【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng) 的 一 個(gè) 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(gè) 系 數(shù) 。 功 率 因 數(shù) 低 ， 說(shuō) 明 電 路 用 于 交 變 磁 場(chǎng) 轉(zhuǎn) 換 的 無(wú) 功 功 率 大 ， 從 而 降 低 了 設(shè) 備 的 利 用 率 ， 增 加 了 線(xiàn) 路 供 電 損 失 。 所 以 ， 供 電 部 門(mén) 對(duì) 用 電 單位 的 功 率 因 數(shù) 有 一 定 的 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 。 同步電動(dòng)機(jī)的功率特性 同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(guò)氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子。通過(guò)電磁作用傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，就是同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率 Pem，再經(jīng)過(guò)電磁轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成輸出功率 P2。同步電動(dòng)機(jī)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(jī)械損耗?忽略電樞電阻時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)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(xiàng) Pe1= 稱(chēng)為基本電si0UmE磁功率；第二項(xiàng) Pe2= 稱(chēng)為附加電磁功率。附加電磁功率與?2sin12???????xdqmU勵(lì)磁無(wú)關(guān)，且僅當(dāng) Xd Xq(即交、直軸磁阻互不相等)時(shí)才存在，故也稱(chēng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行是靠定子線(xiàn)圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子上磁鋼間的相互吸引，使轉(zhuǎn)子與定子氣隙磁場(chǎng)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(wú)勵(lì)磁電流，其空載損耗小。電動(dòng)機(jī)效率可達(dá) 96%左右，較三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的反電勢(shì)點(diǎn)時(shí)，永磁電機(jī)呈感性負(fù)載運(yùn)行；反之，電動(dòng)機(jī)呈容性負(fù)載運(yùn)行。因此，電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)造成電機(jī)的功率因數(shù)波動(dòng)，補(bǔ)償困難。若電壓幅值與電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)點(diǎn)接近，偏差在177。2%電壓范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(guò)對(duì)各單井點(diǎn)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(shí)測(cè)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(xiàn)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(shì)。(4)當(dāng)運(yùn)行電壓高于永磁電機(jī)的反電勢(shì)點(diǎn)時(shí)，可根據(jù)感性無(wú)功功率的大小，加電容補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)。(5)當(dāng)運(yùn)行電壓低于永磁電機(jī)的反電勢(shì)點(diǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)變壓器分接開(kāi)關(guān)，適當(dāng)提高二次電壓的幅值，使電機(jī)運(yùn)行電壓在反電勢(shì)點(diǎn)附近，提高功率因數(shù)。(6)對(duì)于重負(fù)荷長(zhǎng)線(xiàn)路，調(diào)節(jié)變壓器分接開(kāi)關(guān)后，變壓器二次電壓幅值仍低于永磁電機(jī)反電勢(shì)點(diǎn)時(shí)，可更換永磁同步電機(jī)，采用電容柜補(bǔ)償。永磁同步電動(dòng)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 永磁同步電動(dòng)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(shí)，在電機(jī)的勵(lì)磁不變情況下，改變定子供電電壓時(shí)，通過(guò)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(xiàn)圖中仿真曲線(xiàn)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?。?duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁是恒定的，但是調(diào)整外部電壓 U 相當(dāng)于調(diào)整勵(lì)磁電流 If，U=f(Ia)。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載不變時(shí)，減小電樞電壓，為了保持平衡，繞組就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生較小的氣隙感應(yīng)電勢(shì)，由于電樞反應(yīng)，氣隙合成磁場(chǎng)就應(yīng)減小，又因?yàn)閯?lì)磁磁鏈不變，所以此時(shí)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(shí)，情況與之相反。由上可知，可以通過(guò)控制電機(jī)電源來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)我們可以通過(guò)控制定子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)綜合磁場(chǎng)的效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)的控制。 勵(lì)磁與功率因數(shù)的仿真分析 永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁狀況對(duì)電機(jī)的性能有很大的影響，為了直觀(guān)的了解永磁體的強(qiáng)度對(duì)電機(jī)的影響，在永磁同步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載、正弦電壓供電時(shí)，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(xiàn)，如圖 22所示8圖 22 勵(lì)磁與功率因數(shù)的仿真分析由上述波形可知，正常勵(lì)磁時(shí)，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??；在電流為感性的情況下，隨著勵(lì)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(shí)，隨著勵(lì)磁增強(qiáng)，功率因數(shù)減小。所以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，恰當(dāng)?shù)剡x擇永磁體對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)是有很大的影響的。 永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制理論 永磁同步電動(dòng)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(jì)鐵心的渦流損耗與磁滯損耗；(3)定子電樞繞組的空載電勢(shì)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(dòng)機(jī)極對(duì)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(duì)于 PMSM 來(lái)說(shuō)，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?yàn)?軸固定在 A 相軸線(xiàn)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(xiàn)重合，q 軸超前 d 軸 90 度，并且 d 軸與 A 相軸線(xiàn)夾角為 ，dq 坐標(biāo)系以電角速度 一起旋轉(zhuǎn)，因此稱(chēng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制，控制電路簡(jiǎn)單。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是易實(shí)現(xiàn)、價(jià)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(hào)，因此不能實(shí)時(shí)獲得電機(jī)的工作狀態(tài)，無(wú)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(yùn)算以及高速的數(shù)字信號(hào)處理器，所以在最初幾年里，該理論一直無(wú)法實(shí)得到證實(shí)，直到 1979 年，日本首次將該技術(shù)用于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)造紙機(jī)，僅過(guò)一年，日本又將該技術(shù)首次引入永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)。12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(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。磁場(chǎng)定向矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載。矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是具有精確的速度控制和良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并可實(shí)現(xiàn)零速全負(fù)載控制，具有類(lèi)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(chǎng)的準(zhǔn)確位置，通常通過(guò)安裝絕對(duì)編碼器等轉(zhuǎn)子位置傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的準(zhǔn)確位置。由于矢量控制要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化敏感、運(yùn)算量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對(duì)矢量控制的這一缺點(diǎn)，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制 [9]。其控制思想是通過(guò)對(duì)定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制 [11]。（4）轉(zhuǎn)矩電流