势与转子永磁磁场形成主电磁驱动转矩。各次高次谐波电流分 别产生各次的合成旋转磁动势，其旋转速度与转子的旋转速度及旋转方向可能都不一 样，与转子问有较高的相对旋转速度，在转子上产生涡流和磁滞损耗，即杂散铁耗，出 现转子温升比定子温升还高的现象。同时电机的效率有所下降，电机振动和噪声增加。 图2 2 为一台7 5 k wp m s m 在矢量控制下实测线电流波形及其频谱分析。 一1 0 一 # 嚣蠢 沈阳工业大学博士学位论文 a a嘞哉岛掣 ：2 ) 善霹b 1懒 1 5 警1 0 鼍5 飞 0 ，m = 2 1 2 3 5j 口= 9 7 7 2 。i 。if 1 1l ，一i 2468l o 1 2 1 41 61 82 0 fh 膳8 图2 27 5 k ，p 删实测线电流波形及频谱分析 f i g 2 2t h ef i n ec u r r e n tw a v e f o r ma n d i t sf r e q u e n c ys p e c t r u mo f a7 5 蛹p 蟠湖 2 1 2 永磁同步电动机反电动势波形非正弦 由于设计、制造工艺、部分磁路饱和、永磁材料磁性能不一致、充磁等各方面的原 因，造成永磁同步电动机转子永磁磁场空间分布非正弦，除基波磁场外，还包含有一系 列高次谐波磁场1 7 4 1 ，如图2 3 所示。转子旋转时，转子基波磁场和一系列高次谐波磁场 随转子一起旋转，在定子绕组中会感应出基波电动势和一系列高次谐波电动势。定子绕 组一般采用短距和分布绕组( 有时也采用分数槽绕组) ，以达到削弱谐波磁动势和电动 势的目的：但绕组内仍存在一系列高次谐波电动势，电机绕组内总电动势是非正弦的。 hh f 。 、： ： ： ：j ；1 f ir f 1 f _uk - z 4 辜； 2 5 2 0 1 5 蔫1 0 5 o 2468 1 01 21 4 1 6 1 82 0 f i | 弭b 丑) t h em a g n e t i cf i e l dw a v e f o l q l nb ) i h em a g n e t i cf i e l df r e q u e n c ys p e c t r u m 图2 3 磁场波形及频谱分布情况 f , g z 3t h em g n e t l c f i e l dw a v e f o r ma n df r e q u e n c ys p e c t r u m 2 1 3 通用变频器劬，厂曲线设置的限制 w 、，f 通用变频器一般都是为驱动三相感应电动机而设计的，在基频以下，除在低 速时适当补偿定子电阻压降外，基本上采用恒压频比控制。在实际应用中，一方面转矩 调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究 补偿曲线的选用往往凭用户经验，且可供选择的补偿曲线数量有限；另一方面，对于负 载转矩变化范围很大的系统，人为设定的某一确定的补偿曲线很难满足全范围的运行要 求【7 5 1 。由于设定的l f 曲线是恒定的，当负载冲击或起动时间设置太短会引起过电流。 并且采用开环的船方式时，由于电机非线性、谐波等多方面的影响，可能出现在某一 转速下，绕组内总电动势瞬时值与变频器输入电压不匹配，而失步。 2 2 通用变频器两侧功率因数的提高措施 变频器对电网来说属非线性负载，在投入电网运行时，会产生大量的谐波电流。谐 波电流注入电网会使电网受到“污染”，导致电能质量下降，即产生“电力公害”。大 量谐波电流的存在，使网侧电流波形发生严重畸变，网侧功率因数严重恶化。同时，变 频器输出电压和电流中的谐波含量增加了永磁同步电动机的损耗，降低了电机的效率和 功率因数。二者都造成能源浪费。因此，降低变频器输入和输出端的谐波电流含量，提 高整个系统的效率和功率因数，具有重要意义【7 6 7 1 。 2 2 1 交流电抗器的谐波抑制作用 ( 1 ) 变频器输入侧的主要问题是功率因数太低。导致功率因数低的主要原因是变频 器输入侧电流波形畸变，谐波成分多。图2 4 为实测的变频器输入侧电压波形，图2 5 为对应电压波形的频谱分析。图2 6 为实测的变频器输入侧电流波形，图2 7 为对应电 流波形的频谱分析。 图2 4 线电压波形 f i 鲁2 4l i n ev o l t a g ew a v e f o r m o 8 翠0 6 豪 0 w = 0 9 8 u a = 1 0 0 - 。 t h 一：1 一i ：_ 24 681 0 1 21 41 61 82 0 f # f 口 图2 5 线电压频谱分析 錾2 5f r e q u e n c ys p e c t r u mo f l i n ev o l t a g e 1 2 沈阳工业大学博士学位论文 6。： 晕4 0 蓠 0 24681 01 2 1 4 1 61 82 0 fh 晦b 图2 6 电流波形图2 7 电流频谱分析 n 啦6 c u r m n t w a v e f o r m 他2 7f r e q u e n c y s p e c t r u m o f c u r r e n t 由图2 4 图2 7 可以得出：在公用电网中，通常电压的波形畸变很小，波形畸变 率只有o 9 8 ，而电流波形的畸变则很大，达到7 9 0 9 。因此不考虑电压畸变，电压 波形为正弦波、电流波形为非正弦波。通用变频器输入侧功率因数的计算公式为： a = 詈= 三竺j ：；兰堕= ，ic o s 仍= y c o s 仍 ( z ) su ii “ 式中：p 有功功率； s 视在功率； u 正弦波电压有效值； ，畸变电流有效值； 1 其基波电流有效值； 吼基波电流有效值与电压的相位差。 v i 、| ia 对于二极管整流的情况，电压和基波电流同相，c o s 仍理论上为l ，所以总功率因 数仅与高次谐波的含量有关，即抑制谐波可提高功率因数。 ( 2 ) 谐波抑制措施 采用旋加交、直流电抗器的措施来提高系统的功率因数，图2 8 为变频器与电抗器 连接示意图。 1 3 调速高敛永磁同步电动机及其驱动系统的研究 图2 8 变频器与电抗器连接图 f 喀2 8j o i n td i a g r a mo f i n v e r t e ra n dr e a c t o r s 采用交流电抗器抑制谐波干扰的作用原理是补偿线路阻抗，增加电源阻抗，降低由 通用变频器产生的谐波分量，并能吸收浪涌电压和主电源的电压尖峰。因此，交流电抗 器既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流器产生的谐波电流对电网的污染。通常交流 电抗器的额定值以基于基波电流的谐波电流百分比给出的，如2 和4 阻抗交流电抗 器，这样当通用变频器以额定电流运行时，交流电抗器上将有2 或4 的电压降。 由图2 9 【碉可看出，当输入侧串接的交流电抗器即电源电抗较小时，奇次谐波成分 很大。随着电源电抗增大，基波基本不变，但，l ，逐渐减小。当电源电抗为3 时，总