【正文】 傳統(tǒng)同步電機的轉子繞組采用直流激磁，在同步電機恒速運行時，調(diào)節(jié)轉子激磁電流即可調(diào)節(jié)同 步電機的功率因數(shù)，功率因數(shù)可超前或滯后，也可以等于 1。在恒定頻率下運行的大型同步電機存在著起動困難、運行過程易發(fā)生失步和振蕩的問題，因此對同步電機的轉速進行控制是比較困難的。通過檢測同步電機轉子磁極的位置，以適當?shù)捻樞蚩刂婆c電機繞組相連的閘流管導通，代替直流電機的換向器和基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 2 電刷的功能，形成由變流器供電的自控式同步電機，也稱為無換向器電機。 1969 年 BBC 公司研制成功世界上第一臺 6400KW 交交變頻同步電機傳動裝置，用于法國倫伯爾基水泥廠水泥球磨機無級調(diào)速傳動。 1981年西門子公司研制成功世界上第一臺 4220KW 交交變頻同步電機調(diào)速系統(tǒng)，用于礦井提升機傳動，同年該公司又研制成功第一臺 4000KW 軋機傳動交交變頻同步 電機調(diào)速系統(tǒng)，使大容量交流同步電機調(diào)速系統(tǒng)登上了高性能調(diào)速的舞臺，標志著這一技術的成熟，至今為止，世界上已有上千套軋機及礦井提升機傳動采用了交流變頻同步電機調(diào)速系統(tǒng)此外，負載換流交直交變頻器廣泛應用于高爐鼓風機、空壓機以及抽水蓄能電站的大型同步電機變頻起動，并應用于長距離油氣輸送大功率高速壓縮機的驅動隨著永磁同步電機、直線同步電機等新型電機技術的迅速發(fā)展，大功率永磁同步電機變頻調(diào)速已成功應用于大型艦船電力推進，永磁同步電機的功率已超過 10MW。交流同步電機調(diào)速正在發(fā)揮越來越重要的作用。轉子直流激磁電流可由電力電子激磁裝置通過集電環(huán)和電刷送到繞組中，也可以采用無刷激磁的方式，即在同步電機軸上安裝一臺交流發(fā)電機作為激磁電源，感應的交流電經(jīng)過固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電機的激磁繞組。 （ 2）永磁同步電機 永磁同步電機的轉子一般采用稀土永磁材料做激磁磁極，如衫鉆合金、欽鐵硼合金等，永久磁鐵激磁使電機的體積和重量大為減小，而且永磁同步電機效率高、結構簡單、維護方便、運行可靠，是工業(yè)中最常見的同步電機。目前已有開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的系列產(chǎn)品，但單機容量還不夠大。它是 20 世紀下半葉電工領域出現(xiàn)的一項高新技術直線同步電機具有高速、大推力的特點，適合在軍事、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)輸送線等領域做各種橫向或垂直運動的電氣傳動。同步電機與異步電機各有其特點，近20 年來，世界各國電氣公司和學術界對此爭論不休，但進入 20 世紀 90 年代，對于大容量交流電機調(diào)速，世界各國己基本趨向于同步電機。而永磁同步電機則在其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的維護量要少得多。尤其是近年來軋機主傳動普遍采用隱極式同步電機，其轉子堅固性與籠形電機相近。 （ 2）功率因數(shù) 同步電機由于獨立的轉子激磁調(diào)節(jié)控制，可使其定子功率因數(shù)保持為 1。為了改善電機的功率因數(shù)，可以降低電機的磁通密度，但受到了電機的材料設計限制另一種提高功率因數(shù)的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，因而又會進一步惡化功率因數(shù)。 （ 3）變頻器容量 由于異步電機的激磁能量是從定子側供給的，同時異步電機功率因數(shù)低于同步電機，視在功率高于同步電機，故異步電機調(diào)速的變換器容量比同步電機大 30%左右。為了提高其功率因數(shù)，異步電機盡可能將電機氣隙減少，但減少氣隙要求電機制造 工藝具有更高的加工精度，而細長結構的撓度也限制了氣隙的減少，使大功基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 4 率變頻調(diào)速異步電機的設計和制作更加困難。由于同步電機激磁從轉子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機可以設計成細長結構，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設計。異步電機的轉動慣量和尺寸要比同步電機大。為了消除這一影響，必須進行轉子參數(shù)辨識控制，該課題一直是國 內(nèi)外學者科研攻關的難題。 同步電機的調(diào)速控制系統(tǒng) 同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)從控制方式上可分為兩大類一類為他控式變頻調(diào)速另一類為自控式變頻調(diào)速。同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)一般采用自控式運行，即變頻器供電給同步電機，定子的頻率是由轉子位置或磁場位置決定的，并跟隨轉子位置的旋轉自動變化，自控式同步電機不存在他控式同步電機 的失步問題。而交流電機的可控量是輸人交流電壓、電流，其轉矩與磁場是復雜禍合的，不能簡單地實現(xiàn)解禍控制，所以交流電機的轉矩控制長期以來成為電機調(diào)速領域的難題。在這些理論研究成果的基礎上， 1971 年德國西門子公司 等發(fā)表的論文《感應電機磁場定向的控制原理》和美國 與 申請的專利《感應電機定子電壓的坐標變換控制》，經(jīng)過各國學者和工程師的研究、實踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普遍應用的交流電機磁場定向控制系統(tǒng)，也稱為矢量控制系統(tǒng)。這一原理的基本出發(fā)點是考慮到交流電機是一個多變量、強藕合、基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 5 非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確地控制電磁轉矩。 1972 年德國西門子公司學者 Bayer 繼 Blaschke 異步電機矢量控制原理發(fā)表之后，提出同步電機矢量控制原理 。該控制原理及構成的同步電機矢量控制系統(tǒng)已廣泛應用于工程實際。研究證明，阻尼繞組是抵消動態(tài)過程的電樞反應，改善磁鏈與轉矩解禍控制特性的有效手段。阻尼繞組加快了定子電流響應，維持磁鏈恒定恒磁鏈控制，產(chǎn)生異步轉矩來抑制負載角振蕩，提高了向步電機的過載能力。但是，同步電機如何綜合動態(tài)異步及穩(wěn)態(tài)同步進行控制，動態(tài)過程陽尼電流的變化規(guī)律，阻尼電流能否受控，尚需要進一步研究。同步電機的磁場定向與磁場控制是兩個不同的概念。而磁場控制則是以某一磁場幅值和相位為目標加以控制，在任意坐標系下都可以對某一 磁場加以控制。同步電機的磁場中有轉子激磁磁鏈、氣隙磁鏈、定子磁鏈，還有阻尼磁鏈選擇不同的磁鏈作定向坐標軸線，同步電機運行特性也不同。 電機功率因數(shù)為 1 和滿速負載時電機定子電壓保持不變，可以充分利用電機和變頻裝置的容量，降低設備投資，這對于大型同步電機變頻調(diào)速顯 然重要。磁場定向控制系統(tǒng)如何保持電機功率因數(shù)為 1 和滿速負載時電機定子電壓不變，減少設備容量，這是待研究的課題。無傳感器的速度與位置的觀測估計成為交流調(diào)速領域熱門的研究課題?；谀：壿嫽蛉?工神經(jīng)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)具有更好的負載擾動及非線性參數(shù)變化的魯棒性，并且無需依賴數(shù)學模型的設計。 近年來，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，在電氣傳動技術領域引起一場變革，即電氣傳動從傳統(tǒng)的模擬控制轉向計算機直接數(shù)字控制，采用計算機的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)控制精度高、動態(tài)性能好、調(diào)整容易、維護方便、可靠性高，可實現(xiàn)故障自診斷，并可與自動化系統(tǒng)通信，實現(xiàn)信息遠程傳遞，為新的控制理論和控制 系統(tǒng)的運用奠定了基礎。近年來，數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個發(fā)展趨勢，一個是采用單片微處理機或專用 IC 芯片，硬件高度集成化、專用化，提高系統(tǒng)可靠性，降低裝置價格另一個發(fā)展趨勢是硬件通用化，軟件模塊化、可編程化。對于大型同步電機調(diào)速系統(tǒng)，為了使其適用于更復雜的工藝要求，多采 用通用的計算機硬件、 32 位或 64 位微處理機、多 CPU 結構和模塊化軟件編程。 隨著微處理機技術的進一步發(fā)展，大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路芯片、 DSP 以及 RISC 工等高速運算芯片已在數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)中應用 `新的控制理論、控制系統(tǒng)將會取代傳統(tǒng)的控制方式，交流調(diào)速系統(tǒng)更加完善，傳動性能進一步提高。調(diào)速 系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一個智能終端，形成“系統(tǒng)型”數(shù)字控制調(diào)速。 現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展 電力電子技術的發(fā)展對電機控制技術的發(fā)展影響極大，它們是密切相關和相互促進的。 電力電子時代是從 20 世紀 50 年代末晶閘管的出現(xiàn)開始的，后來陸續(xù)出現(xiàn)了其他種類的器件，諸如控制極可關斷晶閘管，雙極型大功率晶體管仍，功率場效應晶體管伽，絕緣門極雙極型晶體 管，靜態(tài)感應晶體管，靜態(tài)感應晶閘管， MOS 控制的晶閘管等。 功率場效應晶體管是一種單極型的電壓控制器件，具有驅動功率小、開關速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點。功率 MOSFET 開關損耗極小，可補償導通壓降高的缺點，適用于高頻工作。 絕緣門極雙極型晶體管出現(xiàn)于 20 世紀 80 年代。高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極型器件的優(yōu)越通態(tài)特性相結合的器件。 IGBT、 MOSFET 等全控型器件具有自關斷能力，組成逆變器時不需要晶閘管系統(tǒng)所必需的換相電路，簡化了電路結構提高了效率。 值得一提的是，新型控制系統(tǒng)中開始使用智能功率模塊 IPM，這種模塊集成了控制電路功能和大功率電子開關器件，包括了輸入隔離，能耗制動，過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能。 PWM 技術的應用 脈寬調(diào)制技術是現(xiàn)代電力電子技術的實際應用，是電機變頻控制技術的最終輸出環(huán)節(jié)，隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置如交流傳動、不間斷電源和有源濾波器中的應用越來越廣泛， PWM 控制技術作為這些系統(tǒng)的核心技術，引起了 人們的高度重視，并得到深入的研究。目前，幾乎所有的變頻調(diào)基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 8 速裝置都采用這一技術。 目前，采用高速功率器件的電壓型 PWM 變頻器的主導控制技術有 （ 1）基于正弦波和三角波脈寬調(diào)制的 SPWM 控制。 （ 3）基于電流滯環(huán)跟蹤的 CHPWM 控制。 這四種 PWM 技術中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標，第三種是以輸出電流接近正弦波為控制目標，第四種是以被控電機的旋轉磁場接近圓形為控制目標。 空間矢量 SVPWM 控制從電動機角度出發(fā)，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同的工作模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結果決定變頻器的開關模式，形成 PWM 波，這 種方法就叫做“磁鏈軌跡跟蹤控制”?？臻g矢量法是目前國際上比較先進的變頻工作模式，由于其供給電動機的是理想磁鏈圓，因此，電動機工作更平穩(wěn)，噪音更低，同時也提高了電動機的工作效率，提高了電源電壓的利用效率。 本論文的研究背景與主要內(nèi)容 在課題的準備階段，作者查閱了大量的相關資料，包括目前各大電氣企業(yè)的相關產(chǎn)品資料，相關技術文獻、期刊、參考書，以及往屆各大重點院校的碩士學位論文等。 本論文的主要內(nèi)容包括 （ 1）結合文獻資料，介紹了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)相關的技術背景。 （ 3）深入分析了電機的矢量控制理論，通過永磁同步電機的數(shù)學模型推導出矢量控制算法的實現(xiàn)方法，介紹了 矢量控制所用到的 Clarke 變換， Park 變換以及 Park 逆變換。 （ 4）介紹了空間矢量 SVPWM 技術的原理，分析了空間矢量 SVPWM 技術的實現(xiàn)方法。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 10 2 永磁同步電機的原理與數(shù)學模型 永磁同步電機組成與原理 與傳統(tǒng)電機一樣，永磁同步電機的本體是由定子和轉子兩大部分組成。其定 子和異步電動機的定子結構基本相同。圖 為永磁同步電機定子與轉子的示意圖。通常由磁極鐵心、勵磁繞組、永磁磁剛及磁扼等部分組成。勵磁繞組由直流勵磁電源供電，其正確連接應使相鄰磁極的極性呈 N 與 S 交替排列。永磁同步電機的勵磁磁場可視為恒定。 由上可知，永磁同步電機運行時存在著兩個旋轉磁通勢一是定子旋轉磁通勢，又稱電樞旋轉磁通勢 Fa，它由定子三相電流通過定子三相繞組產(chǎn)生 。要想使永磁同步電機連續(xù)運轉，必須保證電樞旋轉磁通勢 Fa，與勵磁旋轉磁通勢 Fo以同一轉速 沿同一方向旋轉，即通入定子電流的角頻率與轉子的旋轉角頻率一致，而且由定子，轉子所產(chǎn)生的兩磁場應保持一定的角度。如圖 ，通常 Fa與 Fo 呈度角，這樣可以獲得最大的轉矩。 （ 2）永磁同步電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電機轉矩的擾動具有較強的承受能力。 以上詳細說明了永磁同步電機的結構特點與運行原理，為下面的介紹永磁同步電機的數(shù)學模型提供結構方面的基礎。同感應電機一樣，將正向電流流經(jīng)一相繞組產(chǎn)生的正弦磁動勢波的軸線定義為相繞組的軸線，并將 A 軸作為ABC 軸系的空間參考坐標假定感 應電動勢的正方向與電流的正方向相反，取逆時針方向為轉速和電磁轉矩的正方向，負載轉矩正方向則與此相反。 圖 永磁同步電機 ABC 坐標系 在建立數(shù)學模型之前，先做如下假設 （ 1）忽略鐵心飽和，不計渦流和磁滯損耗 （ 2）永磁材料的電導率為零 （ 3）轉子上沒有阻尼繞組 （ 4）相繞組中感應電動勢波形為正弦 （ 5）定子繞組的感應電動勢波形為正弦波形，磁動勢為正弦形分布。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設計與仿真 13 圖 中，取轉子永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的基波部分，于是 f? 為勵磁空間矢量。于是可寫出以軸系表示的定子電壓矢量方程 )( rjfsssss edtddtdiLiru ????? （ ） 其中， su 為定子電壓空間矢量， sR 為定子相電阻 sL 為電機等效同步電感。這樣，式 中的同步電感就不一定是常數(shù)，會給問題的分析帶來很大的困難。此時取永磁體基波 勵磁場軸線 (磁極軸線 )為 d 軸 (直軸 )，順著轉子旋轉方向超前 d 軸 90 電角度為 q 軸 (交軸 )， dq 軸系以電角速度 r? 隨同轉子一道旋轉，它的空間坐標以 d 軸與 A 軸間的電角度 r? 決定。 圖 永磁同步電機 dq 坐標