三相永磁电机的矢量控制Word文档下载推荐.docx
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由于没有笼型转子,稀土永磁同步电机与异步电动机相比,具有较低的惯性,对于一定的电动机转矩就有较快的响应,即转矩/惯性比异步电动机的高;
永磁同步电动机无转子损耗,所以效率更高;
异步电动机需要定子励磁电流,而永磁同步电动机已存在于转子,对于同等容量输出,异步电动机效率低,需要更大功率的整流器、逆变器;
异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂;
永磁同步电动机功率密度较高。
永磁同步电机是一个多变量、非线性、高祸合的系统,其输出转矩与定子电流不成正比,而是复杂的函数关系,因此要得到好的控制性能,必需进行磁场解祸,这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。
而且在永磁同步电机的矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且受转子参数的影响小,所以在永磁同
步电机上更容易实现矢量控制。
1.3永磁电机转子结构分类
永磁同步电机的种类根据永磁体在转子上安装的位置不同可以分为两类面装式和内埋式,而面装式又可分为面装凸出式、面装嵌入式,如图2所示。
对于
稀土永磁电机来说,由于永磁材料的相对回复磁导率接近,所以面装凸出式在电磁性能上属于隐极转子结构,面装嵌入式相邻的两个永磁磁极间有磁导率很大的永磁材料,故在电磁性能上属于凸极转子结构;
面装凸出式结构的永磁电机结构简单、制造成本低、转动惯量小,在正弦波永磁电机中得到了广泛应用。
内埋式转子结构是将永磁体装在转子铁心内部,特点是机械强度高、磁路气隙小;
与面装式转子相比,更适用于弱磁运行。
为了便于控制,永磁同步电机的定子绕组一般都采用短距分布绕组,气隙磁场设计为正弦波,以产生正弦波反电势。
血装凸出式血装ISt入式内埋式
图2.永磁同步电机转子结构分类
2.永磁同步电机矢量控制系统
2.1永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机运转时其定子和转子处于相对运动状态,永久磁极与定子绕组、定子绕组与绕组之间的相互影响,导致永磁同步电机内部的电磁关系十分复杂,再加上磁路饱和和非线性因素,给建立永磁同步电机的精确数学模型带来了困难。
在不影响研究效果的前提下需简化永磁同步电机的数学模型,通常作以下
假设:
1.忽略磁路中铁芯的磁饱和,不计铁芯的涡流和磁滞损耗;
2.转子上没有阻尼绕组,永磁体也没有阻尼作用;
3.永久磁铁在气隙中产生的磁势为正弦分布,无高次谐波;
4.永磁材料的电导率为零。
图3.永磁同步电机的物理模型
永磁同步电机的基本方程包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程,这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。
2.1.2磁链方程和转矩方程
永磁同步电机每相绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它互感磁
链之和。
则磁链方程为
定子各相之间的互感;
fA,fB,fC为永磁励磁磁场链过A,B,C绕组产生
的磁链。
由于定子三相绕组互为120。
,且认为每相间的互感是对称的,则有
LLABLBCLAC
LmlCOS|
3
1L
ml
2
(2-4)
感和互感都与转子位置无关,均为常值。
于是有
式中,Ls
另有
另外,永磁磁通链过定子侧产生的磁链为
fAfCOSrA
(2-5)
fBfCOSrA~
fCfCOSrA~
式中,f为转子磁链。
交流永磁电动机运行时,电动机的磁场储能
(2-6)
1
Wm—ikk(k=A、B、C)
2k
Te
(2-7)
m
电流不变时,磁场储能对机械角速度m的偏导就是电磁转矩:
则转矩方程为
TePnfiASinrA:
bS「A
icSinrA
(2-8)
2.2坐标变换
在A-B-C坐标系中,同步电机转子在电、磁结构上不对称,所以交流电机在三相静止坐标系中的数学模型很复杂,它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,难于采用传统的控制方法进行交流调速,因此有必要采用矢量控制,即通
过坐标变换将其数学模型做尽可能的简化,使其数学模型类似于直流电机的数学模型。
2.2.1坐标变换的基本思路
三相正弦电流ia,ib,ic输入到交流电机的三相绕组里面时,会产生同步旋转的正弦合成电动势,不管采用哪种坐标系解析磁动势,其结果应该是相同的。
(a)三相交流绕组(b)两相交流绕组(c)旋转的直流绕组
图4.交流电机绕组在三相静止、两相静止和两相旋转坐标系下的物理模型
图4中的c图中,对于绕组而言,两个垂直且对等的绕组d和q在输入id和id后产生的合成磁动势F的位置是不变的。
但是以一定速度将铁芯旋转后磁动势F就可以等效为图4中a图和b图中的旋转磁动势。
绕组q作为电枢绕组,d相
则作为励磁绕组
综上所述,i、i和id、iq与ia,ib,ic一样都可以产生等效的旋转磁动势。
那么可以通过坐标变换将三相静止、两相静止及两相旋转这三种坐标系相互转换。
222两相静止坐标系统下电机方程
坐标系的坐标变换称为
定子静止三相ABC坐标系到定子静止两相
Tciark
31
30
.3
_3
定子两相静止坐标系下磁链方程
Laa
Lab
lac
iA
f
TClark
Lba
Lbb
Lbc
T1i
1ClarkiB
Lca
Lcb
LCC
iC
定子两相静止坐标下电压方程
u
i
Rs
p
U0
i0
(2-9)
(2-10)
(2-11)
Clark变换,变换公式
ffa
fTClarkfb
fc
2.2.3d、q坐标下电机方程
dq0坐标系是随定子磁场同步旋转的坐标系,将d轴固定在转子励磁磁通f
的方向上q轴为逆时针旋转方向超前d轴90°
电角度。
图5.永磁同步电机dqO坐标系图
取逆时针方向为转速的正方向。
f为每极下永磁励磁磁链空间矢量,方向
与磁极磁场轴线一致,d、q轴随同转子以电角速度(电角频率)r一起旋转,
它的空间坐标以d轴与参考坐标轴as间的电角度r来确定,为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线间的空间电角度,称为转矩角。
三相永磁同步电机在dqO轴转子坐标系的定子电压方程为
磁链方程
(2-15)
Ldid
Lqiq
转矩方程
2.3永磁同步电机矢量控制原理
2.3.1矢量控制的基本原理
矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。
基
本思想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上,将定子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
使两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节,实现转矩控制。
因此,矢量
控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制
矢量控制一般是通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压,这样电机的转矩便只和磁通、电流有关,与直流电机的控制方法相似,可以得到很高的控制性能。
对于永磁同步电机,转子磁通位置与转子机械位置相同,这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁通位置,从而使永磁同步
电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制大大简化。
矢量控制是当前高性能交流
调速系统一种典型的控制方案。
根据矢量控制原理,在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量作为定向坐标
轴,目前存在四种磁场定向控制方式转子磁链定向控制,定子磁链定向控制,气
隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。
对于主要采用转子磁链定向方式,该方式对交流伺服系统等小容量驱动场合特别适合。
按照控制目标可以分为:
id0控制、cos1控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。
它们各有各的特点:
id0控制最为简单,cos1控制可以降低与之匹配的变频器容
量,恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等。
232励磁电流id0控制
为转子磁极d轴的空间位置角,为定子电流矢量is与转子永磁磁链矢量
f间的夹角。
定子电流d、q轴分量可写为
idiscos
...(2-17)
iqissin
又有式(2-15)可得
TPndiqqid
PnLmdifSin1LdLqissin2(2-18)
PnfiqLdLqidiq
当采用id0控制时,定子电流只有交轴分量,定子磁势空间矢量s与永磁
体磁场空间矢量正交f,90°
,电磁转矩TTmPnfis,即只有永磁转矩
分量。
这种控制方式下单位定子电流可以获最大转矩,或是在产生所要求的转矩
条件下所需定子电流最小,定子铜耗也最小,效率高。
这也是表面式永磁同步电机常用id0控制的原因。
233功率因数cos1控制
cos1控制是使电动机的功率因数恒为1,即定子电流矢量is与电机端电压
矢量Us同相位。
此时电动机矢量图如图6所示。
图6.c°
S1控制时永磁同步电机空间矢量图
在COS1控制中,定子电流、电压与永磁同步电机电动势夹角相同,内功率角与的关系如下:
-(2-19)
在这种控制方式下,电动机相对电网作单位功率因数运行,功率因数及效率等运行指标最好,变频器容量也省。
但由于永磁同步电机的转子励磁无法调节,当负载变化时,电枢绕组的总磁链不为定值,因此,电枢电流与转矩无法保持线性关系。
2.3.4最大转矩/电流控制
最大转矩/电流控制也称单位电流输出转矩最大控制,是在电动机输出给定转矩时,控制定子电流最小的电流控制策略。
它是凸极永磁同步电机用的较多的一种控制策略,而对于隐极永磁同步电机而言,实际上就是id0控制。
采用最大最大转矩/电流控制时,其核心思想是寻求d、q轴电流的最优组合,使得给定转矩下的定子电流幅值最小。
由于逆变器需要的输出电流小,适合选用
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