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1、第 页湖南大学毕业设计(论文) HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目交流永磁电机弱磁 控制研究 学生姓名 学生学号 专业班级 学院名称 电气与信息工程学院指导老师 学院院长 2015 年5 月 18 日第一章绪论11论文研究背景及意义 随着消费者需求提高，商人们开始让他们工厂设计下一代电力推动系统，而且我想这将会在很大程度上依靠高性能表现的电机，尤其是电力交通行业。采用高能量的永磁体作为激励，永磁同步电机在设计上采用高能量密度，高速度和高运行效率，这使得它成为生产厂商摆在第一位的选择。 近年来，随着稀土永磁材料的发展与电子功率器件的进步，永磁同步电动机也在不停的发展，并取得了
2、广泛的应用，关于永磁同步电机，研究的一大热点便是弱磁控制。同时材料技术的发展，尤其是永磁材料的发展应用，促使电机在很大的程度上不受电枢反应的去磁作用影响，允许在直轴上通过较大的去磁电流。同时为了使电机运行于高速区，拓宽电机系统的调速范围。电压型逆变器驱动电机系统中，电机的端电压无法提高的情况下，弱磁控制能够使电机转速，使电机运行在额定转速以上。在相当多的驱动应用领域中，常常需要恒功率控制与宽调速范围运行，电机的弱磁控制受到了更多的关注，使其更具有研究价值。12永磁同步电机简介121 永磁同步电机发展概况电机的磁场通常由电磁作用产生，但是有大消耗、高功耗、低效率等一系列缺陷。电机问世的时候，有人
3、开始预想把电磁磁场换成永久磁场，但是当时天然的永磁材料性能不能满足电机要求。直到1930年前后，人工的永磁材料，即铝镍钴合金，才在诞生于美国的贝尔实验室，它能够满足电机要求，它使得实用的永磁电机得以产生。永磁同步电机的发展和永磁材料的发展是分不开的，尤其是稀土永磁材料的出现与发展。122 永磁同步电机特点及前景永磁同步电动机的结构简单、相对体积要小、重量要轻、损耗也要低、效率却更高，拿直流电机来比较，它完全无视直流电机换向与电刷等缺点。拿异步电动机比较，它不需要无功励磁电流，效率更高，功率因数也高得多，而且力矩惯量比很大，定子电阻损耗以及定子电流损耗变小，而且转子参数可测、有很好的控制性能；但
4、它与异步电机相比较，也有高昂的成本、起动比较困难等缺点。和普通同步电动机相比，它不需要励磁装置，结构更简化，效率得到了提升。 矢量控制系统可以得到精度更高、动态性能更好、调速范围更大的定位控制，所以，矢量控制系统能够得到研究者的广泛关注。永磁同步电机根据转子结构可分为三类：表面式、径向式和混合式结构，其中表面式结构简单、转动惯量小，但交、直轴电感接近，磁阻转矩分量接近为零，对安装工艺要求高。径向式结构漏磁系数小、转轴不需要采取隔磁措施，转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不容易变形，其中v型径向结构能得到更大的永磁体安装空间，以减小电机的体积，提高电机功率密度。混合式结构集合了前两者的优点，能
5、获得更高的转矩密度和更宽的恒动范围提供更大的永磁体摆放空间，减小电机的体积，提高电机功率密度，但是成本更高、工艺更复杂。至于永磁同步电机的发展应用前景，由于我国永磁材料资源比较丰富，尤其是稀土永磁材料-钕铁硼资源，、储藏量远超其他国家，被称为“稀土王国”。目前我国的稀土永磁电机水平和稀土永磁材料水平都达到了一定的高度。所以说对我国来说，永磁同步电动机很有机遇。13弱磁控制的研究现状近年来，对于系统的精密性、准确和快速性有了更高的要求，永磁同步电机控制越来越多的利用矢量控制理论进行研究开发。由于电机的转子是永磁转子，转子的磁链是近似不变的，所以控制时一般采用转子磁链向的方式。弱磁控制越来越多的受
6、到研究人员的关注，近几十年，全世界的研究者们做了大量的工作，取得了较为丰富的研究成果。目前，研究方向依然是从电机本体和控制两个角度来展开，虽然得出了许多成果，但是不管是从电机本身还是控制角度来看，都无法在转速、功率和转矩方面得到和谐的统一，故在弱磁控制方面的研究仍需要做出大量的努力。1. 4论文研究内容与结构安排 本文第一章主要介绍了永磁同步电机的概况，并说到了永磁同步电机的特点及发展情景，从而引申出论文的主题：交流永磁同步电机弱磁控制研究，这也是当下永磁电机的研究热门，并且介绍了弱磁控制的研究现状，对课题有了一个初步的认识。从第二章开始，第二章主要介绍了永磁同步电机的矢量控制，熟悉电机的矢量
7、模型，讲了一些关于永磁同步电机的矢量控制方法，为后面的弱磁控制打下一个基础。第三章主要介绍弱磁控制的基础原理，阐述弱磁控制如何实现。第四章开始建立仿真模型，并结合所给的数据进行仿真，对同步电机弱磁控制能有一个直观的认识。第二章交流永磁同步电机矢量控制21 永磁同步电机的数学模型和运动方程永磁同步电机的电磁关系分复杂，在绕组之间，绕组永磁体之间存在相互影响，也存在非线性因素例如磁路饱和等原因，因此，建立数模很有必要：(1)定子铁芯的饱和忽略计，电感参数不变，且认为磁路线性；(2)忽略转子阻尼绕组。(3)铁芯的涡流磁滞损耗忽略不计；(4)定子电枢绕组产正弦波感应电动势，转永磁体的气隙磁场也以弦波形
8、式分布在气隙空间；211 在三相静止坐标系下永磁同步电机的数学模型 如图所示，作出内部结构等效的电路图模型，可以得到定子的三相电压方程，如式(2-1)所示： (2-1) 上式中，、为三相定电压；、为三相定电流；为定每相绕组电阻；、为三相定磁链，能够得到定磁链方程： （2-2）式中，为转子磁体与定子绕组链磁链；、分别代表定子绕组的自感系数；、和代表定子绕组间感系数，是转子的磁极轴线与电机A相之间定子绕组的夹角。 图2-1 三相等效电路图 图2-2 三相静止坐标系下的示意图 可以看出，电压与磁链方程中存在定绕组自感系数与感系数，而且变量都随电机的转速改变不断变化，要避开某些因素对电数学模型的影响，
9、需要发现磁链与电压的线性关系，因而我们可以很好地将坐标变换理论运用其中。212在两相旋转坐标系下的数学模型 为了使转矩控制性能加强，常常需要用到矢量控制，但是最终还是需要通过对定电流进行控制来实现。而定子侧各物理量是交流量，它的空间矢量空间是以步转速进行旋转，而且得到的电机参数都是关于转子位置的角的函数，所以直接计算、调、控制十分复杂，需要借助d-q坐标换，将各物理量ABC三相静坐标转换到两相同步的旋转坐标系中进行计算、调节与控制。永磁同步电机义d、q两相步旋转坐标系d轴与转子磁极轴线重合，q轴则逆针超前d轴900角度，d轴与机A相定子绕组的轴线的夹角为，而且在空间跟随转子以电角速度旋转。如图
10、所示，ABC三相静坐标系和d、q两相同步旋转坐标系。ABC三相静坐标系下的物理量利用幅值不变的约束条件变换到d、q相旋转坐标系下，得下式： （2-3） 图2-3 三相静止坐标系与两相同步旋转坐标系 上图中的F代表电压、磁链和电流，为d、q坐标系与ABC坐标系之间夹角，。由于系统三相对称并且中心点不接地，所以变换后零轴分量。可知上图中三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系的矩阵C为： （2-4）与此相反，两相旋转坐标系d、q变换到三相静止坐标系ABC坐标矩阵为： （2-5） 故，式（2-3）可表示为： （2-6）永磁同步电机定子磁链方程可知：2-7 化简上式得 （2-8） 可知，与分别表示交轴电
11、抗和直轴电抗。 定子的三相电压在同步旋转坐标系d、q中的坐标的映射表达式为： （2-9） 其中，电角速度（表示电机机械角速度，表示电机极对数），p为微分算子 计算可得 （2-11） （2-12）得到如下交轴、直轴电压的等效电路图。 图2-4 直轴等效电路 图2-5 交轴等效电路213永磁同步电机的运动方程+转矩方程如下式所示： （2-12）结合2-8与2-12得磁链在旋转坐标系下电流和电感关系，可以得到： （2-13）电机转矩平衡方程为： （2-14）其中为机械角度，为负载转矩，为与转速成正比关系的摩擦以及风阻转矩系数，为转动惯量，为扭转单行转矩系数。一般，近似为零，负载转矩可以加入摩擦阻力矩
12、，为了方便计算动态方程，即： （2-15）22永磁同步电机矢量控制原理 永磁同步电机对转速控制，都是通过控制转矩来实现的，在从三相静止坐标系到两相旋转坐标系d、g的变换之后，永磁同步电机的控制变得更加简单。由于，直轴电流部分为零，只有交轴电流部分，对直流电机的电枢电流的控制就是对交轴电流进行控制，调节交轴电流能够很好地控制输出转矩和转速。对于内埋式同步电机由于，就需要控制交轴电流与直轴电流分别控制电机的转矩与磁链，利用结构转矩转矩输出能力，通过控制直轴来改变磁链以实现弱磁控制。 矢量控制图如下图所示，矢量控制系统主有下面几部分构成：（1）电流读取模。通过精阻或电流感器测量定电流；（2）Clark、Park反Park换模块。（3）SVPWM模块。用先进调制算法减少电流谐波、并提高直流线电压利用率；（4）转子速度置反馈模块。采霍尔感器或增量式电编码器准确获取转位置和角速度息，也可采无传感器检测算进行测量；
