【文章內(nèi)容簡介】 ?????? ? xdxqmU （ 23）式（ 23）就是功角特性的表達(dá)式。式中第一項 Pe1= ?sin0xdUmE 稱為基本電磁功率；第二項 Pe2= ?2s in1122 ???????? ? xdxqmU稱為附加電磁功率。附加電磁功 6 率與勵磁無關(guān)，且僅當(dāng) Xd? Xq(即交、直軸磁阻互不相等 )時才存在，故也稱為磁阻功率。 影響功率因數(shù)的因素 影響永磁同步電機(jī)功率因數(shù)的原因 永磁同步電動機(jī) 運行是靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上磁鋼間的相互吸引，使轉(zhuǎn) 子與定子氣隙磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。其轉(zhuǎn)子等效為電阻電路，故功率因數(shù)高。因無勵磁電流，其空載損耗小。電動機(jī)效率可達(dá) 96%左右，較三相異步電動機(jī)高。 影響永磁同步電機(jī)功率因數(shù)的原因是電壓質(zhì)量（電壓幅值）和負(fù)載率。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于電動機(jī)的反電勢點時，永磁電機(jī)呈感性負(fù)載運行；反之，電動機(jī)呈容性負(fù)載運行。因此，電網(wǎng)電壓波動會造成電機(jī)的功率因數(shù)波動，補償困難。若電壓幅值與電動機(jī)反電勢點接近，偏差在 177。2%電壓范圍內(nèi)時，電機(jī)功率因數(shù)大于或等于 ，否則，功率因數(shù)較低；另外，當(dāng)永磁同步電機(jī)的負(fù)載率低于25%時，電機(jī)功率因數(shù)也偏 低。 提高永磁電機(jī)功率因數(shù)的方法 通過對各單井點功率因數(shù)低的原因分析，分別采取了以下方法進(jìn)行調(diào)整。 (1)根據(jù)實測負(fù)載率適當(dāng)調(diào)換電機(jī)，以保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載率。 (2)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，尤其是重載線路末端，電壓普遍偏低。 (3)穩(wěn)定單井電壓使其接近永磁同步電機(jī)的空載反電勢。 (4)當(dāng)運行電壓高于永磁電機(jī)的反電勢點時，可根據(jù)感性無功功率的大小，加電容補償，以提高功率因數(shù)。 (5)當(dāng)運行電壓低于永磁電機(jī)的反電勢點時，可調(diào)節(jié)變壓器分接開關(guān)，適當(dāng)提高二次電壓的幅值，使電機(jī)運行電壓在反電勢點附近，提高功率因數(shù)。 (6)對于重負(fù)荷長線路，調(diào)節(jié)變壓器分接開關(guān)后，變壓器二次電壓幅值仍低于永磁電機(jī)反電勢點時，可更換永磁同步電機(jī)，采用電容柜補償。 永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)分析 電源與功率因數(shù)的仿真分析 在額定負(fù)載時，在電機(jī)的勵磁不變情況下，改變定子供電電壓時，通過仿真記錄多組數(shù)據(jù)，最終繪出電流幅值和功率因數(shù)角隨電壓變化的波形如圖 21所示 。永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 7 圖 21 電源與功率因數(shù)的仿真分析曲線 圖中仿真曲線表明在 Pem不變的情況下，隨著電壓 U 的增大，定子電流先減小然后增大，相位由容性變?yōu)楦行?。對于永磁同步電動機(jī)，勵磁是恒定的，但是調(diào)整外部電壓 U 相當(dāng)于調(diào)整勵磁電流 If， U=f(Ia)。 當(dāng)電機(jī)的負(fù)載不變時，減小電樞電壓，為了保持平衡，繞組就會相應(yīng)產(chǎn)生較小的氣隙感應(yīng)電勢，由于電樞反應(yīng)，氣隙合成磁場就應(yīng)減小，又因為勵磁磁鏈不變，所以此時電樞電流應(yīng)該具有去磁的作用，即應(yīng)超前于電壓，電流呈容性，功率因數(shù)角為負(fù)值。當(dāng)增大電壓時，情況與之 相反。 由上可知，可以通過控制電機(jī)電源來達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的。對于永磁同步電動機(jī)我們可以通過控制定子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)綜合磁場的效果，從而實現(xiàn)對電機(jī)功率因數(shù)的控制。 勵磁與功率因數(shù)的仿真分析 永磁同步電動機(jī)的勵磁狀況對電機(jī)的性能有很大的影響，為了直觀的了解永磁體的強(qiáng)度對電機(jī)的影響，在永磁同步電動機(jī)帶額定負(fù)載、正弦電壓供電時，進(jìn)行仿真分析，可以得到相電流幅值和功率因數(shù)角與磁鏈的關(guān)系曲線，如圖 22所示 圖 22 勵磁與功率因數(shù)的仿真分析 8 由上述波形可知，正常勵磁時，電機(jī)的功率因數(shù)角為 0，即功率因數(shù)為 1，定子電流幅值最?。辉陔娏鳛楦行缘那闆r下，隨著勵磁的增大，定子相電流幅值減小，功率因數(shù)角減小，即功率因數(shù)增大；容性電流時，隨著勵磁增強(qiáng)，功率因數(shù)減小。所以在電機(jī)設(shè)計時，恰當(dāng)?shù)剡x擇永磁體對永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)是有很大的影響的。 永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 9 3 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制理論 永磁同步電動 機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在以下條件下建立 dq 坐標(biāo)系下的 PMSM 的數(shù)學(xué)模型： (1)忽略磁路中鐵心的磁飽和； (2)不計鐵心的渦流損耗與磁滯損耗； (3)定子電樞繞組的空載電勢是正弦波； 定子電壓方程： qrddsd piru ??? ??? （ 31） drqqsq piru ??? ??? （ 32） 磁鏈方程 ： fddd iL ?? ?? （ 33） iLqqq ?? （ 34） 電磁轉(zhuǎn)矩方程： )(23 iiTdqqde p ?? ?? = iiLLiqdqdqfp )([23 ??? （ 35） 上述式中， Rs 為定子繞組相電阻， d? 和 q? 是定子磁鏈 d 軸和 q 軸上的分量 ,uq 和 ud 是定子電壓 d 軸和 q 軸上的分量， Ld 和 Lq 分別是 d 軸和 q 軸電感，r? 是轉(zhuǎn)子電角速度， f? 是永磁磁極產(chǎn) 生的與定子交鏈的磁鏈， p 為電動機(jī)極對數(shù)。 PMSM 的狀態(tài)方程： ??????????????????????????????????????????????????LuLuiiLRLLLLLRiiqfrqddqdqqdrdqrdsqdpp????1 （ 36） 式中 p 為微分算子。 對于 PMSM 來說，定義 ??坐標(biāo)系的 ? 軸與定子 A 相繞組重合 ,? 軸比 ? 軸超前 90 度，因為 ? 軸固定在 A 相軸線上，因 此 ??坐標(biāo)系為靜止坐標(biāo)系。定義 10 dq 坐標(biāo)系的 d 軸與轉(zhuǎn)子主磁極軸線重合， q 軸超前 d 軸 90 度，并且 d 軸與 A相軸線夾角為 ? ， dq 坐標(biāo)系以電角速度 r? 一起旋轉(zhuǎn)，因此稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖 31 所示。 圖 31 abcdq//?? 坐標(biāo)變換圖 在圖 31 中，三相靜止坐標(biāo)系下，三相電流可以為： 1cos?Iia? )32c o s (1 ?? ??Iib （ 37） )32c os (1 ?? ?? Iic 在恒定轉(zhuǎn)速下， ????? ????? t1 ， ? 合成磁場與 d 軸的夾角。 采用 23 變換，靜止坐標(biāo)系 ??與 abc 的關(guān)系為 ： ????????????????????????????????cbaiiiii232302121132?? （ 38） 采用 32 變換， abc 坐標(biāo)系與 ??的變換關(guān)系為： ??????????????????????????????????????iiiiicba232123210132 （ 39） 采用 abc/dq 變換，有： 永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型 11 ??????????????????????????????????cbaqdiiiii)32s i n ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s32?????????? （ 310） 采用 dq/abc 變換，有： ????????????????????????????????????????qdcbaiiiii)32s i n ()32c o s ()32s i n ()32c o s (s i nc o s32?????????? （ 311） 永磁同步電動機(jī)的控制策略 PMSM 的高性能控制策略 [6]主要有以下幾種： （ 1） 變壓變頻控制 控制變量為電機(jī)的外部變量，即電壓和頻率。 這種控制方法的突出優(yōu)點是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制，控制電路簡單。該控制系統(tǒng)的特點是易實現(xiàn)、價格低廉，比恒定控制方式通用性強(qiáng)，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。但是，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置或其它任何反饋信號，因此不能實時獲得電機(jī)的工作狀態(tài)，無法精確控制從而得出最佳的電磁轉(zhuǎn)矩。 （ 2）矢量控制 由于矢量 控制理論 [8]需要坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換、矢量運算以及高速的數(shù)字信號處理器，所以在最初幾年里，該理論一直無法實得到證實，直到 1979 年，日本首次將該技術(shù)用于異步電機(jī)驅(qū)動造紙機(jī)，僅過一年，日本又將該技術(shù)首次引入永磁同步電機(jī)驅(qū)動軋鋼機(jī)。 矢量控制的核心思想是參照直流電機(jī)的控制策略，將電機(jī)三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換，形成以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。磁場定向矢量控制的優(yōu)點是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時可實現(xiàn)全負(fù)載。 矢量控制的優(yōu)點是具有精確的速度控制和良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并可實現(xiàn)零速全負(fù)載 控制，具有類似于直流電機(jī)的工作特性。矢量控制的前提是獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置，通常通過安裝絕對編碼器等轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置。由于矢量控制要經(jīng)過坐標(biāo)變換，對電機(jī)參數(shù)的變化敏感、運算量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，使得矢量控制的快速性受到 。 （ 3） 直接轉(zhuǎn)矩控制 [10] 矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢 12 量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制 [9]。其控制思想是通過對定子磁鏈定向，實現(xiàn)定 子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制 [11]。 （ 4）轉(zhuǎn)矩電流最大比控制 在交流伺服的各種控制方法中，控制定子電流 d 軸電流矢量為零的磁場定向方法應(yīng)用最為普遍。但是，完全采用 0?id 的控制方法在某些情況下并不是最佳的 [12]