永磁同步電動(dòng)機(jī)原理與分析PPT課件.pptVIP

第10章三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的建模與分析 1 內(nèi)容簡(jiǎn)介 涉及下列兩類永磁同步電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行原理 電磁過程 數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行特性正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī) 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小運(yùn)行效率高轉(zhuǎn)軸上無(wú)滑環(huán)和電刷 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無(wú)法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢(shì)受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù) 2 分類 表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī) 按永磁體結(jié)構(gòu)分類 按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形分類 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) PermanentMagnetSynchronousMotor PMSM 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī) BrushlessDCMotor BLDC 3 10 1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) 圖10 1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本組成框圖 4 10 1 1正弦波PMSM的基本運(yùn)行原理 定子三相繞組采用正弦繞組 由三相逆變器提供定子繞組的三相對(duì)稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn) 定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得 正弦波PMSM屬于自控式 無(wú)刷結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī) 5 10 1 2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與矩角特性 表面永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī) 1 正弦波表面永磁PMSM 圖10 2表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 6 A 表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低 有效氣隙較大 則同步電抗小 電樞反應(yīng)小 氣隙均勻 呈現(xiàn)隱極式同步電機(jī)的特點(diǎn) 即 B 電壓平衡方程式與相量圖 10 1 圖10 3正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖 7 C 矩角特性 10 2 式中 為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在定子繞組內(nèi)所匝鏈的磁鏈 且 對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī) 常數(shù) 鑒于上述特點(diǎn) 表面永磁PMSM基本運(yùn)行在恒勵(lì)磁狀態(tài) 相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域 其弱磁調(diào)速范圍很小 8 2 正弦波內(nèi)置永磁PMSM 圖10 4內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖 9 2 正弦波內(nèi)置永磁PMSM 永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部 適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合 有效氣隙較小 d軸和q軸的同步電抗均較大 電樞反應(yīng)磁勢(shì)較大 從而存在相當(dāng)大的弱磁空間 直軸的有效氣隙比交軸的大 一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍 因此 直軸同步電抗小于交軸同步電抗 即 或 A 內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) B 電壓平衡方程式與相量圖 10 3 10 圖10 5正弦波內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的時(shí)空相量圖 C 矩角特性 10 4 11 圖10 6內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的矩角特性曲線 矩角特性的特點(diǎn) 對(duì)應(yīng)于凸極效應(yīng)的同步轉(zhuǎn)矩 最大功率角較轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)大 12 10 1 3正弦波PMSM的起動(dòng) 異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 由轉(zhuǎn)子永磁體與其在定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生 圖10 7永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線 起動(dòng)過程中的各種電磁轉(zhuǎn)矩 13 10 1 4正弦波PMSM的控制 1 正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī) 根據(jù)相量圖10 3 可得 10 6 10 5 電磁功率 輸入功率 電磁轉(zhuǎn)矩 對(duì)表面永磁同步電動(dòng)機(jī) 常數(shù) 當(dāng)保持內(nèi)功率因數(shù)角固定不變 通過控制定子繞組相電流的幅值便可以調(diào)整表面永磁PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng) 亦即與同相 時(shí) 上式與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性完全相同 見圖10 8 故自控式正弦波表面永磁PMSM有時(shí)也稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 結(jié)論 14 圖10 8正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖 當(dāng)時(shí) 根據(jù)式 10 6 以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下 當(dāng)時(shí) 單位電樞電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大 因此 基速 以下 正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式 以獲得恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速特性 在額定轉(zhuǎn)速 基速 以上 表面永磁同步電動(dòng)機(jī)可以工作在弱磁調(diào)速范圍內(nèi) 但因電樞反應(yīng)以及同步電抗較小 弱磁調(diào)速范圍較窄 15 上述結(jié)論的解釋 圖10 9正弦波表面永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖 弱磁控制時(shí) 圖10 10基速以上弱磁控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速曲線 弱磁升速過程中的約束條件 1 外加電壓保持不變 2 定子繞組電流維持額定值 16 2 正弦波內(nèi)置永磁PMSM 根據(jù)相量圖10 5 得內(nèi)置永磁PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達(dá)式 過程如下 10 7 輸入功率 電磁功率 電磁轉(zhuǎn)矩 10 8 17 的控制方案 最大的控制方案 弱磁控制方案 根據(jù)式 10 8 和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 得內(nèi)置永磁PMSM的幾種常用的控制方案如下 1 的控制方案 此時(shí) 電磁轉(zhuǎn)矩為 在這種控制方式下 與表面永磁PMSM相同 正弦內(nèi)置永磁PMSM也可通過控制電樞電流的幅值調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩 獲得類似于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能 因此 自控式正弦波內(nèi)置永磁PMSM也是一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 結(jié)論 18 2 最大的控制方案 推導(dǎo)過程如下 為了獲得最大 的控制準(zhǔn)則 首先將電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流歸一化 選電磁轉(zhuǎn)矩的基值為 10 9 其中 電流的基值定義為 10 10 將式 10 9 10 10 代入式 10 8 得 即 10 11 10 12 式中 由此繪出恒轉(zhuǎn)矩條件下直軸定子電流分量與交軸定子電流分量之間的關(guān)系如圖10 11所示 19 圖10 11 圖10 11 最大時(shí)的軌跡曲線 根據(jù)圖10 11便可繪出在確保最大準(zhǔn)則下 與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線如圖10 12所示 并由此確定控制策略 20 圖10 12在 最大的控制方式下 定子電樞電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線 3 弱磁控制方案 基速以上 內(nèi)置PMSM運(yùn)行在弱磁控制方式 由于其氣隙較小同步電抗大 因此其弱磁調(diào)速范圍較表面永磁寬 為了確保弱磁控制時(shí)電流控制有效 定子繞組的外加電壓應(yīng)滿足下列條件 10 13 其中 參考圖10 5 21 忽略定子繞組電阻 并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖 則有 10 14 將上式以及代入式 10 13 得 即 10 15 令 則根據(jù)上式繪出交 直軸電流的關(guān)系曲線如圖10 13所示 22 圖10 13在外加電壓約束條件下弱磁控制時(shí)與之間的關(guān)系曲線 由圖可見 隨著轉(zhuǎn)速的增加 橢圓將收縮 23 圖10 14一種典型的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖 10 1 5正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成 24 10 2無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)建模與分析 高性能伺服系統(tǒng) 如數(shù)控機(jī)床 機(jī)器人 載人飛船等 家用電器 如高檔洗衣機(jī) 變頻空調(diào) 電動(dòng)自行車等 類型 無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī) 用途 圖10 15永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成 25 定子繞組采用整距 集中繞組 永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面 呈隱極式結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)波形如圖10 16所示 圖10 16永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)磁密波形圖 26 2020 1 8 27 當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí) 三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢(shì)波形及電流波形如圖10 17所示 圖10 17永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組感應(yīng)的相電勢(shì)和電流波形 28 10 2 1永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理 電刷與機(jī)械式換向器的真正作用 定子側(cè)直流電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子側(cè)電樞反應(yīng)磁勢(shì)之間的相互關(guān)系 1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的引入 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理的回顧 著重考慮下列兩個(gè)問題 29 直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁過程的特點(diǎn)總結(jié) 定子側(cè)為靜止的主極勵(lì)磁磁勢(shì) 轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電 內(nèi)部繞組電流以及感應(yīng)的電勢(shì)為交流 由換向器和電刷完成上述逆變過程的轉(zhuǎn)換 電刷是電樞電流的分界線 其位置決定了轉(zhuǎn)子電樞電流的換流時(shí)刻 因此 電刷與換向片配合起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用 盡管轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn) 但由于電刷相對(duì)主極靜止不動(dòng) 因此 電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)相對(duì)靜止 電樞磁勢(shì)與主極磁勢(shì)空間互相垂直 確保了直流電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩 30 通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換 通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 完成換向片與電刷的作用 以決定換流時(shí)刻 考慮到實(shí)現(xiàn)的方便性 定 轉(zhuǎn)子位置顛倒 組成反裝式直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)的不足 電刷的磨損與維護(hù) 機(jī)械式換向火花 限制了應(yīng)用場(chǎng)合 難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行 解決措施 要點(diǎn)總結(jié) 電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機(jī)械式逆變器作用 定子側(cè)的直流勵(lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子電樞磁勢(shì)兩者相對(duì)靜止且相互垂直 31 定子三相繞組由電子式逆變器供電 供電頻率和換流時(shí)刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器 同步的需要 定子電樞繞組磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)均以同步速旋轉(zhuǎn) 兩者保持相對(duì)靜止且空間相互垂直 最大轉(zhuǎn)矩的需要 電機(jī)本體為交流永磁同步電動(dòng)機(jī) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)總結(jié) 32 2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理 下面借助于圖10 15說明永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)相對(duì)靜止且空間相互垂直的具體實(shí)現(xiàn) 圖10 15中 電力電子變流器的開關(guān)規(guī)律 又稱為導(dǎo)通型 每隔換流一次 任何瞬時(shí)有兩只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通 每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通 即 由此繪出一個(gè)周期內(nèi)定子三相繞組在不同時(shí)刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的關(guān)系如圖10 8所示 33 圖10 18定子繞組的合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系 34 在一個(gè)周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個(gè)定子合成磁勢(shì) 轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過電角度 定子繞組則換流一次 相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)就跳變一次 每個(gè)定子合成磁勢(shì)在時(shí)間上持續(xù)1 6周期 電角度 在這六個(gè)連續(xù)跳變的定子合成磁勢(shì)作用下 轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 盡管定子合成磁勢(shì)是跳變的 但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步 亦即在平均意義上與相對(duì)靜止 從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速 電樞磁勢(shì)在與轉(zhuǎn)子磁極軸線垂直的電角度范圍內(nèi)變化 亦即使兩者之間的夾角在 范圍內(nèi)變化 這樣 無(wú)論是在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間 與之間的夾角在平均意義上接近 亦即在平均意義上互相垂直 結(jié)論 35 無(wú)論在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間 定子合成磁勢(shì)轉(zhuǎn)子磁磁勢(shì)之間的夾角在平均意義上接近 亦即在平均意義上互相垂直 上述結(jié)論的說明 以T6 T1向T1 T2換流為例說明 a T6 T1導(dǎo)通時(shí) 圖10 18 T6 T1 導(dǎo)通時(shí)定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系 圖10 19 向 換流前定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子永磁磁勢(shì)之間的空間相位關(guān)系 由上述兩圖可見 a T1 T2導(dǎo)通時(shí) 36 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)完全相同的功能和電磁關(guān)系 從而決定了其機(jī)械特性和調(diào)速性能與直流電動(dòng)機(jī)的相似性 結(jié)論 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不足之處 定子 或電樞 僅有三相繞組 相當(dāng)于具有三個(gè)電樞繞組和三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī) 因而存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題 37 10 2 2永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器的各種控制方式 導(dǎo)通型 兩兩導(dǎo)通控制方式 導(dǎo)通型 三三導(dǎo)通控制方式 導(dǎo)通型 兩三輪流導(dǎo)通控制方式 PWM電壓和電流控制方式 1 三三導(dǎo)通控制方式 又稱為導(dǎo)通型 開關(guān)規(guī)律 每隔換流一次 任何瞬時(shí)有三只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通 每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通 38 即 相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為 圖10 20無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì) 導(dǎo)通型 39 2 三三導(dǎo)通控制方式 又稱為導(dǎo)通型 每隔換流一次 任何瞬時(shí)有三只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通 然后變?yōu)閮芍婚_關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通 再變回三只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通 每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通 開關(guān)規(guī)律 即 相應(yīng)的定子合成磁勢(shì)的空間矢量為 40 圖10 21無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子合成磁勢(shì) 導(dǎo)通型 41 3 PWM電壓和電流控制方式 改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)壓 并利用來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變 利用來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 以導(dǎo)通型為例加以說明 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案 42 反饋控制 上 下橋臂的主開關(guān)器件同時(shí)斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓 續(xù)流控制 僅上橋臂 或下橋臂 的主開關(guān)器件斬波調(diào)整電機(jī)端的輸出電壓 PWM斬波控制方案 PWM斬波控制的用途 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 43 10 2 3永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與機(jī)械特性 以導(dǎo)通型為例加以說明 忽略各種損耗 則有 10 16 即 10 17 又 10 18 參考圖10 15 由KVL得 10 19 將式 10 18 代入 10 17 得 10 20 44 將式 10 20 代入 10 19 得 10 21 于是得機(jī)械特性為 10 22 若采用PWM斬波控制 則按同樣的過程可得相應(yīng)的機(jī)械特性為 10 23 式中 表示PWM的占空比 根據(jù)式 10 23 繪出永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖10 22所示 45 圖10 22永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在不同占空比下的機(jī)械特性 10 2 4永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型 利用圖10 15 并根據(jù)基爾霍夫電壓定律 KVL 得定子各相繞組的電壓方程為 46 10 24 若定子繞組采用Y接 且無(wú)中線 則有 于是有 10 25 10 26 將上式代入式 10 24 得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)式為 其中 47 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力學(xué)方程式分別為 10 28 10 29 10 2 5永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成 1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)與信號(hào)處理 以導(dǎo)通型為例加以說明 對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 僅需要得到三個(gè)離散點(diǎn)的轉(zhuǎn)子位置信息 便可以獲得控制六個(gè)主開關(guān)器件換流所需的控制信號(hào) 為了確定轉(zhuǎn)子位置傳感