永磁同步电机最大转矩电流比控制

导师：梁晖 北京交通大学 2 0 1 0 年1 2 月 户 0 弋 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 兽哗 签字日期：加，年3 月乒日司旧 饧峰 徐 _ _ 铱 年 堑 叫 者 参 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 蠢 永磁同步电机最大转矩电流比控制 T h eM a x i m u m T o r q u ep e rA m p e r eC o n t r o lo f P 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 e 作者姓名：徐佳园 导师姓名：梁晖 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 0 4 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：电力电子与电力传动研究方向：风力发电变流技术 北京交通大学 2 0 1 0 年1 2 月 一、 I ， f 4 。 办 致谢 本论文是在我的导师梁晖副教授指导下完成的。梁老师扎实的理论基础和认 真的科研态度在我学习中令我受益匪浅。两年多的学习生活，梁老师给予我莫大 的帮助，在此对梁老师表示衷心地感谢。 论文从开始的选题到后来的理论仿真与实验调试，甚至最后的论文修改梁老 师都给我提出了宝贵的建议和正确的指导。梁老师为人正直、学术严谨，尤其对 学生非常关心。梁老师不仅在专业上引领我们进入科学的殿堂，在生活中也帮助 我们树立起远大理想。在毕业之际，对梁老师的谆谆教导深表感激。 在研究生的学习生活以及科研活动中，实验室的刘纯金师姐、殷振环和石磊 师兄给予我很多指导和帮助。赵新、刘春海以及周倩同学和我经常一起分析问题、 解决问题，不仅在学习中共同进步，在生活中也得到了他们很多帮助，真诚地感 谢他们。邓雅和卢彦杰同学也对我论文的编写提出了很多改进的方法，在此向他 们表达我诚挚的谢意。感谢每一位老师，感谢每一位朋友，是你们给予我前进的 动力，是你们让我的生活变得多彩。 在我的学习生活中父母的爱让我更加感动，正是父母的理解与支持才使我能 安心完成学业。谢谢。 L 一 - 1 1 八 蠢q 一 中文摘要 中文摘要 摘要： 直驱式永磁同步风力发电机组是当今风力发电主要机型之一，因为其具有效 率高、制造方便、控制效果好的优点，逐渐成为人们研究的焦点。本文介绍了风 力发电的相关内容，总体介绍了直驱式风力发电机组和双馈式风力发电机组，重 点研究了直驱式永磁同步发电机的最大转矩电流比控制技术。 课题的研究基于永磁同步电机数学模型，对电机的结构与内部电磁关系进行 了推导与分析。永磁同步电机通常采用矢量控制的方法，利用坐标变换来简化电 机控制。 研究过程首先是基于仿真进行的，对永磁同步电机最大转矩电流比控制的相 关内容进行验证与分析，通过对永磁同步电机最大转矩电流比控制的研究，得出 了永磁同步电机在最大转矩电流比控制下的优点。在仿真中构建了永磁同步电机 最大转矩电流比控制的仿真模型和i d = O 控制仿真模型，验证了这两种控制方式的 性能。 利用实际的直流电动机拖动交流同步发电机方式搭建了交流同步发电机矢量 控制系统实验平台，通过对D S P 软件、硬件的设计，实现了对同步发电机的最大 转矩电流比的控制，证明了永磁同步发电机最大转矩电流比控制的可行性。 关键词：直驱式风力发电；永磁同步电机；矢量控制；最大转矩电流比控制 分类号：T M 6 1 4 J 入 f A B S T R A C T ： D i r e c td r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( P M S G ) w i n dt u r b i n ei so n eo f t o d a y Sm a i nt y p e so fw i n dt u r b i n e O na c c o u n to fi t sh i 曲e f f i c i e n c y , c o n v e n i e n tt o p r o d u c e ，g o o dc o n t r o le f f e c t , P M S Gg r a d u a l l y b e c o m et h ef o c u so f s t u d y T h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h er e l e v a n te l e m e n t so fw i n dp o w e r , p r o v i d e s g e n e r a l i n t r o d u c t i o no fd i r e c td r i v ew i n dt u r b i n ea n dd o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( D F I G ) w i n dt u r b i n e ，f o c u s e so nt h em a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r e ( M T P A ) c o n t r o lt e c h n o l o g y o ft h ed i r e c td r i v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r R e s e a r c hp r o j e c t sa l eb a s e do np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o rm o d e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t r u c t u r ea n di n t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cr e l m i o nW a sa n a l y z e d P e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ru s u a l l ya d o p t s v e c t o r c o n t r o l ， u s i n g c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt os i m p l i f yt h ec o n t r o lo ft h em a c h i n e F i r s t l y , t h es t u d yc a r r i e so u to nt h e b a s i so ft h es i m u l a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r T h e nt h ev e r i f i c a t i o na n da n a l y s i so fr e l e v a n tc o n t e n to ft h e m a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o ls t r a t e g yw a sg i v e n T h ea d v a n t a g eo ft h e m a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o ls t r a t e g 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 g e n e r a t o rC a nb eo b t a i n e db yt h er e s e a r c ho fm a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o l s t r a t e g 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 sg e n e r a t o r T h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d s s i m u l a t i o nm o d e l so fm a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fi d = Oo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n dv a l i d a t et h er e s p o n s e p e r f o r m a n c eo ft h et w oc o n t r o lm e t h o d s B yu s i n gD Cm o t o rt o d r i v et h es y n c h r o n o u sm a c h i n e ，e x p e r i m e n t p l a t f o r m o f s y n c h r o n o u sm a c h i n e Sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t T h r o u g ht h ed e s i g no fD S P s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，m a x i m u mt o r q u e p e ra m p e r e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sf i n i s h e da n d W a sp r o v e dt ob ef e a s i b l e K E Y W O R D S ：D i r e c t - d r i v eW i n dP o w e rG e n e r a t i o n ；P M S M ；V e c t o rC o n t r o l ； M a x i m u m T o r q u eP e rA m p e r e C L A S S N o ：T M 6 14 V 户 ， 八 f 一 ， 目录 目录 中文摘要i i i A B S T R A C T v 1 引言一1 1 1中国风力发电的背景与现状分析。1 1 2主流风力发电机简介。3 1 2 1 风电机组分类3 1 2 2 直驱型风力发电机4 1 2 3 双馈型风力发电机6 1 3本文主要研究内容8 2 永磁同步电机及其控制9 2 1永磁同步电机发展与分类。9 2 2永磁同步电机坐标变换原理1 1 2 3永磁同步电机数学模型1 4 2 4永磁同步电机的控制技术1 8 2 4 1 矢量控制18 2 4 2 直接转矩控制19 3 永磁同步电机最大转矩电流比控制技术21 3 1永磁同步电机的空间矢量控制2 1 3 2零d 轴电流控制原理2 7 3 3最大转矩电流比控制原理2 8 4永磁同步电机系统仿真与分析3 1 4 1矢量控制原理的仿真3 1 4 2转矩与电流关系仿真3 3 4 3永磁同步电机零d 轴电流仿真3 4 4 3 1 电动机状态下的控制仿真3 5 4 3 2 发电机状态下的仿真3 6 4 4 永磁同步电机最大转矩电流比控制仿真3 8 4 4 1 电动机状态下的仿真3 9 4 4 2 发电机状态下的仿真。4 0 4 5 永磁同步电机两种控制方法仿真结果分析4 2 5实验设计与实验结果分析4 7 北京交通大学硕士学位论文 5 1实验硬件设计4 7 5 2实验软件设计51 5 3实验结果分析5 3 5 3 1 零d 轴电流控制实验波形5 3 5 3 2 最大转矩电流比( M T P A ) 控制实验波形5 5 5 3 3 实验波形分析5 6 5 3 4 实验总结5 8 6 结 仑6 l 参考文献6 3 附勇之A 6 5 附录B 。6 5 作者简历6 7 独创性声明6 5 学位论文数据集一6 7 、 八 f 产 引言 1 引言 人类利用风能的历史比较久远，风车使用的起源最早可以追溯到3 0 0 0 多年前， 那时候风车的主要用途是磨碎粮食和提水。当然，最早在海上航行的船只依靠的 最基本动力源是风能。利用风车发电的历史可以追溯到1 9 世纪晚期，美国的B r u s h 研究了一台1 2 K W 的直流风力机，丹麦的L a C o u r 也开展了有关风力机的研究工作。 然而，在2 0 世纪的大部分时间里，除了某些边远地区利用风能为蓄电池充电提供 电能外，人们对风能几乎别无他用I l J 。 但是随着世界能源不断地大量消耗，各国越来越多的研究人员将目光集中到 了新能源之上。尤其是在最近的几年里，风力发电发展得很快，而且已建成了许 多并网风力发电场。风力发电是新能源中最廉价、最有希望的绿色能源，伴随着 世界气候大会的闭幕，2 0 1 0 年全球将无可选择的全面步入低碳经济时代，这是人 类社会又一次重大进步。风力发电在近几年来成为了众多国家重点科学研究项目， 我国也在这方面投入了大量的人力与物力追赶世界风力发电水平的步伐。作为绿 色能源一支主要力量的风力发电，必将在今后若干年内成为能源开发舞台上的一 颗璀璨的明星。 1 1中国风力发电的背景与现状分析 自从上个世纪7 0 年代后期开始，中国才进入了现代风力发电技术的研究和开 发阶段。在这一阶段中，经过单机分散研制、重点项目攻关、以及风力发电实用 性推广、系列化和标准化等工作之后，才使中国的风力发电技术不论在科学研究 方面，还是在设计制造方面均有了很大的进步和提高，随着环保问题的日益突出， 温室气体的大量排放，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能 源的低碳发电方式，已越来越受到全世界各国人民的欢迎和重视。同时，风力发 电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。因此，近 几年来，中国的风力发电事业也取得了很快的发展【2 】。 发展和利用风能是国际的大趋势，风电产业已成为一个朝阳产业，中国幅员 辽阔，海岸线长，拥有丰富的风能资源，风力发电在电力结构中的份额会越来越 大。为此，必须大力提高我国风力发电设备制造能力，加速风力发电设备国产化 进程，建立自主知识产权的知名品牌，这方面我国虽然已经取得了一些成效，但 是我国地形条件复杂，风能资源的分布并不均匀，所以在不同条件下的风力发电 技术还仍需要提高，如高原型风力发电和海上风力发电等。2 0 1 0 年4 月1 日路透 北京交通大学硕士学位论文 社报道，丹麦行业咨询机构B T M 表示，尽管遭遇金融危机，但去年全球新增风电 装机容量达到创纪录的3 8 百万千瓦，而中国独占三分之一，成为第一大风电装机 市场，装机容量新增1 3 7 5 百万千瓦，创下纪录。而三家中国风力发电机组供应商 也跻身全球风力发电机组制造商前十名。该机构预测，全球风力发电装机总量预 计在未来五年增加两倍至4 4 7 百万千瓦，且可能在十年内扩大至近1 0 0 0 百万千瓦。 据中国风能资源评价报告测算，我国可开发的陆地风能资源大约为2 5 亿千瓦， 可利用的海洋风能资源大约为7 5 亿千瓦，共计约1 0 亿千瓦。 l 皿 逛 嚣 囊 1 7 i 81 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 搴2 0 0 62 0 0 7 2 0 0 9 年份 图1 1 中国风力发电总装机容量 F i g u r el 一1t h ec h a r to ft h et o r q u ea n d i sr e l a t i o n s h i p 图1 1 为1 9 9 7 2 0 0 9 年中国风力发电装机容量( 除台湾省) 。图中从1 9 9 7 年到 2 0 0 4 年，我国风电装机发展比较缓慢，但随着风力发电技术的不断提高，从2 0 0 5 年开始我国一些风电制造商以先发优势与规模优势迅速占领市场，装机容量明显 增加，之后在2 0 0 6 年主流装机容量为K W 级机组，2 0 0 8 年后以M W 级机组为主， 2 0 1 0 以后我国的风力发电开始向海上发展。连续五年装机容量基本上是翻倍增加， 到2 0 0 9 年已达2 5 0 0 多万千瓦。虽然我国风力发电发展迅猛，但是风力发电行业 目前仍然要面临着四大发展趋势：国产化率已较高、质量问题有待解决；风机大 型化趋势不改，技术壁垒短期难以跨越；陆上向海上发展，解决电力供需矛盾； 整机产能过剩，竞争中寻求出路。虽然我国风力发电面临的困难很多，但在装机 容量上已经仅欠于美国了。随着技术地不断发展，电网的优化，相信我国风力发 电在未来几年内会突破发展瓶颈，成为新能源发展中的主力军。 2 量 ， 八 况和控制技术也都在不断地更新。而这两方面决定着整个系统的性能和输出的电 能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频风力 发电技术和变速恒频风力发电技术。风力发电机与电网并联运行时，要求风力发 电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，控制发电机转速不 变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通 过其他方法来得到恒频电能【2 J 。 长期以来，风力发电机的极数保持不变的情况下，若要保证输出交流电的频 率和电网电压保持一致，则必须要求发电机在恒速恒频的条件下运行。而风速经 常变化导致风能的变化频繁，风能利用系数往往偏离最大值，输入到风机的功率 随着时间的变化而随机变化，因此，风机在大部分的时间里运行在吸收功率低于 可利用的最大功率的状态，换句话说不能以最优的功率曲线运行，这对风能造成 很大的浪费。 随着风电机组单机容量的增大，提高发电量和生产效益就变得越来越重要。 与此相比，恒频恒速的发电机组就不能够满足最大风能获取的要求了，因此，人 们提出了变速恒频的控制方式，以满足在各种风速下都能最大限度地获取风能。 变速恒频系统的发电机转速可在很大范围内变化而不影响其输出电压和频率，同 时可在很宽的风速范围内保持基本恒定的最佳叶尖速比，使风能最大限度地转换 为机械能提供给发电机，减少了机械应力，降低了桨距控制难度，风能利用率比 恒速风机高得多。为了实现变速恒频而提出了很多种方案，有的从发电机本身的 设计考虑，有的采用电力电子学方法。随着电力电子技术、微电子技术的迅速发 展，以电力电子器件构成的变流装置为主要特征的变速恒频技术已经成为主流。 当前研究最热门的两种机型便是直驱式永磁同步发电机和双馈异步发电机。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2 2 直驱型风力发电机 直驱型风力发电机组是一种最具优势的变速恒频控制方案之一【5 】【6 】。它的 状态与双馈电机不同：直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接 需升速齿轮箱，直接和发电机耦合。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流 经过整流之后变为直流电，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流 接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统的有功功率和无功功率进行控 实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。直驱式风力发电机组取消了沉重的增速 齿轮箱，齿轮箱是在目前M W 级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件， 具有增加机组的重量、产生噪音、需要定期维护以及增加损耗等缺点。由于机舱 安装在塔架顶部，给齿轮箱维护带来很大不便。直驱型风力发电机的定子为三相 绕组或多相绕组，转子为永磁或电励磁结构；直驱式风力发电机组发电机轴直接 连接到叶轮上，转子的转速随风速而改变，其交流的频率也随之变化，定子发出 非工频的电能，电压也随转速变化；由于直驱风力发电机是低速电机，低速就必 人 f 舌 广 引言 ( 1 ) 由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性； ( 2 ) 发电机与电网之间采用全功率交流器，发电机与电网之间的相互影响减 小； ( 3 ) 机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音； ( 4 ) 可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本； ( 5 ) 机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率； ( 6 ) 可以实现对电网有功、无功功率的灵活控制； ( 7 ) 由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。 虽然直接驱动与采用交一直一交变频器相结合的变速恒频方式有一定的优势， 但这种结构方式也有其缺点，缺点如下： ( 1 ) 采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，成本高。由于运输问题， 电机的直径不能超过4 m ，随着机组容量的增大，给电机设计、加工制造带来困难。 ( 2 ) 定子绕组绝缘等级要求较高。 ( 3 ) 采用全功率逆变装置，功率变换器设备投资大，增加控制系统成本。 ( 4 ) 由于结构简化，使机舱重心前倾，设计和控制上难度加大。 综合以上优缺点可以得出结论，采用直驱永磁发电机可进一步提高风力发电 的效益。电力电子器件的发展也为直驱式永磁风力发电机的发展开辟了道路，促 进了大型直驱发电机的研究和应用。直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机 是风力发电发展的趋势，其技术水平也将不断地提高。 图1 2 直驱型风力发电机结构示意图 F i g u r e1 - 2 d i r e c td r i v ew i n dt u r b i n es t r u c t u r e 5 1 2 3 现在 调速方式 它的定子 电机转子 是通过叶 速将其转 能并入电 励磁装置 速高于同 当发电机 双馈 转差功率 转子励磁 率独立调节，进而控制发电机组转速实现最大风能的跟踪和捕获运行。一个传统 的双馈式风力发电机组的组成通常包含三个主要部分：风轮、齿轮箱和发电机。 气 f 广 定子输出 电压，使其满足并网要求，实现安全快速的“柔性”并网操作。 ( 5 ) 需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小， 成本降低，投资减少。 双馈式发电系统缺点如下： ( 1 ) 双馈式风力发电机组低风速下的风轮机转速也很低，直接用风轮机带动 双馈电机转子将满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须引入齿轮箱升速后， 再同双馈发电机转子连接进行发电。然而齿轮箱成本很高，且易出现故障，需要 经常维护，可靠性差；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因 素。 ( 2 ) 当低负荷运行时，效率低。 ( 3 ) 电机转子绕组带有滑环、碳刷，增加维护和故障率。 ( 4 ) 控制系统结构复杂。 图1 3 双馈型风力发电机结构示意图 F i g u r e1 - 3 D F I Gw i n dt u r b i n es t r u c t u r e 7 北京交通大学硕士学位论文 1 3本文主要研究内容 本文主要研究的是永磁同步电机最大转矩电流比控制，分别对永磁同步电动 机和永磁同步发电机的最大转矩电流比控制进行了研究。主要介绍了应用于直驱 式风力发电机中的永磁同步发电机。在整个论文完成过程中不仅对前人在该领域 研究的内容做了总结，而且在研究过程中提出新的方法解决了研究过程中所遇到 的问题。论文内容比较充实完整，从风力发电的背景开始，到永磁同步电机理论 基础的研究，再到实验设计、仿真、实验台实际控制，最后对实验波形加以分析， 得出了较为明确的分析结论。全文的内容主要分以下几个方面： 第一章是引言部分，主要叙述了风力发电技术发展的背景、趋势和当今风力 发电技术相关内容。介绍了当今两种主流风力发电技术，直驱式风力发电技术和 双馈式风力发电技术。 第二章主要讲述了永磁同步电机的发展与特点，介绍了坐标变换相关理论， 通过分析永磁同步电机的结构特点，理解永磁同步电机的等效电路，建立了永磁 、 永磁同步电机及其控制 2 永磁同步电机及其控制 本章介绍了永磁同步电机的分类、结构、等效电路以及坐标变换等基本知识 和电机基本控制方法。 2 1永磁同步电机发展与分类 ， 永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，永磁同步电机的转子磁场是由 预先充磁的永久磁钢所产生，目前永磁同步电机中多采用高磁能积的稀土永磁材 料，如稀土钴、钕铁硼等。电枢绕组与普通的交流电机基本相同，定子旋转磁场 可由对称的定子三相绕组产生。永磁同步电机具有重量轻、体积小、效率高、运 行可靠等优点，在许多情况下可以实现无刷化。为满足工程应用的需要，永磁同 步电机正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化方向发展。随着永磁材料性能 的不断提高和完善，特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性的改进和价格的逐步下 降，永磁同步电机不仅会在电动方面有更好的性能，而且在直驱式风力发电中会 更加广泛应用p j 。 同步电机的转子结构与异步电机转子结构是不同的，可以分两种形式，即凸 极式和隐极式。凸极式有明显的磁极，如图2 1 所示，定子与转子之间的气隙是不 均匀的，因此，其磁路与转子的位置有关。这种电机结构上比较简单、力矩大， 但机械强度低，适用于极数比较多的情况，一般用于低速场合。主要应用于水轮 发电机和风力发电机等。隐极式无明显的磁极如图2 2 所示，磁路基本上与转子的 位置无关，火电厂基本都是应用这种型式的电励磁同步发电机。许多生产厂家将转 子结构为隐极式的电机也生产的带有凸极效应，这样使上述两种电机的优点和二 为一【1 0 1 。 图2 - I 凸极永磁同步电机 F i g u r e2 1S a l i e n t - p o l eP M S G 9 图2 - 2 隐极永磁同步电机 F i g u r e2 - 2n o n s a l i e n tp o l eP M S G 北京交通大学硕士学位论文 凸极式转子圆周上安装有若干对凸出的磁极，每个磁极铁心上套有励磁线圈， 各极的励磁线圈按一定的方式连接起来，构成励磁绕组。凸极式转子的特点是转 子与定子之间的气隙不均匀。隐极式转子的轴和铁心为一铸钢加工而成的统一体， 是圆柱体。隐极式转子的特点是转子和定子之间的气隙均匀。永磁同步电机由定 子和转子两大部分组成，其基本结构如图2 - 3 所示。 图2 3 一对极的永磁同步电机结构示意图 F i g u r e2 3 O n e p a i ro fp o l e sP M S Gs t r u c t u r ed i a g r a m 永磁同步电机的转子结构与电励磁同步电机转子结构是不同的，它由特定形 状的永磁体来构成转子。永磁体自身可以产生磁链，在转子旋转时产生感应电动 势，与普通的电励磁转子励磁后产生感应电动势相似。 永磁同步电机特点如下： ( 1 ) 转子无需励磁。 永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保 持同步运行，调速范围宽。 ( 2 ) 结构简单、可靠性高。 永磁电机省去了励磁式电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单， 避免了励磁式电磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提 高。 ( 3 ) 体积小、重量轻，中、低速发电性能好。 转子永磁体结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑。永磁转子 结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，功率、体积之比例达到 一个很高的值。 ( 4 ) 无需外加励磁电源，特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作。 ( 6 ) 没有无线电干扰。永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环 磨擦产生的无线电干扰；消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境 下工作，也降低了发电机对环境温度的要求。 1 0 、 f ， 坐标变换【l l 】从数学角度上讲就是将原来的一组变量用一组新的变量来代替， 新老变量之间有单值的对应关系。这里的数学变换是有其物理意义的，所以选择 变换时应遵守下述原则： ( 1 ) 磁势等效原则。电机是通过气隙磁场传递能量的，为使变换前后电机的 能量关系不变，坐标变换应保证变换前后产生的磁势是相同的。 ( 2 ) 功率不变原则。这可以使变换前和变换后计算的功率、转矩等有同样的 值。 ( 3 ) 使对电流和电压进行坐标变换的变换矩阵相同。这可以带来坐标变换使 用上的方便。 需要指出的是，坐标变换有多种形式，这些原则也并非必须遵守，用哪一种 变换完全取决于使用者的习惯。 永磁同步发电机的定子中有三相绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，且彼此间互差 1 2 0 0 的空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。 为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即a 、卢坐标系，其a 轴与a 轴重合， 卢轴超前a 轴9 0 。如果在a 、轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也 会产生一个旋转磁场，其效果与三相绕组产生的一样。因此可以由两相坐标系代 替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的，由于这种变换是建立在 相对于定子绕组静止的坐标轴上，而没有引入旋转运动坐标系统，因此是一种三 相到两相的静止坐标变换，通常称它为C l a r k e 变换或3 s 2 s 变换。 利用这一变换就可以用一个两相电机代替一个对称三相电机，图2 4 为对称三 相坐标系向正交两相坐标系的变换。 b 图2 - 4a b e 坐标系与筇坐标系 F i g u r e2 - 4a b ef r a m ea n da pf r a m e 北京交通大学硕士学位论文 根据磁势等效的原则，可得： N ：i a = 3 ( c o s 等m 。s 争 嘲= 龇s i n 等蝴i n 争 睁蹁- 1 2 2 懿- 1 2 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 图2 - 4 中的中线电流屯= 屯+ f 6 + 。为了对式( 2 3 ) 中的变换矩阵求逆，7 1 入一个零序电流i o 。可以认为i o 是与口、轴正交的零轴上的电流，对于合成磁势 没有贡献。令j o = 历兀，并将其与式( 2 3 ) 合并，得 一1 2 压2 ， 式( 2 4 ) 阪AL 2 - 4 ，削，义挟圮阡刀乙，见，艾伏胆硼 匕圳午I ，又口J 又耿，尔火u ，倒儿。 应为正交矩阵，据此可以求出m 和，即 c ，c ：肌2 至鬈- 1 ，2 2 二誓2 2 二：1 ；主二蒡0 左； = 聊2 3 三0 2 3 7 0 2 3 三： = 式( 2 5 ， 【， ， r l 2 一压2r JL r 2 J 芝 = 店 ( 岩；主- 岩左 差 式( 2 6 ， 芝=到L一-ol22一xg3，22i绉4 式( 2 - 7 ， 这一变换同样适用于电压、磁链的变换。 下面是口、夕两相静止坐标系与d 、g 两相旋转坐标系之间的变换，简称为2 s 2 r 变换。图2 - 5 所示d 、g 两相旋转坐标系以角速度逆时针旋转，与纵两相静 止坐标系之间的相位角为c a t 。 1 2 一、 r-j k0 。L1j 2 2 压， 一 1 O 厂 m | I 1J 0冶b F i g u r e2 - 5d qf r a m ea n d 筇f r a m e 根据变换的磁势等效原则，变换后的口、轴的两相电机和d 、q 轴的两相电 机产生的磁势应该是相同的。如果这两个电机每相绕组的匝数都相等，就可以消 去匝数，直接用电流来表示磁势。根据两个电机产生的磁势相等的道理，借助于 图2 5 可以得到两坐标系之间的电流的关系为： 式( 2 8 ) 上式的变换通常称为p a r k 变换或2 s 2 r 变换，其中变换矩阵为一个正交矩阵， 同时满足坐标变换的三原则，因此可知式( 2 8 ) 的反变换为： 式( 2 9 ) 这一变换同样适用于电压、磁链的变换。例如，当平衡的三相正弦电压为： 式( 2 1 0 ) 将其利用式( 2 6 ) 的变换关系，即变换到口、两相静止坐标系上，可得 隧= 再将式( 2 1 1 ) 应用式( 2 9 ) 的变换关系，即将其变换到与。同步旋转的d 、q 坐标系，可得： 0 竺 一 C 耐 耐 = k 0 k 耐 耐 m 宝三 C 一 = b- O 0 2 2 一 + f J 。 叫也他 O 0 O 肿 册 雕 = = = “ “ “ 北京交通大学硕士学位论文 式( 2 1 2 ) 由此可见，三相静止坐标系上的正弦变量变换到与其角速度同步的旋转坐标 系上时表现为直流量。 2 3永磁同步电机数学模型 数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能，是被描述系统的近 似模拟。永磁同步电机的数学模型是认识、分析电机运动规律和各变量间因果或 定量关系重要内容，是对永磁同步电机进行控制的理论基础。永磁同步电机的定 子与普通励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组。通常按照电动机惯例规定 各物理量的正方向【1 2 1 。实际运用中的永磁同步电机由于铁心饱和以及诸如极靴和 附加气隙的磁滞损耗，合成漏磁导和漏磁系数为变量，使得电机运行时各矢量的 分析复杂。在本文中，为推导永磁同步电机d 、q 轴系下的数学模型，首先假设： 1 1 忽略电机铁心的饱和； 2 1 不计电机中的涡流和磁滞损耗； 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； 4 ) 不考虑电机运行时的外界条件诸如温度之类对永磁体磁链的影响，认为永磁 体工作时的磁链为一常数，且转子旋转时永磁体产生的感应电动势是正弦。 首先在定子坐标系下定子电压包括两个方面，一是定子上电阻的损耗压降， 二是定子磁链的变化率。 “；：R ，p 华 式( 2 1 3 ) 。 口f 上标为s 的变量是在定子坐标系下的变量，经过定子坐标系到转子坐标系变换 后将省略转子变量的上标。 而定子磁链包括自感产生的磁链和永磁转子所产生的磁链，永磁转子产生 的磁链是由转子本身磁性与永磁转子与定子绕组的角度决定的，所以有如下关系： 锘= 4 ；+ 缈，P 脾 式( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 代入到式( 2 1 3 ) 可以得到以下关系式： 咖冠+ 牮t - j c o , 妒y e j a 式( 2 - 1 5 ) 1 4 移 、 薹 、 唇 叫V O l I I I 甜 “ ，【 广 永磁同步电机及其控制 现将定子坐标系下的电压、 流表达式为： U ，= u ；e j o , = q e j a , 电流变换到转子坐标系下可得转子电压、转子电 因为警乎叫碱P 哪盯修学口fa f 所以有P一孵塑=Td(L,qe-j一,)dt + ，q 谚脾 绒 。一 将式( 2 1 6 ) 与式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 9 ) 得 P j e , 丁d ( L , q ) ：掣+ j q 丘 d td t I 现在所式( 2 1 5 ) 两边乘以e - J O , ，可得转子坐标系下的定子电压为： 驴足+ 挈坍( t 之训 在转子坐标系下将定子电压与定子电流写成如下形式： U s = U d + j U q i s = i d 七j i q 将式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 1 ) ，可得实部与实部相等， 相等，这样就得到在转子参考坐标系d 、q 轴下的电压方程为1 4 】： 圹耽+ 誓一纹 = 足+ 誓+ 纺皱 磁链方程为： 9 d = L 乒d + 9 f 9 q = L q i q 稳态下电压： 扰d = R 。一L 9 国。 U q2R s i q + L d i a C o e 七印f 稳态时忽略电阻可计算出功率为： 式( 2 1 6 ) 式( 2 1 7 ) 式( 2 1 8 ) 式( 2 1 9 ) 式( 2 2 0 ) 式( 2 2 1 ) 式( 2 2 3 ) 虚部与虚部 式( 2 2 4 ) 式( 2 2 5 ) 式( 2 2 6 ) 式( 2 2 7 ) 式( 2 2 8 ) 式( 2 2 9 ) h i n e 式( 式( 式( ，I 图2 - 7 同步电机q 轴等效电路 F i g u r e2 - 7q - a x i se q u i v a l e n tc i r c u i to fs y n c h r o n o u sm a c h i n e 取永磁体基波励磁磁场轴线为d 轴( 直轴) ，沿着转子旋转方向逆时针超前d 轴9 0 。电角度为q 轴( 交轴) ，d 、q 轴坐标系以电角速度。随同转子一起旋转【1 3 1 如图2 8 所示。 a 图2 - 8 永磁同步电机转子磁场定向 F i g u r e2 - 8P M S M r o t o rf l u xo r i e n t e d 由式( 2 3 2 ) 可以看出，永磁同步电机输出转矩中含有两个分量，第一项是定 子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩，称为励磁转矩。第二项是由 转子不对称所造成的磁阻转矩。不论如何可以看出，电机的电磁转矩取决于电机 的正交定、转子电流。即可以通过对电机的正交电流的控制来实现对电机的控制， 此即为矢量控制方法的实质。 当永磁磁极旋转，转子位置角p 随时间变化时，转子永磁磁场是一个幅值恒定 不变、随转子永磁磁极位置变化的圆形旋转磁场，旋转磁场在空间的转速等于转 子转速。对每一相定子电枢绕组来说，旋转的圆形旋转磁场会在绕组中感应电势， 称为运动电势。由于圆形旋转磁场对于空间任意一点确定的口位置仍然表现为脉 动的磁场，而且任意时刻圆形旋转磁场的空间分布仍然具有正弦规律，对于每一 1 7 北京交通大学硕士学位论文 相定子电枢来说，绕组轴线的空间位置角口确定的，转子圆形旋转磁场相当于是 两个正交的脉振磁场的叠加。 2 4 永磁同步电机的控制技术 2 4 1 矢量控制 矢量控制就是用静止坐标系所表示的电机矢量变换到以气隙磁场或转子磁场 定向的坐标轴系。选用转子磁场定向方法，三相电流经过由三相静止坐标系到两 相静止坐标系，再由两相静止坐标系到两相旋转坐标系d 、q 轴的变换，并将d 轴 定在转子磁链的方向，则交流发电机就变成了由励磁电流分量妇和转矩电流分量 f q 分开控制的直流发电机。按照直流电机的控制方法，求得控制量后，再经过坐标 反变换，就能控制交流电机。1 9 7 1 年，由德国B l a s c h k e 等人首先提出了交流电机 的矢量变换控制理论，从理论上解决了交流电机转矩的高性能控制问题。其基本 思想是在三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐 标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量并 使两分量相互垂直，彼此相互独立然后再分别进行控制。这样交流电机的转矩控 制，从原理上和直流电机功能相似，就可以采用直流电机的控制思想来控制。因 此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间相位( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制的性能，而最终实施要落实到对定子电 流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便， 为此需借助于坐标变换。使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，在同 步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步标系上 的各空间矢量就变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控 矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制时所需要的被控矢量的指令值 直流控制量。按指令值实时控制，就能达到直流电动机的控制性能由于这些 直流控制量在物理