永磁同步電機(PMSM)畢業(yè)答辯攻略

1、整流電路整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。整流采用的器件主要有二極管和晶閘管，二極管在工作時無法控制其通斷，而晶閘管工作時可以通過控制脈沖來控制其通斷。根據(jù)工作時是否具有可控性，變頻器采用的整流電路主要有兩種：不可控整流電路和可控整流電路。本設(shè)計重點講述可控整流電路中的PWM整流電路PWM整流電路的功率因數(shù)很高，且工作時不會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此PWM整流電路在電子電力設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。PWM整流電路可分為電壓型和電流型，但廣泛應(yīng)用的主要是電壓型。電壓型PWM整流電路有單相和三相之分。圖2.4 三相全控橋式整流電路及有關(guān)信號波形在圖2.4中，6個晶閘管VS1VS6構(gòu)成三相全控橋式整流電路

2、。VS1VS3的3個陰極連接在一起，稱為共陰極組晶閘管；VS4VS6的3個陽極連接在一起，稱為共陽極組晶閘管，VS1VS6的G極與觸發(fā)電路連接，接受觸發(fā)電路送到的觸發(fā)脈沖的控制。 下面來分析電路在三相交流電一個周期(t1t7)內(nèi)的工作過程。 在t1t2期間，U相始終為正電壓(左負右正)，V相始終為負電壓(左正右負)，W相在前半段為正電壓，后半段為負電壓。在t1時刻觸發(fā)脈沖送到VS1、VS5的G極，VS1、VS5導(dǎo)通，有電流流過負載RL，電流的途徑是：U相繞組右端(電壓極性為正)a點VS1RLVS5b點V相繞組右端（電壓極性為負)。因VS1、VS5的導(dǎo)通，a、b兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電

3、壓的大小為Uac。 在t2t3期間，U相始終為正電壓(左負右正)，W相始終為負電壓(左正右負)，V相在前半段為負電壓，后半段為正電壓。在t2時刻，觸發(fā)脈沖送到VSl、VS6的G極，VSl、VS6導(dǎo)通，有電流流過負載RL，電流的途徑是：U相繞組右端(電壓極性為正)n點VS1RLVS6c點W相繞組右端(電壓極性為負)，因VS1、VS6的導(dǎo)通，a、c兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大小為Uac。 在t3t4期間,V相始終為正電壓(左負心正)，W相始終為負電壓(左正右負)，U相在前半段為正電壓，后半段變?yōu)樨撾妷骸Ｔ趖3時刻，觸發(fā)脈沖送到VS2、VS6的G極，VS2、VS6導(dǎo)通，有電流流過負載RL

4、，電流的途徑是；V相繞組右端(電壓極性為正) b點VS2RLVS6c點W相繞組右端(電壓極性為負)，因VS2、VS6的導(dǎo)通，b、c兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大小為Ubc。 在t4t5期間，V相始終為正電壓(左負有正)，U相始終為負電壓(左正右負)，W相在前半段為負電壓，后半段變?yōu)檎妷骸Ｔ趖4時刻，觸發(fā)脈沖送到VS2、VS4的G極，VS2、VS4導(dǎo)通，有電流流過負載RL電流的途徑是：V相繞組右端(電壓極性為正) b點VS2RLVS4a點U相繞組右端(電壓極性為負)，因VS2、VS4的導(dǎo)通，b、a兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大小為Uba。 在t5t6期間W相始終為正電壓(左

5、負右正)，U相始終為負電壓(左正右負)，V相在前半段為正電壓，后半段變?yōu)樨撾妷?。在t5時刻，觸發(fā)脈沖送到VS3、VS4的G極，VS3、VS4導(dǎo)通，有電流流過負載RL，電流的途徑是：W相繞組右端(電壓極性為正) c點VS3RLVS4a點U相繞組右端（電壓極性為負)，因VS3、VS4的導(dǎo)通，c、a兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大小為Uca。 在t6t7期間，W相始終為正電壓(左負右正)，V相始終為負電壓(左正右負)，U相往前半段為負電壓，后半段變?yōu)檎妷?。在t6時刻，觸發(fā)脈沖送到VS3、VS5的G極VS3、VS5導(dǎo)通，有電流流過負載RL，電流的造徑是：W相繞組右端(電壓特性為正) c點VS

6、3RLVS5b點V相繞組右端(電壓極性為負)，因VS3、VS5的導(dǎo)通，c、b兩點電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大小為Ucb。 在t7時刻以后，電路會重復(fù)t1t7期間的過程，在負載RL上可以得到圖2.8所示的脈動直流電壓UL。 在上面的電路分析中，將交流電壓一個周期(t1t7)分成6等價，每等價所占的相位角為60°，在任意一個60°相位角內(nèi)，始終有兩個晶間管處于導(dǎo)通狀態(tài)(個共陰極組晶閘管，一個共陽極組晶間管)，并且任意一個晶間管的導(dǎo)通角都是120°。另外，觸發(fā)脈沖不是同時加到6個晶閘管的G極，而是在觸發(fā)時刻將觸發(fā)脈沖同時送到需觸發(fā)的2個晶閘管G極。 2.3 三相

7、SPWM波的產(chǎn)生變頻器采用的逆變電路主要有方波逆變電路和SPWM波逆變電路。由于方波逆變器產(chǎn)生的是方波信號，其所含的諧波成分較多，會使電動機發(fā)熱且轉(zhuǎn)矩脈動大，在低速時影響轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。解決這個問題的方法有：一是采用多個方波逆變器組成多重方波逆變器，已接近正弦波的信號去驅(qū)動電動機；二是采用SPWM逆變器，產(chǎn)生與正弦波等效的SPWM波去驅(qū)動電動機。SPWM逆變器主電路的詳細工作過程如下：單極性SPWM波和雙極性SPWM波用來驅(qū)動單相電動機，三相SPWM波則用來驅(qū)動三相電動機。圖2.6是三相橋式PWM逆變電路，它可以產(chǎn)生三相SPWM波，圖中電容C1、C2容量相等，它將電壓分成相等的兩部分，為中點，C1、

8、C2兩端的電壓均為。(b)波形圖圖2.6 三相橋式PWM逆變電路產(chǎn)生三相SPWM波三相SPWM波的產(chǎn)生說明如下（以U相為例）：三相信號波電壓和載波電壓送到PWM控制電路，該電路產(chǎn)生PWM控制信號加到逆變電路各IGBT的柵極，控制它的通斷。當(dāng)>時,PWM控制信號使VT1導(dǎo)通、VT4關(guān)斷，U點通過VT1與正端直接連接，U點與中點之間的電壓。當(dāng)<時，PWM控制信號使VT1關(guān)斷、VT4導(dǎo)通，U點通過VT4與U點與中點之間的電壓。負載直接連接，U點與中點之間的電壓。電路工作的結(jié)果使U 、兩點之間得到脈沖電壓，在V、兩點之間得到脈沖電壓，在W、兩點之間得到脈沖電壓，在U、V兩點之間得到電壓為（

9、），實際上就是加到L1、L2兩繞組之間的電壓，從波形圖可以看出，它就是單極性SPWM波。同樣地，在U、W兩點之間得到電壓，它們都為單極性SPWM波。這里的就稱為三相SPWM波。PWM控制方式 PWM控制電路的功能是產(chǎn)生PWM控制信號去控制逆變電路，使之產(chǎn)生SPWM波提供給負載。為了使逆變電路產(chǎn)生的SPWM波合乎要求，通常的做法是將正弦波作為參考信號送給PWM控制電路，PWM控制電路對該信號處理后形成相應(yīng)的PWM控制信號去控制逆變電路，讓逆變電路產(chǎn)生與參考信號等效的SPWM波。根據(jù)PWM控制電路對參考信號處理方法的不同，可分為計算法、調(diào)制法和跟蹤控制法等。 交流永磁同步電機的啟動變頻器驅(qū)動交流永

10、磁同步電機時的啟動整步過程：在變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動前，先由勵磁裝置向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，然后變頻器再向同步電機的電樞繞組輸出適當(dāng)?shù)碾妷?，起動電機。同步電機與普通異步電機運行上主要的區(qū)別是同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。在電機起動之初，這二者的夾角是任意的，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼竭^程將這一夾角控制到一定的范圍之內(nèi)，然后電機進入穩(wěn)定的同步運行狀態(tài)。因此，起動整步問題是變頻器驅(qū)動同步電動機運行的關(guān)鍵問題 唐任遠，顧國彪，秦和，莫會成，沈梁偉，胡鑒清，黃國治.電機工程/中國電氣工程大典(第9卷)M.北京：中

11、國電力出版社,2008:586-591.。1）變頻器驅(qū)動同步電動機的起動整步過程主要分為以下幾個步驟:勵磁裝置投勵：勵磁系統(tǒng)向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場。變頻器向同步電機的電樞繞組施加一定的直流電壓，產(chǎn)生一定的定子電流。此時，在同步電機上產(chǎn)生一定的定子電流，并在定子上建立較強的磁場。轉(zhuǎn)子在定、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開始轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向可能與電機正常運行時的轉(zhuǎn)向相同，也可能相反。變頻器按照電機正常運行時的轉(zhuǎn)動方向，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著同步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動和定子磁場的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時刻

12、掠過定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。此時，電機的轉(zhuǎn)子磁極被較強的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經(jīng)過少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個較小的常量。至此，同步電機進入同步運行狀態(tài)，整步過程完成。變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和v/f曲線(即磁通給定)，調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機起動過程完成。2）在同步電西門子1FT7082-AF7型交流永伺服電動機第一次經(jīng)過轉(zhuǎn)子的異性磁極時，將其可靠吸牢，此后轉(zhuǎn)子經(jīng)過同性磁極間斥力的反向加速作用，在下一次經(jīng)過定子磁極時，二者將具有更大的相對

13、速度，定子磁場更加無法有效牽引轉(zhuǎn)子磁極，最終將導(dǎo)致起動整步失敗。選擇過大的定子磁場可能導(dǎo)致同步電機的定子鐵心飽和，進一步導(dǎo)致變頻器輸出過電流，電機起動失敗。較為典型的同步電機起動過程如圖2.8所示。圖2.8典型的同步電機起動過程3）變頻器驅(qū)動永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)運行是的勵磁調(diào)節(jié)由于變頻器驅(qū)動同步電機時使用無需安裝速度/位置傳感器的控制方法，而變頻器輸出波形為多電平pwm波形，與控制異步電機時的波形相同，因此在運行過程中，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉(zhuǎn)矩脈動，具有較高的可靠性。由于同步電機的無功電流僅在電機和變頻器間流動，不進入電網(wǎng)，因而無須對電機的勵磁電流進行精確的控制。一般可在電機運

14、行的典型工況下，手動調(diào)節(jié)其勵磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為1，然后在先調(diào)速運行過程中維持該電流不變即可。對于需要在運行時實時調(diào)整勵磁電流的工況，變頻器可以實測其輸出給同步電機的無功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調(diào)整勵磁電流。4.3 永磁同步電機磁場矢量控制的理論基礎(chǔ)1）永磁同步電機磁場定向矢量控制的基本原理圖4.2 永磁同步電機矢量圖矢量控制的思想源于對直流電機控制的嚴格模擬，通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏魇噶糠纸鉃閮蓚€分量：勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別加以控制，從而可獲得很好的解耦控制特性。矢量控制需要使用坐標變換來實現(xiàn)，如圖4.2所示。

15、其中包含從三相坐標系A(chǔ)-B-C到兩相坐標系的變換，從兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系d-q的變換，相關(guān)變換關(guān)系公式見第三章。根據(jù)矢量控制原理，在不同的應(yīng)用場合可選擇不同的磁鏈矢量作為定向坐標軸，按照定位的磁場矢量方向不同，目前存在四種磁場定向控制方式：轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制、定子磁鏈定向控制、氣隙磁鏈定向控制和阻尼磁鏈定向控制。對于PMSM主要采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式，該方式對小容量驅(qū)動場合特別適合。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原則，采用同轉(zhuǎn)子以相同電角速度旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系d-q，此時永磁同步電機等效模型見圖4-2所示。圖4.3 d-q坐標系下電機模型圖4.3中取逆時針方向為轉(zhuǎn)速的正方向。d-q坐標系隨定

16、子磁場同步旋轉(zhuǎn)，d軸固定在永磁體磁鏈方向上，沿轉(zhuǎn)速方向逆時針旋轉(zhuǎn)超前d軸90度電角度為q軸。為定子三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁場軸線與永磁體基波勵磁磁場軸線間的空間電角度，則 (4.8) (4.9) (4.10)由式(4-3)可以看出，永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個分量，第一項是由兩磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。對于隱極永磁同步電機，第二項為零，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，只存在電磁轉(zhuǎn)矩。即 (4.11)由于是不可調(diào)節(jié)的，因此矢量控制就是控制定子電流矢量的幅值和它相對的空間角度 (轉(zhuǎn)矩角)。控制時，向量與正交，我們將這種情況稱為“磁場定向”。此時每安培

17、定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大，即可獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比值，電動機銅耗也最小。顯然，這是一種很有吸引力的運行狀態(tài)。因此，永磁同步電機的磁場定向矢量控制就是要準確地檢測出轉(zhuǎn)子的空間位置(d軸)，通過控制逆變器使三相定子的合成電流位于q軸上，那么，永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，即控制定子電流的幅值就能較好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。圖4.4給出了轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)原理圖圖4.4 PMSM矢量控制的原理圖若使兩相d-q坐標系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進一步將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量來控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時，系統(tǒng)可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解

18、耦控制。圖4.4表明，這是一個電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過速度PI控制器計算得到定了電流、的參考輸入和。通過相電流檢測電路提取和，再使用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定了兩相坐標系中，然后使用Park變換，將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標系中，再將d-q坐標系中的電流信號與它們的和相比較，其中，通過PI控制器獲得理想的控制量?？刂菩盘栐偻ㄟ^Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定了三相對稱繞組的實際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實際控制信號，從而構(gòu)成一個完整的速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2）永磁同步電機的矢量控制方法的選擇永磁同步電機用途不同，電機電流矢量的控制方法也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以看出，永磁同步電動機輸出同一個轉(zhuǎn)矩時存在不同的轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流的組合，這樣就存在不