【正文】 ................................................... 24 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇 ................................................................................. 25 第 5 章 調(diào)速永磁同步電動機電磁設(shè)計程序 ................................................................... 30 額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求 ............................................................................................ 30 主要尺寸 ................................................................................................................ 30 永磁體的計算 ........................................................................................................ 32 磁路計算 ................................................................................................................ 33 參數(shù)計算 ................................................................................................................ 36 工作性能計算 ........................................................................................................ 40 結(jié)束語 ................................................................................................................................. 44 參考文獻 ............................................................................................................................. 44 致 謝 ................................................................................................................................. 45 附 錄 ................................................................................................................................. 46 調(diào)速永磁同步電動機電磁設(shè)計 2 調(diào)速 永磁同步電 動機電磁 設(shè)計 摘要 ： 設(shè)計 首先介紹了永磁同步電動機的發(fā)展前景及其研究現(xiàn)狀，之后結(jié)合 在發(fā)展高性能調(diào)速永磁同 步電動機中也遇到幾個 “ 瓶頸 ” 問題 ，指出了永磁電機 發(fā)展 的 機遇；分析了永磁同步電動機的運行與控制原理 ，其中包括首先分析了永磁同步電機的分類及其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點，然后分析了永磁同步電動機數(shù)學模型的建立，并根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學模型進一步分析永磁同步電機的控制方法 與原理 ， 介紹了調(diào)速永磁同步電機的幾種控制方法。 4）額定效率 %94?N? 。 5)相數(shù) m=3 6) HzfN 50? 。 其中重點 論述了永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的基本理論 ， 分析了永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制結(jié)構(gòu)中各個組 成部分的基本原理，其中包括 轉(zhuǎn)矩增量與定子電壓空間矢量關(guān)系模型、 定子磁鏈 控制、逆變器開關(guān)時間控制模型，并 提出了永磁 同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制方案。 electromagism design 調(diào)速永磁同步電動機電磁設(shè)計 1 第 1 章 概述 永磁同步電動機的發(fā)展前景 近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在電力拖動系統(tǒng)中采 用調(diào)速措施可以提高節(jié)能效果 , 例如直流電動機調(diào)速、交流電動機變極調(diào)速或變頻調(diào)速 , 還有采用機械傳動結(jié)構(gòu)變速等 , 但是機械傳動結(jié)構(gòu)變速和變極調(diào)速屬于有級的調(diào)速方式 , 直流電動機雖然具有較好的調(diào)速性能 , 但存在換向火花的缺點 , 限制了調(diào)速的容量和應(yīng)用環(huán)境 , 而變頻調(diào)速是一種高效節(jié)能型的無級調(diào)速方式。 調(diào)速永磁同步電動機的研究現(xiàn)狀 雖然 無刷直流電動機 比調(diào)速永磁同步電動機具有控制簡單，成本低， 檢測簡單等優(yōu)點， 但因為 無刷直流電動機 的轉(zhuǎn)矩脈動比較大， 鐵心損耗也較大， 所以在低速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用中，調(diào) 速永磁同步電動機的性能比 無刷直流電動機 及其它交流伺服電動機優(yōu)越得多。 (3) 低速直接驅(qū)動的需求 為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的需求，近年來對低速電動機的需求也不斷增長。若仍用異步電動機驅(qū)動，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時，功率因數(shù)將更低，因此在 Y型系列電 機中， 10極電機已不多見。因此，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。本文主要介紹內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁同步電動機的設(shè)計。 圖 定子靜止坐標系 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標系 (dq 坐標系 ) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系固定在轉(zhuǎn)子上 (圖 )，其 d 軸位于轉(zhuǎn)子軸線上， q 軸超前 d 軸 900，空間坐標以 d 軸與參考坐標 ? 軸之間的電角度 ? 確定。把兩個坐標系畫在一起，如圖 24 所示。 兩相定子坐標系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系的變換（ 2t2s） 分別定義， dq 坐標系是建立在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標， xy 坐標系是建立在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標系 ， 定子磁鏈的方向為 x 軸的正向， x 軸與 d 軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角 ? ， rtC2/2 、 trC2/2為 xy 坐標系到 dq 坐標系和 dq 坐標系到 xy 坐標系的變換陣，由圖 可知 ： ?????? ??? ?? ?? c oss in s inc os2/2 rtC () ??????? ?? ?? c oss i n s i nc os2/2 trC () 其中 ? 為 x 軸與 d 軸的夾角，即轉(zhuǎn) 矩角。 永 磁同步電機在 ABC 坐標系上的數(shù)學模型 對于三相繞組電動機，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈矢量可以表示為 ： () () 其中 ： sU 為定子電壓矢量， sR 和 sL ，分別表示定子電阻和定子電感， s? 和 r? 分別表示定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)子磁鏈矢量， sI 表示定子電流。以上即是永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標 dq 軸系下的數(shù)學模型。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。 矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律， 磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機一樣良好的動態(tài)特性。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點。 此時， id與 iq無耦合關(guān)系， Te=npψfiq，獨立調(diào)節(jié) iq可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。永磁同步電動機以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機必然 廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。其中要用到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的 dq坐標系， d軸正方向為轉(zhuǎn)子磁鏈方向；與定子同步旋轉(zhuǎn)的 xy坐標系， x軸正方向為定子 磁鏈方向；兩相α β靜止坐標系，α軸正方向與電機 a軸重合。利用這一特點，可以采用具有零電壓矢量的新型開關(guān)表實 現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，把零電壓矢量看成保持當前轉(zhuǎn)矩的作用，利用零電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩的波動，以及減少逆變器開關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩的脈動。 一個周期內(nèi)定子參考電壓矢量 su 的作用時間 st 根據(jù)式 (8)和 (9)求得 ， 即 sssss s sddtdu u u ???? ?? ? ? （ 13） 上式中 ， 雖然 dψ s和 us都是空間矢量 ， 但是二者方向 相同 ， 所以直接采用其幅值進行計算 。為給定的定子磁鏈 ， 與實際定子磁鏈相比較后，經(jīng)磁鏈滯環(huán)控制器輸出磁鏈增減信號，定子磁鏈保持在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。當需要增大電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩控制器輸出 1，逆變器輸出電壓所形成的空間電壓矢量使ψ s 向前轉(zhuǎn)動，由于電機的電磁時間常數(shù)小于機電時間常數(shù)，使定子磁鏈轉(zhuǎn)速快于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速，其結(jié)果是δ增大，增大了實際電磁轉(zhuǎn)矩。 圖 34 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 本章 小 結(jié) 本章主要介紹了永磁同步電 機的控制 的基本原理。一個周期內(nèi)每個橋臂只有一個功率開關(guān)動作一次 ， 具有恒定的開關(guān)頻率 ， 實際是一種恒頻脈寬調(diào)制方式。主要包括電機轉(zhuǎn)速 pi 調(diào)節(jié)器、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)比較控制器、最佳開關(guān)邏輯選擇表、逆變器等。轉(zhuǎn)矩控制器輸出 0 時，將減小實際轉(zhuǎn)矩。 逆變器開關(guān)時間控制模型 如圖 2所示 ，設(shè)定當前采樣周期的定子磁鏈矢量為 sn? ， 下一采樣周期的定子磁鏈矢量為 ψ +1， 所以給定轉(zhuǎn)矩和估計轉(zhuǎn)矩之間存在誤差。θ s 旋轉(zhuǎn) ， 設(shè)逆時針方向為正方向 。 直接轉(zhuǎn)矩控制 原理 接轉(zhuǎn)矩控制是對定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角也就是對轉(zhuǎn)矩角δ進行控制。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。若想使永磁同步電動機獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決 id， iq的解耦問題。但因其需要復雜的矢量旋永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 15 轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。自 1971年德國西門子公司 F． Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。因此，長期以來，交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。由式 ()和式 ()得到永磁 同步電機在 dq 坐標系下的電流方程 ： () 其中 di 、 qi 分別為定子電流在 dq 坐標系下的分量，結(jié)合式 ()整理得 0??? CBA iii???????????????????????????????????????????????????CBACBAssssssCBApiiipLRpLRpLRUUU???230002300023?????? ?????????????? ????????? ?????????? c oss i n230 0 frss iipLRpLRUUsLLL 23?? ????????????????????????????????????CBAqdiiiii)32s i n ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s32???????????????????????????????????BAiiii221032??永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 11