【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng) 的 一 個 重 要 的 技 術(shù) 數(shù) 據(jù) 。 功 率 因 數(shù) 是 衡 量 電 氣 設(shè) 備 效 率 高低 的 一 個 系 數(shù) 。 功 率 因 數(shù) 低 ， 說 明 電 路 用 于 交 變 磁 場 轉(zhuǎn) 換 的 無 功 功 率 大 ， 從 而 降 低 了 設(shè) 備 的 利 用 率 ， 增 加 了 線 路 供 電 損 失 。 所 以 ， 供 電 部 門 對 用 電 單位 的 功 率 因 數(shù) 有 一 定 的 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 。 同步電動機的功率特性 同步電動機運行時，從電源吸收的電功率 P1，除一小部分消耗在電樞繞組外，其余部分都通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子。通過電磁作用傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，就是同步電動機的電磁功率 Pem，再經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成輸出功率 P2。同步電動機的功率方程為P1=Pcu + PemPem=Pfe+P +P2 ?????????（21）式中 Pcu???定子銅耗Pfe 鐵耗P ???機械損耗?忽略電樞電阻時，同步電動機的電磁功率為 Pem P1=3U1I1cos?????????????????????? （2?2）式中 ?——電樞的功率因數(shù)角由此可知功角特性為：6 Pem= + （2?sin0xdUmE?2sin12???????xdq3）式（23 ）就是功角特性的表達(dá)式。式中第一項 Pe1= 稱為基本電si0UmE磁功率；第二項 Pe2= 稱為附加電磁功率。附加電磁功率與?2sin12???????xdqmU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 影響永磁同步電機功率因數(shù)的原因永磁同步電動機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。電動機效率可達(dá) 96%左右，較三相異步電動機高。影響永磁同步電機功率因數(shù)的原因是電壓質(zhì)量（電壓幅值）和負(fù)載率。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于電動機的反電勢點時，永磁電機呈感性負(fù)載運行；反之，電動機呈容性負(fù)載運行。因此，電網(wǎng)電壓波動會造成電機的功率因數(shù)波動，補償困難。若電壓幅值與電動機反電勢點接近，偏差在177。2%電壓范圍內(nèi)時，電機功率因數(shù)大于或等于 ，否則，功率因數(shù)較低；另外，當(dāng)永磁同步電機的負(fù)載率低于25%時，電機功率因數(shù)也偏低。 提高永磁電機功率因數(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，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的空載反電勢。(4)當(dāng)運行電壓高于永磁電機的反電勢點時，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反電勢點時，可更換永磁同步電機，采用電容柜補償。永磁同步電動機功率因數(shù)的仿真分析轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型7 永磁同步電動機的功率因數(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。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)楦行浴τ谟来磐诫妱訖C，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我們可以通過控制定子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機綜合磁場的效果，從而實現(xiàn)對電機功率因數(shù)的控制。 勵磁與功率因數(shù)的仿真分析 永磁同步電動機的勵磁狀況對電機的性能有很大的影響，為了直觀的了解永磁體的強度對電機的影響，在永磁同步電動機帶額定負(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8圖 22 勵磁與功率因數(shù)的仿真分析由上述波形可知，正常勵磁時，電機的功率因數(shù)角為 0，即功率因數(shù)為 1，定子電流幅值最??；在電流為感性的情況下，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，功率因數(shù)減小。所以在電機設(shè)計時，恰當(dāng)?shù)剡x擇永磁體對永磁同步電動機的功率因數(shù)是有很大的影響的。 永磁同步電動機功率因數(shù)的仿真分析轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型93 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型及控制理論 永磁同步電動機的數(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： qrdsdpiru?????（31） drqsq（32）磁鏈方程： （3fddiL???3） qq（34）電磁轉(zhuǎn)矩方程： )(23iTdqdep??? = （3Lqf[?5）上述式中，R s 為定子繞組相電阻， 和 是定子磁鏈 d 軸和 q 軸上的分dq量,u q 和 ud 是定子電壓 d 軸和 q 軸上的分量，L d 和 Lq 分別是 d 軸和 q 軸電感，是轉(zhuǎn)子電角速度， 是永磁磁極產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈，p 為電動機極對r?f?數(shù)。PMSM 的狀態(tài)方程：10 （36）??????????????????? LuiRLi qfrdqdqdrrsqdp ???1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 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 一起旋轉(zhuǎn)，因此稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，?r?如圖 31 所示。圖 31 坐標(biāo)變換圖abcdq/??在圖 31 中，三相靜止坐標(biāo)系下，三相電流可以為： 1os?Iia? （3)32c(??b7） )os(1???Iic在恒定轉(zhuǎn)速下， ， 合成磁場與 d 軸的夾角。??????t1 采用 變換，靜止坐標(biāo)系 與 abc 的關(guān)系為：23?? （3?????????????????cbaiii 230132?永磁同步電動機功率因數(shù)的仿真分析轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型118） 采用 變換，abc 坐標(biāo)系與 的變換關(guān)系為：32?? （3????????????????????iiicba23109） 采用 abc/dq 變換，有： （3????????? ?????????? cbaqd iii )32sin()32sin(i coco32????10）采用 dq/abc 變換，有： （3???????????????????? qdcba iii )32sin()32os(ic????11） 永磁同步電動機的控制策略 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，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)用于異步電機驅(qū)動造紙機，僅過一年，日本又將該技術(shù)首次引入永磁同步電機驅(qū)動軋鋼機。12矢量控制的核心思想是參照直流電機的控制策略，將電機三相電流、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。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