【文章內容簡介】 又處于輕載運行狀態(tài)，效率和功率因數均較低。例如為油田抽油機設計的具有異步起動能力的永磁同步電動機，起動轉矩倍數可達 上，效率可達 94％，功率因數 可達 ，既滿足了負載動態(tài)時大轉矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果。 (3) 低速直接驅動的需求 為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉矩驅動的需求，近年來對低速電動機的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機，轉矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進器，將低速大轉矩的永磁同步電動機置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅動螺旋槳，實現船舶的運行和控制。這是船舶驅動技術的又一發(fā)展，國外自上世紀九十年代已成 功用于豪華郵輪、專用油輪等。西門子公司吊艙式推進器中 PMSM容量已達 30000KW。 (4) 多極高功率因數的需求 近年來，永磁同步電動機朝著多極化發(fā)展，多極電機可顯著減小定、轉子鐵心軛部高度，從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動機，轉子采用 60極結構，顯著縮短了定子線圈端部長度，實現無機房電梯。若仍用異步電動機驅動，隨著極數增加，其功率因數明顯降低，在輕載和空載時，功率因數將更低，因此在 Y型系列電 機中， 10極電機已不多見。而該 60極永磁同步電動機功率因數高達 ，空載、輕載時甚至可達 1，節(jié)能效果明顯。 (5)高功率密度的需求 艦船、車輛受體積所限，要求電動機要有高功率密度、高轉矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組，空間結構小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應強度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負荷 ?B ，使電機尺寸縮小。有些并聯供磁的電機， ?B 甚至可高達 1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機的齒槽結構，約束著磁負荷和電負荷 的關系，過高的磁負荷將減小放置繞組的空間，成為實現高功率密度的瓶頸。永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 4 第 2 章 永磁同步電動機的數學模型 本章將首先從轉子結構的角度對 PMSM 進行分類，然后在不同的坐標系中建立PMSM 的數學模型，在此基礎上對 PMSM 的控制原理進行介紹 。 永磁同步電機的分類和結構 永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產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。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū) 別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機 (PMSM)調速系統(tǒng) 或調速永磁同步電動機 ；而由梯形波 (方波 )永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機 (BLDCM)調速系統(tǒng)。 永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面 上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁同步電動機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能特點有所不同。 采用正弦波的永磁同步電動機可根據永磁體在轉子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉子內的內磁式永磁同步電動機；一是永磁體安放在轉子表面的外磁式永磁同步電動機；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步電動機。本文主要介紹內置式轉子的永磁同步電動機的設計。 永磁同步電機數學模型的建立 坐標系的定義 坐標系在本文中，將涉及到以下幾種，對其進行一一介紹。 三相定子坐標系 (ABC 坐標系 ) PMSM 的定子中有三相繞組，其軸線分別為 A,B,C，且彼此間互差 1200的空間電角度。當定子通入三相對稱交流電時，就產生了一個旋轉的磁場。三相定子坐標系定義如永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 5 圖 所示。 圖 三相定子坐標系 定子靜止直角坐標系 (?? 坐標系 ) 為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標系即 ?? 坐標系 (圖 )，其 α軸與 A 軸重合，軸超前 β軸 900。如果在 ?? 軸組成的兩相繞組內通入兩相對稱正弦電流時也會產生一個旋轉磁場，其效果與兩相繞組產生的一樣。因此可以將兩相坐標系代替三相定子坐標系進行分析，從而達到簡化運算的目的。 圖 定子靜止坐標系 轉子旋轉直角坐標系 (dq 坐標系 ) 轉子旋轉坐標系固定在轉子上 (圖 )，其 d 軸位于轉子軸線上， 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。該坐標系和轉子一起在空間以轉子速度旋轉，故相對于轉子來說，此坐標系是靜止的，又稱為同步旋轉坐標系。 圖 定子靜止坐標系與轉子旋轉坐標系 ABC???dq ABCαβ?1 2 0永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 6 定子旋轉直角坐標系 (xy 坐標系 ) xy 坐標系為隨定子磁鏈旋轉的坐標系 (圖 )，定子磁鏈的方向為 x 軸的正 方向， Y軸超前 x 軸 ?90 。同時，定義 x 軸與 d 軸的夾角為轉矩角 ? ， x 軸超前 d 軸時轉矩角為正。 三相定子坐標系與兩相定子坐標系變換 (3s2s) 圖 中繪出了 ABC 和 ?? 兩個坐標系，為了方便起見， 取 A 軸與 α軸 重合。設三相繞組每相有效匝數為 N3 ，兩相繞組每相有效匝數為 N2 ，各相磁動勢為有效匝數與電流的乘積，其空間矢量均位于有關相的坐標軸上。設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，則兩套繞組瞬時磁動勢在 α， β軸上的投影也 相 圖 定子坐標系和轉子坐標系 等，即 寫成矩陣形式得： () 考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數比應為 () 代入式（ ）得 ????????????????????????????????CBAiiiNNii232302121123??3223 ?NN????????????????????????????????CBAiiiii232302121132???xydqsUsis??)(2 360s i n60s i n)2121(60c o s60c o s333233332CBCBCBACBAiiNiNiNiNiiiNiNiNiNiN????????????????永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 7 () 令 2/3C 表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣，則 () 如果三相繞組是 Y 型聯結不帶零線，則有 ] 0??? CBA iii ，代入式（ ）和式（ ）并整理后得 : () 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換陣 [1]。 兩相定子坐標系與兩相旋轉坐標系變換 (2s2r) 圖 是兩相坐標系到兩相旋轉坐標系的變換，簡稱 2s2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉。把兩個坐標系畫在一起，如圖 24 所示。兩相交流電流 ?i 、 ?i 和兩個直流電流 di 、 qi 產生同樣的以同步轉速 1? 旋轉的合成磁動勢 sF 。由于個繞組匝 數都相等，可以消去磁動勢中的匝數，直接用電流表示。 在圖 中， d、 q 軸和矢量 sF （ si ）都以轉速 1? 旋轉，分量 di 、 qi 的長短不便，相當于 d、 q 繞組的直流磁動勢。但 ? 、 ? 軸是靜止的， ? 軸與 d 軸的夾角 ? 隨時間而變化，因此 si 在 ? 、 ? 軸上的分量 ?i 、 ?i 的長短也隨時間變化，相當于 ? 、 ? 繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見， ?i 、 ?i 和 di 、 qi 之間存在下列關系 圖 兩相靜止和旋轉坐標系與磁動勢（電流）空間矢量 ????????????????2323021211322/3C?????????????????????????BAiiii221032??a223。d???i?iqidis?)(ssiF1?q永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 8 ??? sinco s qd iii ?? ??? co ssin qd iii ?? 寫成矩陣形式，得 () 式中 () 是兩相旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣。 對式 （ ） 兩邊都左乘以變換陣 的逆矩陣，得 ???????????? ?????????????? ???????? ? ???? ?? ???? ?? iiiiii qd c oss i n s i nc osc oss i n s i nc os 1 () 則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系的變換陣是 : ???????? ?? ?? c oss in s inc os2/2 rsC () 電壓和磁鏈的旋轉變換陣也與電流（磁動勢）旋轉變換陣相同。 兩相定子坐標系與兩相轉子旋轉坐標系的變換（ 2t2s） 分別定義， dq 坐標系是建立在轉子上的旋轉坐標， xy 坐標系是建立在定子上的旋轉坐標系 ， 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 矩角。 永磁同步電機的數學模型 當永磁同步電機的定子通入三相交流電流工時，三相電流在定子繞組電阻 sR 上產生電壓降 ssIR 。由三相交流電流 sI 產生的旋轉電樞磁動勢 ?F 及建立的電樞磁場 ?? ，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產生感應電動勢 ?E ，另一方面以電磁 力拖動著轉子以同步轉速 sn 旋轉。電樞電流 sI 還會產生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通 ?? ，??????????????????? ???????? qdsrqd iiCiiii 22c oss i n c osc os ?? ?????????? ?? ?? ?? c oss in c osc os22 srC永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的設計 9 并在定子繞組中產生感應漏電動勢 ?E 。此外轉子永磁體產生的磁場 0? 也以同步轉速切割定子繞組，從而產生空載電動勢 0E 。為了簡化分析過程，在建立數學模型時常忽略一些影響較小 的參數，作如下假設： （