永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制.ppt

永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制 电气工程王俊鹏 永磁同步电机结构和工作原理 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的控制方式 PMSM的转子磁场定向矢量控制 总结 永磁同步电机的优势与应用 1 永磁同步电机的结构和工作原理1 1永磁同步电机 PermanentMagneticSynchronousMachine 的结构 1 永磁同步电机的结构主要包括定子 转子及测量转子位置的传感器 2 定子采用三相对称绕组结构 它们的轴线在空间彼此相差120度 3 转子上贴有磁性体 一般有两对以上的磁极 4 位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 图1 1定子三相对称绕组结构 1 2永磁同步电机的工作原理 当电机对称三相绕组接通对称三相电源后 流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场 其转速为 式中f 电源频率 p 定子极对数 转子为永磁体且n与ns相同 同步 磁场的转速正比于电源频率 反比于定子的极对数 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序 由于电磁感应作用 闭合的转子导体内将产生感应电流 这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩 从而使转子 永磁体 跟着 定子磁场旋转起来 其转速为n 如果能改变定子三相电源的频率和相位 就可以改变转子的速度和位置 为了使得永磁同步电动机具有正弦波感应电动势波形 其转子磁钢形状呈抛物线状 使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布 定子电枢采用短距分布式绕组 能最大限度地消除谐波磁动势 图1 2旋转磁动势波形图 2 永磁同步电机的优势与应用 2 1永磁同步电动机的优势我国电动机保有量大 消耗电能大 设备老化 效率较低 永磁同步电动机 PMSM 具有体积小 效率高 功率因数高 起动力矩大 力能指标好 温升低等特点 永磁同步电机相比交流异步电机优势 1 效率高 更加省电 由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的 从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗 永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机 其在轻载时效率值要高很多 这是永磁同步电机在节能方面 相比异步电机最大的一个优势 由于永磁同步电机功率因数高 这样相比异步电机其电机电流更小 相应地电机的定子铜耗更小 效率也更高 永磁电机参数 不受电机极数的影响 因此便于设计成多极电机 这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机 可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统 从而省去了减速箱 提高了传动效率 2 电机结构简单灵活 由于异步电机转子上需要安装导条 端环或转子绕组 大大限制了异步电机结构的灵活性 而永磁同步电机转子结构设计更为灵活 如对铁路牵引电机 可以将电机转子的磁钢可直接安装在机车轮对的转轴上 从而省去了减速齿轮箱 结构大为简化 由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制 便于实现电机直接驱动负载 省去噪音大 故障率高的减速箱 增加了机械传动系统设计的灵活性 3 可靠性高 从电机本体来对比 永磁同步变频调速电机与异步电机的可靠性相当 但由于永磁同步电机结构的灵活性 便于实现直接驱动负载 省去可靠性不高的减速箱 在某些负载条件下甚至可以将电机设计在其驱动装置的内部 从而可以省去传统电机故障率高的轴承 大大提高了传动系统的可靠性 4 体积小 功率密度大 永磁同步变频调速电机体积小 功率密度大的优势 集中体现在驱动低速大扭矩的负载时 一个是电机的极数的增多 电机体积可以缩小 电机效率的增高 相应地损耗降低 电机温升减小 则在采用相同绝缘等级的情况下 电机的体积可以设计的更小 电机结构的灵活性 可以省去电机内许多无效部分 如绕组端部 转子端环等 相应体积可以更小 5 起动力矩大 噪音小 温升低 永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态 低频时的输出力矩较异步电机大 运行时的噪音小 转子无电阻损耗 定子绕组几乎不存在无功电流 因而电机温升低 同体积 同重量的永磁电机功率可提高30 左右 同功率容量的永磁电机体积 重量 所用材料可减少30 2 2永磁同步电机的应用案例 基于永磁同步电机上述众多优势 特别在目前国家 节能减排 的大背景下 其应用前景极为广阔 随着永磁体及永磁同步电机控制技术的日益成熟可靠 其应用范围基本上可以覆盖目前应用电机所有领域 电梯领域永磁同步电机产生较小的谐波噪声 应用于电梯系统中 可以带来更佳的舒适感 电动汽车伴随汽车工业的急速发展 环保问题也越来越严重 为了解决上述问题 并且大幅改善燃油经济型 毫无疑问就是使用电动汽车 永磁同步电机以其高效率 高功率因数和高功率密度等优点 正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一 轨道交通领域2007年 阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速AGV列车 V150 创下列车速度世界新纪录574 8km h 2015年6月24日 历时11年 累计1000万次试验 积累150G数据 耗资1亿元 中国中车旗下株洲电力机车研究所有限公司攻克了第三代轨道交通牵引技术 即永磁同步电机牵引系统 掌握完全自主知识产权 成为中国高铁制胜市场的一大战略利器 家电行业领域由于永磁电机在低运转时效率极高 可以有效的降低频繁启动的损耗 是实现家电节能的较佳技术途径之一 船舶电力推进领域推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分 永磁同步推进电机具有体积小 重量轻 效率高 噪声低 易于实现集中遥控 可靠性高 可维护性好等优点 是船舶推进电机的理想选择 3 永磁同步电机的数学模型 3 1在静止坐标系下的数学模型电机的数学模型中含有时变参数 给分析和计算带来困难 为了简化永磁同步电机的数学模型 首先对电机做如下假设 1 忽略铁心饱和 2 忽略电机绕组漏感 3 转子上没有阻尼绕组 4 永磁材料的电导率为零 5 不计涡流和磁滞损耗 6 定子相绕组的感应电动势波为正弦型的 定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势 忽略磁场的高次谐波 永磁同步电机的定子与普通电励磁同步电机的定子一样有三相对称绕组 转子上安装有永磁体 定子和转子通过气隙磁场存在电磁耦合关系 永磁同步电机的定子磁链是由定子三相绕组电流和转子永磁极产生 定子三相绕组电流产生的磁链与转子位置角有关 转子永磁极产生的磁链也与转子位置有关 转子永磁极在每相绕组中产生反电势 三相永磁同步电机在定子静止三相坐标系下的磁链方程为 式中 A B C Psi 定子三相绕组磁链 LAA LBB LCC 定子三相绕组自感系数 MXT 定子绕组和绕组的互感系数 f 永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链 定子绕组的自感系数LAA LBB LCC和互感系数MXT均为 的函数 且互感系数满足关系MAB MBA MBC MCB MCA MAC 三相永磁同步电机在定子静止三相坐标系下的电压方程为 式中 uA uB uC 定子相电压 r 定子绕组每相电阻 iA iB iC 定子相电流 由永磁同步电机的电磁关系可知 其磁链方程和电压方程是一组变系数微分方程 微分方程的系数随着定转子的相对位置变化而变化 是时间的函数 3 2PMSM在dq0坐标系下的数学模型二十世纪年代 由采用坐标变换将同步电机定子坐标系下的各个变量等效变换为转子坐标系下的变量 消除了同步电机数学模型中的时变系数 建立了著名的Park方程 从而为研究和分析永磁同步电机提供了理论基础 转子磁场定向控制实际上是将dq0同步旋转坐标系放在转子上随转子同步旋转 其d轴与转子的磁场方向重合 定向 q轴逆时针超前d轴90o电角度如图所示定子ABC坐标系与转子dq0坐标系的关系 图3 1定子坐标系与转子坐标系的关系 ABC坐标系与转子dq0坐标系互换关系如 上述变换关系同样适用于电流和磁链变量变换 对于平衡系统 若两参考坐标系间的输入功率满足下述条件 即变换结果 两个参考坐标的总功率不变 则由参考坐标计算所得的电磁转矩 就是电动机的实际转矩 在前述假设条件下 进行坐标变换 则可以得到在坐标系下的数学模型 其中磁链 电压 电磁转矩和机械运动方程如下 磁链方程电压方程电磁转矩方程机械运动方程上述方程中 Ld Lq 永磁同步电机定子绕组的直 交轴主电感 id iq 分别为定子电流矢量的直 交轴分量 p d dt 微分算子 电角频率 最终得到 4 永磁同步电机的控制方式 永磁同步电机是强耦合 时变的非线性系统 其控制策略也比较复杂 其控制性能同所采用的控制策略有直接的关系 目前针对永磁同步电机的控制策略主要有转速开环恒压频比 V f为常数 控制 矢量控制 直接转矩控制 自适应控制 滑模变结构控制和智能控制等 各有优缺点 根据实际的需要 可以选择不同的方式来控制电机 1 转速开环恒压频比 V f 控制开环恒压频比控制保证输出电压跟频率成正比的控制这样可以使电动机的磁通保持一定 避免弱磁和磁饱和现象的产生 永磁同步电机调速的关键是对其转矩进行控制 开环恒压频比控制只是控制了电机的气隙磁通 而不能动态调节其转矩 所以实际控制性能较差 且负载和速度指令不能突然变化 否则容易造成永磁同步电动的失步 使电动机停止运转 甚至会出现永磁体失磁 损坏电动机 2 直接转矩控制直接转矩控制基本思想是通过控制定子磁链来实现转矩的直接控制 其特点是不使用坐标变换 不需要将交流电机与直流电机作比较 等效和转换 不需要为解耦而简化交流电机的数学模型 只是在定子坐标下分析交流电机的数学模型 强调对电机的转矩进行直接控制 其缺点是在低速和带负载方面性能较差 而且由于它对实时性要求高 计算量大 对控制系统微处理器的性能要求也较高 3 自适应控制在电机控制中 自适应控制包括模型参考自适应控制 参数辨识自校正控制和非线性自适应控制 自适应控制需要在线获得控制所需的有关模型和扰动的信息 并不断地在系统运行中分析这些信息 所以它对模型参数的依赖性较小 可以克服电机参数变化对控制精度的影响 其缺点是运算复杂 实时性较差 4 转子磁场定向矢量控制转子磁场定向的矢量控制方式是永磁同步电机使用较为广泛的一种控制方式其基本原理是通过坐标变换 在转子磁场定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制 使其具有和传统直流电动机相同的运行性能 矢量控制的提出是交流电机控制发展的一个里程碑 其基本思想是通过坐标变换 将定子三相绕组电流分解到以转子磁场定向的转子轴系上 分解得到电机的磁场电流和转矩电流 再对电机的磁场电流和转矩电流进行解祸控制 使其具有和传统直流电机同样优良的运行性能和调节性能 其缺点是对控制参数较敏感 需要复杂的坐标变换等不足 5 PMSM的矢量控制 由永磁同步电机在转子坐标系的转矩方程可知 转矩由两项组成 第一项是由三相旋转磁场和永磁磁场相互作用所产生的电磁转矩 与交轴电流iq成正比 第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩 它是由d q轴同步电感的不同造成的 且与d q轴电流的乘积成正比 对于嵌入式永磁同步电机 一般Lq Ld 对于凸装式转子结构的永磁同步电机 转子磁路对称Lq Ld 磁阻转矩为零 在转速为基速以下时 在定子电流给定情况下 控制id 0 可以更有效的产生转矩 可进一步简化为 因此当三相合成的电流矢量与d轴的夹角等于90 时可以获得最大转矩 此时 目前 在永磁交流伺服系统中 id 0矢量控制是主要的控制方式 实现的前提是准确地检测转子磁极空间位置d轴 通过控制逆变器功率开关器件导通关断 使定子合成电流位于q轴 此时轴定子电流分量为零 永磁同步电动机电磁转矩正比于转矩电流值 即正比于定子电流幅值 只需控制定子电流大小 就可以很好地控制永磁同步电动机的输出电磁转矩 实现矢量控制 然而转速在基速以上时 因为永久磁铁的励磁磁链为常数 电动机感应电动势随着电机转速成正比例增加 电动机感应电压也跟着提高 但是又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制 所以必须进行弱磁升速 通过控制id来控制磁链 通过控制iq来控制转速 实现矢量控制 下图是永磁同步电机的id 0的矢量控制原理框图 图5 1永磁同步电机的矢量控制原理框图 永磁同步电机矢量控制系统主要由下面几部分组成 1 转子磁极位置检测和速度计算模块 2 速度 电流调节器 3 坐标变换模块 4 SVPWM模块 5 整流和逆变模块 6 电流采样模块 PMSM矢量控制系统的控制过程为 1 速度指令信号与通过混合式光电编码器检测到的转子速度信号比较 经过速度控制器的调节输出iq指令信号 2 测得定子两相电流ia和ib 经过Clarke变换和Park变换后 便得到检测值id和iq 3 控制交直轴电流给定 把交直轴电流给定值分别与实际值相比较 然后分别经电流PI调节器 输出交直轴电压值ud和uq 再经过坐标变换 生成 轴系上的电压值u 和u 4 确定u 和u 的合成矢量位于空间电压矢量所围成的6个扇区中的哪一个扇区之内 并且计算该扇区