永磁同步電機的原理及結構

第一章永磁同步電機的原理及結構1.1永磁同步電機的根本工作原理永磁同步電機的原理如下在電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場，由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終到達轉子的旋轉速度與定子中產(chǎn)生的旋轉磁極的轉速相等，所以可以把永磁同步電機的起動過程看成是由異步啟動階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動的研究階段中，電動機的轉速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉矩、永磁發(fā)電制動轉矩、等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個過程中轉速是振蕩著上升的。在起動過程中，電動機就是以這轉矩來得以加速的，其他的轉矩大局部以制動性質為主。在電動機的速度由零增加到接近定子的磁場旋轉轉速時，在永磁體脈振轉矩的影響下永磁同步電機的轉速有可能會超過同步轉速，而出現(xiàn)轉速的超調現(xiàn)象。但經(jīng)過一段時間的轉速振蕩后，最終在同步轉矩的作用下而被牽入同步。1.2永磁同步電機的結構永磁同步電機主要是由轉子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來說，永磁同步電機的最大的特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉子的獨特的結構與其它電機形成了差異。和常用的異步電機的最大不同那么是轉子的獨特的結構，在轉子上放有高質量的永磁體磁極。由于在轉子上安放永磁體的位置有很多項選擇擇，所以永磁同步電機通常會被分為三大類：內嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機的運行性能是最受關注的，影響其性能的因素有很多，但是最主要的那么是永磁同步電機的結構。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結構都各有其各自的優(yōu)點。圖1-1面貼式的永磁同步電機在工業(yè)上是應用最廣泛的，其最主要的原因是其擁有很多其他形式電機無法比較的優(yōu)點，例如其制造方便，轉動慣性比較小以及結構很簡單等。并且這種類型的永磁同步電機更加容易被設計師來進行對其的優(yōu)化設計，其中最主要的方法是，將其分布結構改成正弦分布后能夠帶來很多的優(yōu)勢，例如應用以上的方法能夠很好的改善電機的運行性能。插入式結構的電機之所以能夠跟面貼式的電機相比較有很大的改善是因為它充分的利用了它設計出的磁鏈的結構有著不對稱性所生成的獨特的磁阻轉矩能大大的提高了電機的功率密度，并且在也能很方便的制造出來，所以永磁同步電機的這種結構被比較多的應用于在傳動系統(tǒng)中，但是其缺點也是很突出的，例如制作本錢和漏磁系數(shù)與面貼式的相比較都要大的多。永磁同步電機中的永磁體是被安置在轉子的內部，相比較而言其結構雖然比較復雜，但卻有幾個很明顯的優(yōu)點是毋庸置疑的，因為有很明顯的它跟面貼式的電機相比較就會產(chǎn)生很大的轉矩；因為在轉子永磁體的安裝方式是選擇嵌入式的，所以永磁體在被去磁后所帶來的一系列的危險的可能性就會很小，因此電機能夠在更高的旋轉速度下運行但是并不需要考慮轉子中永磁體是否會因為離心力過大而被破壞。為了表達永磁同步電機的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)異步電機來進行比較，永磁同步電機特別是最常用的稀土式的永磁同步電機具有結構簡單，運行可靠性很高；體積非常的小，質量特別的輕；損耗也相對較少，效率也比較高；電機的形狀以及大小可以靈活多樣的變化等比較明顯的優(yōu)點。正是因為其擁有這么多的優(yōu)勢所以其應用范圍非常的廣泛，幾乎普及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等的各個領域。永磁同步電動機與感應電動機相比，可以考慮不輸入無功勵磁電流，因此可以非常明顯的提高其功率因素，進而減少了定子上的電流以及定子上電阻的損耗，而且在穩(wěn)定運行的時候沒有轉子電阻上的損耗，進而可以因總損耗的降低而減小風扇〔小容量的電機甚至可以不用風扇〕以及相應的風磨損耗，從而與同規(guī)格的感應電動機相比較其效率可以提高2-8個百分點。1.3永磁同步電機的數(shù)學特性先對永磁同步電機的轉速進行研究，在分析定子和轉子的磁動勢間的轉速關系時，所以轉子的磁動勢相應的轉速也為nr/min，所以定子的電流相應的頻率是f=,因為定子旋轉的磁動勢的旋轉速度是由定子上的電流產(chǎn)生的，所以應為(1.1)可以看出轉子的旋轉速度是與定子的磁動勢的轉速相等的。對于永磁同步電機的電壓特性研究，可以利用電動機的慣例來直接寫出它的電動勢平衡方程式〔1.2〕對于永磁同步電機的功率而言，同樣根據(jù)發(fā)電機的慣例能夠得到永磁同步電機的電磁功率為〔1.3〕對于永磁同步電機的轉矩而言，在恒定的轉速，轉矩和功率是成正比的，所以可以得到以下公式〔1.4〕第二章永磁同步電機物理模型開環(huán)仿真2.1永磁同步電機模塊及仿真下面對永磁同步電機物理模型的開環(huán)進行仿真，在仿真之前先介紹各個單元模塊，以便于對模型進行更好的仿真。物理單元模塊逆變器單元，逆變是和整流相對應的，它的主要功能是把直流電轉變成交流電。逆變可以被分為兩類，包括有源逆變以及無源逆變。其中有源逆變的定義為當交流側連接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當負載直接與交流側相連時，稱之為無源逆變。以圖2-1的單相橋式逆變電路的例子來說明逆變器的工作原理。圖2-1逆變電路圖2-1中S1-S4為橋式電路的4個臂，它們是輔助電路組成的。當開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓u為正；當S1、S4斷開，S2、S3閉合時，u為負，其波形如圖2-2所示。圖2-2逆變電路波形通過這個方法，就可以把直流電轉變成交流電，只要改變兩組開關相應的切換頻率，就可以改變交流電的輸出頻率。這就是逆變器的工作原理。當負載是電阻時，負載電流i和電壓u的波形是相同的，相位也相同。當負載是阻感時，i的基波相位滯后于u的基波，兩者波形的形狀也不同，圖2-2給出的是阻感負載時的i的波形。設t時刻斷開S1、S4，同時合上S2、S3，那么u的極性立刻變?yōu)樨摰摹５?，正是因為負載中存在著電感，其中的電流極性仍將維持原來的方向而不能立刻改變。這時負載電流會從直流電源負極而流出，經(jīng)過S2、負載和S3再流回正極，負載電感中儲存的能量會向直流電源發(fā)出反應信號，負載電流要逐漸減小，到t時刻降到零，之后i才開始并反向增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時的情況類似。上面是S1-S4均為理想開關時的分析，實際電路的工作過程要比這更復雜一些。逆變電路根據(jù)直流側電源性質的不同可以被分為兩種：直流側為電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側為電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源逆變電路和電流源逆變電路。三相電壓型逆變電路是由三個單相逆變電路而組成的。在三相逆變電路中三相橋式逆變電路應用的最為廣泛。如圖2-3所示的三相電壓型橋式逆變電路因此可以很明顯的看出它是由三個半橋逆變電路組成的。圖2-3三相電壓型橋式逆變電路如圖2-3所示的電路的直流側一般只用一個電容器就可以了，但是為了方便分析，畫出了串聯(lián)的兩個電容器并且標出假想的中點N。單相半橋和全橋逆變電路是具有很多相似點的，三相電壓型橋式逆變電路也是以180度的導電方式作為其根本的工作方式，同一半橋上下兩個臂交替著導電，每相之間開始導電的角度以120度相錯開。這樣在任何時候，將會有三個橋臂同時導通。也可能是上面一個下面兩個，也可能是上面兩個下面一個同時導通。它之所以被稱為縱向換流是因為每次換流都是在同一相上的兩個橋臂之間互換進行。逆變器的參數(shù)設置如圖2-4所示圖2-4逆變器模塊參數(shù)設置六路脈沖觸發(fā)器模塊，如圖2-5所示圖2-5六路脈沖觸發(fā)器模塊同步六路脈沖發(fā)生器模塊可用于很多領域。六路脈沖觸發(fā)器的主要局部該模塊的輸出是一個六脈沖單獨同步的六晶閘管電壓矢量。下面的圖表顯示了一個0度的α角的六路脈沖。如圖2-6所示圖2-6六路脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖aipha_deg輸入一個發(fā)射信號，以度的形式。該輸入可以連接到一個恒定的模塊或者它可以連接到控制系統(tǒng)來控制發(fā)電機的脈沖AB、BC、CA為輸入的ABC三相的線電壓Freq頻率的輸入端口，這種輸入應該連接到包含在赫茲的根本頻率，恒定的模塊。Block六路脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設置如圖2-7所示圖2-7六路脈沖觸發(fā)器參數(shù)設置永磁同步電機模型仿真結果圖2-8整體開環(huán)仿真框圖本文在基于Matlab下建立了永磁同步電機的開環(huán)電機模型的仿真。PMSM的參數(shù)設定為：電機的額定電壓為220V，額定電流為3A，額定機械轉速為3000rpm,極對數(shù)為2，電磁輸出功率為900W,定子阻抗為4.3Ω，直軸感抗為0.027H,交軸感抗為0.067H，漏磁通λf為0.272wb，轉動慣量J為0.00179kgm2,粘滯摩擦系數(shù)B為0。得到的仿真結果圖如圖2-9所示圖2-9電機轉速曲線從圖中的曲線可以看出，電機轉速給定值為3000N〔pm〕，從電機起動開始，速度逐漸上升，到達給定值需要的時間比較長，換句話說就是電機的響應時間較長，而且在到達穩(wěn)定值附近時的轉速波動也比較大，可能是因為永磁同步電機的內部結構很復雜，也可能是跟電機沒有任何控制有關，希望在搭建了速度轉矩雙閉環(huán)控制后的轉速的響應時間能縮短，到達給定值附近時的上下波動能減小轉矩的結果如圖2-10所示圖2-10永磁同步電機轉矩曲線從圖中可以看出，在永磁同步電機起動后轉矩的值在零的附近波動，波動范圍還是比較大，產(chǎn)生波動的主要原因還是電機復雜的內部結構，以及在沒有任何控制的情況下才出現(xiàn)的，希望在搭建成速度轉矩雙閉環(huán)控制下可以使其波動的范圍減小，無限的接近于零。電流的仿真結果如圖2-11所示圖2-11永磁同步電機電流曲線對于永磁同步電機開環(huán)物理模型仿真的電流，電流在電機開始運行時電流會在短時間內上升并振蕩，但很快就接近與零值并且在零值附近波動。第三章永磁同步電機雙閉環(huán)仿真3.1永磁同步電機雙閉環(huán)仿真模型在MATLAB下的SIMULINK環(huán)境中，利用其中的各種模塊，建立了永磁同步電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)是由PI控制器構成的速度環(huán)和滯環(huán)電流控制器建立的電流環(huán)共同控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過給定轉速與實際轉速的比較產(chǎn)生的誤差，將產(chǎn)生的誤差信號送入PI控制器，再由PI控制器送達轉速控制模塊。并通過坐標變換產(chǎn)生的參考電流，與PMSM輸出的實際電流相比較，再通過橋路逆變器產(chǎn)生輸入PMSM的三相電壓，經(jīng)過坐標變換后直接輸入到PMSM本體控制其運行。最終到達在利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制下能夠實現(xiàn)實際轉速與期望轉速相一致的目的。根據(jù)模塊化的思想，我們可以將系統(tǒng)的整體結構劃分為以下幾個主要局部：。PMSM本體模塊在整個仿真過程中，電機本體模塊是其中最重要的模塊之一。根據(jù)公式可得到永磁同步電機的機械轉速以及電子轉速公式：(3.1)而〔P為極對數(shù)〕(3.2)‘那么可以建立如下的電機本體模塊，如圖3-2所示：圖3-1PMSM電機本體模塊轉速控制模塊轉速控制模塊是由比例積分控制器根據(jù)比例積分控制原理建立的，如圖3-3所示的比例積分PI控制模塊。在本體模塊中取的比例積分為0.5，積分增益為0.01，定子電流輸出的限幅為[-5,5]。圖3-2PI控制模塊轉矩控制模塊本次仿真是以常量轉矩控制為轉速控制的方式，即當實際轉速小于額定的轉速時，取交軸期望電流與提供的定子電流相等，而直軸的期望電流大小為0，角=90。那么(3.3)由此可以看出轉矩與電機交軸電流之間存在一定的線性關系。在仿真過程中是由程序實現(xiàn)的，轉矩控制模塊也是根據(jù)以上的原理建立的。坐標變換模塊在仿真中，主要有4個坐標變換的模塊：兩相旋轉坐標系向兩相靜止坐標系變換〔d—q到—〕，兩相靜止的坐標系向三相坐標是變換〔到abc〕，以及三相坐標系向兩相靜止坐標系變換〔abc到〕，兩相靜止坐標系向兩相旋轉坐標變換〔到d—q〕,同類變換的電壓和電流變換式相同。相應的坐標變換公式如下所示：兩相旋轉坐標系向靜止坐標系變換：(3.4)〔3.5〕兩相靜止坐標系向三相坐標系變換：(3.6)(3.7)〔3.8〕相應的反變換為：(3.9)〔3.10〕(3.11)〔3.12〕根據(jù)坐標變化公式〔—〕可以建立如圖3-3、圖3-4、圖3-5、圖3-6的坐標變換模塊。圖3—4α－β到abc坐標變換圖3—5abc到α－β坐標變換圖3—6α－β到d－q坐標變換電流控制模塊對于電流控制方式而言，采用的是滯環(huán)控制。首先確定一個期望值，根據(jù)滯環(huán)的帶快要在期望值的兩側來確定一個范圍，當實際輸出電流到達滯環(huán)寬度以上的時候，就會輸出高值信號，從而到達對輸出電流調節(jié)的目的。滯環(huán)控制器的模塊是根據(jù)滯環(huán)控制原理搭建的，如圖3-7所示。在圖3-7中首先將實際電流與期望電流進行比較后產(chǎn)生誤差，再經(jīng)過滯環(huán)控制器后產(chǎn)生三相電壓信號。然后經(jīng)過數(shù)據(jù)邏輯非運算器器件和類型變換裝置產(chǎn)生IGBT橋路6個IGBT管的門極脈沖信號。因同一相上的橋臂的管子觸發(fā)脈沖是相反的，所以只要在原來的三相脈沖信號上加上邏輯非即可構成相應的6路脈沖觸發(fā)信號，控制各個IGBT管的導通以及關閉。在本次仿真中，滯環(huán)的寬度設為0.1當期望電流與實際電流的誤差不小于滯環(huán)帶的寬度時，滯環(huán)控制器即開通，輸出值為1，當誤差小于滯環(huán)寬度的負值時，滯環(huán)控制器即關斷，輸出為0。圖3—7滯環(huán)控制器結構電壓逆變器模塊電壓源逆變器如圖3-8所示，根據(jù)小結小節(jié)中我們研究的電流控制器，它能夠產(chǎn)生出IGBT的門極信號，并且通過這個信號來控制每個IGBT管的導通以及關斷。由直流電源產(chǎn)生的三相電流與三相實際電流值同時作用在負載上，根據(jù)誤差的大小來產(chǎn)生輸入到PMSM的三相電壓Vabc，通過這個產(chǎn)生出來的三相電壓來調節(jié)PMSM的實際轉速也能同時調節(jié)交直軸的電流，最終到達實際值與期望值相等的目的。這個逆變橋的IGBT管是選用的IRGIB10B60KD1。為了得到相對更好的電流波形，要在IGBT橋路三相電流輸出端加上一個濾波器，右邊的負載電阻全取為1，直流電壓為20V，左下角獨立的局部是IGBT橋路中流經(jīng)IGBT管的電流以及電壓的測量裝置，可通過它得到流經(jīng)每個IGBT管的電壓和電流，要想得到IGBT管上的損耗功率只需將同一個IGBT管的電壓電流和電壓相乘即可，要想得到在一段時間內單個IGBT管上的消耗功率的總和，可以在功率輸出端放上一個積分器輸出值即可得到。圖3—8電壓逆變器結構3.2仿真結果圖3-9整體仿真框圖本文基于MATLAB中的SIMULINK建立出了永磁同步電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電機模型，這是一種新的電壓變換結構及電流控制方法，以此方法為根底對此雙閉環(huán)模型進行了實際的仿真。PMSM的參數(shù)設定如下：電機的額定電壓為220V，額定電流為3A，額定機械轉速為1700rpm，極對數(shù)為2，電磁輸出功率為900W，定子阻抗4.3，直軸感抗為0.027H，交軸感抗0.067H。漏磁通為0.272wb，轉動慣量J為0.00179kg,粘滯摩擦系數(shù)B為0.本次仿真就是為了驗證所設計的PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型的靜、動態(tài)性能是否得到改善，是否到達預想的結果以及系統(tǒng)空載啟動的性能是否良好它的優(yōu)越性能否表達出來，系統(tǒng)先是在空載情況下啟動，在t=0.4s時突加負載2Nm，可以得到系統(tǒng)轉速、轉矩、直軸交軸電流以及A相電流的仿真曲線。給定參考轉速為200rad/s，滯環(huán)寬度取為0.1。圖3-10永磁同步電機雙閉環(huán)控制轉速圖3.11永磁同步電機雙閉環(huán)控制轉矩圖3.12永磁同步電機雙閉環(huán)電流曲線圖3.13永磁同步電機雙閉環(huán)電流曲線圖3.14永磁同步電機雙閉環(huán)i電流曲線通過上面的仿真圖可以很明顯的看出：在給定的參考轉速不變的情況下，系統(tǒng)從接收到信號到能夠響應需要的時間很短并且上下的波動不是很大總體來看還是很平穩(wěn)的，在起動階段系統(tǒng)是保持轉速恒定的，并且在空載穩(wěn)定速度下運行時，不考慮系統(tǒng)的摩擦轉矩，因此此時的電磁轉矩的平均值為零，交軸和直軸電流以及相電流的平均值也接近為零。在突然加上負載后，轉速發(fā)生了突然的下降，但是又能比較快的恢復到穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時轉速沒有靜差，但突然加上負載后，電磁轉矩就會略有增大，這是由于開關的頻繁切換所造成的。穩(wěn)態(tài)時，電磁轉矩等于負載轉矩，直軸電流的平均值為零，交軸電流均值增大，相電流為正弦波形，這很符合永磁同步電機的特性。仿真結果說明電機的動靜態(tài)性能比較好，得到仿真之前預期的目的，說明建模仿真的方法是比較理想的，是正確的。第四章永磁同步電機開環(huán)和雙閉環(huán)仿真比較通過第二章的研究和分析，可以看出永磁同步電機在開環(huán)的運行形式下，得到的轉矩、電流、轉速的波形跟我們想要的效果有很大的差距，其中會出現(xiàn)從起動開始，到達穩(wěn)定的時間比較長，而且到達穩(wěn)定時的效果也比較差，波形很明顯。這主要是由于開環(huán)運行的條件下系統(tǒng)普遍存在的問題較多〔1〕在開環(huán)系統(tǒng)中，各種參數(shù)間相互之間影響并且互相制約著，所以很難再對調節(jié)器的參數(shù)進行更好的調整，因而系統(tǒng)的動態(tài)性能的缺陷很明顯，在這種情況下不是很理想?！?〕任何擾動在轉速出現(xiàn)偏差后也無法調整，因而轉速動態(tài)降落較大。相對開環(huán)來講在第三章研究的永磁同步電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)就對電機調節(jié)的優(yōu)勢就很明顯，如仿真結果說明：對永磁同步電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真結果進行波形分析，可以很清楚的看到其的合理性，并且系統(tǒng)能夠在非常平穩(wěn)的狀態(tài)下運行，跟開環(huán)控制系統(tǒng)相比較而言它具有較好的靜、動態(tài)特性，能夠到達我們所期望的目的。所以我們可以得出以下結論，采用該PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型仿真，可以非常便捷地觀察出它和開環(huán)情況下永磁同步電機相比較的優(yōu)越性，實現(xiàn)同時也能很準確的驗證其算法是否合理，只需要對其中一局部的功能模塊進行替換或者是合理的適當?shù)男薷模湍軌驅崿F(xiàn)對控制策略的更換或改良，不僅可以間斷對方案的設計周期進行控制，而且還能快速驗證所設計的控制算法是否正確是否合理，更優(yōu)越的地方是能夠充分地利用計算機仿真的優(yōu)越性。通過修改系統(tǒng)的參數(shù)變量或人為的參加不同擾動因素來考察在各種不同的試驗條件下電機系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，或者是模擬相同的試驗條件，通過各種參數(shù)或者不同的波形來比較不同的控制策略的優(yōu)勢和劣勢，為分析和設計不同的永磁同步電機控制系統(tǒng)提供了更為有效的手段和工具，也給為了實際電機控制系統(tǒng)的設計以及調試提供了新的思路。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應用到了直接轉矩控制原理。直接轉矩控制是近幾年來繼矢量控制技術之后開展起來的一種具有高性能的一種新型的交流變頻調速技術。1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授第一次提出了基于六邊形磁鏈的直接轉矩控制理論[1]，1986年日本學者Takahashi提出了基于圓形磁鏈的直接轉矩控制理論[2]，緊接著1987年在弱磁調速范圍為涉及到了它。不同于矢量控制技術，直接轉矩控制自己的特點是很突出的。在矢量控制中遇到的計算復雜、特性易受電動機的參數(shù)變化所影響、實際性能很難到達