永磁同步電PMSM)大學(xué)答辯攻略

1、整流電路整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。整流采用的器件主要有二極管 和晶閘管，二極管在工作時(shí)無(wú)法控制其通斷，而晶閘管工作時(shí)可以通過(guò)控制脈 沖來(lái)控制其通斷。根據(jù)工作時(shí)是否具有可控性，變頻器采用的整流電路主要有 兩種：不可控整流電路和可控整流電路。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)講述可控整流電路中的 PWM8流電路PWh整流電路的功率因數(shù)很高，且工作時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此PWM8流電路在電子電力設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。PWM整流電路可分為電壓型和電流型，但廣泛應(yīng)用的主要是電壓型。電壓型 PW整流電路有單相和三相之分。F1I U1.iB_i n I -12口|N|3口|J Un- I圖2.4三相全控橋式整流電路及

2、有關(guān)信號(hào)波形在圖2.4中，6個(gè)晶閘管VS1VS6構(gòu)成三相全控橋式整流電路。 VS1VS3的 3個(gè)陰極連接在一起，稱(chēng)為共陰極組晶閘管；VS4- VS6的3個(gè)陽(yáng)極連接在一起，稱(chēng)為共陽(yáng)極組晶閘管，VS1VS6的G極與觸發(fā)電路連接，接受觸發(fā)電路 送到的觸發(fā)脈沖的控制。下面來(lái)分析電路在三相交流電一個(gè)周期（t1t7內(nèi)的工作過(guò)程。在t1t2期間，U相始終為正電壓（左負(fù)右正，V相始終為負(fù)電壓（左正 右負(fù)，W相在前半段為正電壓，后半段為負(fù)電壓。在 t1時(shí)刻觸發(fā)脈沖送到 VS1 VS5的G極，VS1 VS5導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的途徑是：U相 繞組右端（電壓極性為正a點(diǎn)一 VS仔RVSA b點(diǎn)一V相繞組右

3、端 電壓極 性為負(fù)。因VS1 VS5的導(dǎo)通，a、b兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的 大小為Uaco在t2t3期間，U相始終為正電壓（左負(fù)右正，W相始終為負(fù)電壓（左正右 負(fù)，V相在前半段為負(fù)電壓，后半段為正電壓。在 t2時(shí)刻，觸發(fā)脈沖送到VSI、VS6的G極，VSI、VS6導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的途徑是：U相 繞組右端（電壓極性為正n點(diǎn)-VS1 RVS6c點(diǎn)-W相繞組右端（電壓極性 為負(fù)，因VS1 VS6的導(dǎo)通，a、c兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的大 小為 Uac。在t3t4期間,V相始終為正電壓（左負(fù)心正，W相始終為負(fù)電壓（左正右 負(fù)，U相在前半段為正電壓，后半段變?yōu)樨?fù)電

4、壓。在 t3時(shí)刻，觸發(fā)脈沖送到 VS2 VS6的G極，VS2 VS6導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的途徑是；V相 繞組右端（電壓極性為正b點(diǎn)-VSARL-VS4c點(diǎn)-W相繞組右端（電壓極 性為負(fù)，因VS2 VS6的導(dǎo)通，b、c兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電壓的 大小為 Ubc。在t4t5期間，V相始終為正電壓（左負(fù)有正，U相始終為負(fù)電壓（左正 右負(fù)，W相在前半段為負(fù)電壓，后半段變?yōu)檎妷骸Ｔ?t4時(shí)刻，觸發(fā)脈沖送 到VS2 VS4的G極，VS2 VS4導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的途徑是：V 相繞組右端（電壓極性為正-b點(diǎn)-VSA RL-VS4a點(diǎn)-U相繞組右端（電壓 極性為負(fù)，因VS2

5、 VS4的導(dǎo)通，b、a兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電壓 的大小為 Uba。在t5t6期間.W相始終為正電壓（左負(fù)右正，U相始終為負(fù)電壓（左正 右負(fù)，V相在前半段為正電壓，后半段變?yōu)樨?fù)電壓。在 t5時(shí)刻，觸發(fā)脈沖送 到VS3 VS4的G極，VS3 VS4導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的途徑是：W 相繞組右端（電壓極性為正-c點(diǎn)-VS4 RL-VS4a點(diǎn)-U相繞組右端 電壓 極性為負(fù)，因VS3 VS4的導(dǎo)通，c、a兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電壓 的大小為 Uca。在t6t7期間，W相始終為正電壓（左負(fù)右正，V相始終為負(fù)電壓（左正 右負(fù)，U相往前半段為負(fù)電壓，后半段變?yōu)檎妷?。?t6時(shí)刻

6、，觸發(fā)脈沖送 到VS3 VS5的G極.VS3 VS5導(dǎo)通，有電流流過(guò)負(fù)載 RL電流的造徑是：W 相繞組右端（電壓特性為正 -c點(diǎn)-VS4RL-VS5 b點(diǎn)-V相繞組右端（電 壓極性為負(fù) ，因VS3 VS5的導(dǎo)通，c、b兩點(diǎn)電壓分別加到RL兩端，RL上電 壓的大小為Ucb。在t7時(shí)刻以后，電路會(huì)重復(fù)t1t7期間的過(guò)程，在負(fù)載RL 上可以得到圖 2.8 所示的脈動(dòng)直流電壓 UL。在上面的電路分析中，將交流電壓一個(gè)周期（t1t7分成6等價(jià)，每等價(jià) 所占的相位角為60°,在任意一個(gè)60°相位角內(nèi)，始終有兩個(gè)晶間管處于導(dǎo) 通狀態(tài)（個(gè)共陰極組晶閘管，一個(gè)共陽(yáng)極組晶間管 ，并且任意一個(gè)晶

7、間管的 導(dǎo)通角都是120°。另外，觸發(fā)脈沖不是同時(shí)加到 6個(gè)晶閘管的G極，而是在 觸發(fā)時(shí)刻將觸發(fā)脈沖同時(shí)送到需觸發(fā)的 2個(gè)晶閘管G極。2.3三相SPW波的產(chǎn)生變頻器采用的逆變電路主要有方波逆變電路和SPWM波逆變電路。因?yàn)榉讲孀兤鳟a(chǎn)生的是方波信號(hào)，其所含的諧波成分較多，會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱且轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)大，在低速時(shí)影響轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有：一是采用多個(gè)方波 逆變器組成多重方波逆變器，已接近正弦波的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；二是采用 SPW逆變器，產(chǎn)生與正弦波等效的 SPW波去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。SPW逆變器主電路 的詳細(xì)工作過(guò)程如下：?jiǎn)螛O性SPWM波和雙極性SPWM波用來(lái)驅(qū)動(dòng)單相電動(dòng)機(jī)，三相 S

8、PWM波則用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)。圖 2.6是三相橋式PWM逆變電路，它可以產(chǎn)生三相 SPWM波，圖中電容 C1、C2容量相等，它將電壓分成相等的兩部分，為中點(diǎn)，C1、C2兩端的電壓均為UwnLiWCl(b>波形圖圖2.6三相橋式PWM逆變電路產(chǎn)生三相 SPW波三相SPW波的產(chǎn)生說(shuō)明如下 <以U相為例)：三相信號(hào)波電壓1和載波電壓送到pwM控制電路，該電路產(chǎn)生PWI控制信號(hào)加到逆變電路各IGBT的柵極，控制它的通斷。當(dāng) > 時(shí),PWM控制信號(hào)使VT1導(dǎo)通、VT4關(guān)斷，U點(diǎn)通過(guò)VT1與 正 端直接連接，U點(diǎn)與中點(diǎn) 之間的電壓 Q當(dāng) < 時(shí)，PWM控制信號(hào)使VT1關(guān)斷、VT4導(dǎo)

9、通，U點(diǎn)通過(guò)VT4與U點(diǎn)M丨K I岡與中點(diǎn) 之間的電壓。負(fù)載直接連接，U點(diǎn)與中點(diǎn)之間的電壓電路工作的結(jié)果使U、兩點(diǎn)之間得到脈沖電壓一，在V、兩點(diǎn)之間得到脈沖電壓一，在W兩點(diǎn)之間得到脈沖電壓一，在U、V兩點(diǎn)之間得到電壓為 I V 二）, I實(shí)際上就是加到L1、L2兩繞組之 間的電壓，從 I波形圖可以看出，它就是單極性 SPWM波。同樣地，在U、W 兩點(diǎn)之間得到電壓匕，它們都為單極性SPWM波。這里的 就稱(chēng)為三相SPW波。PWM控制方式PWM空制電路的功能是產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)去控制逆變電路， 使之產(chǎn)生SPW波提供給負(fù)載。為了使逆變電路產(chǎn)生的 SPW波合乎要求，通常 的做法是將正弦波作為參考信號(hào)送

10、給 PWM控制電路，PWM控制電路對(duì)該信號(hào)處 理后形成相應(yīng)的pw控制信號(hào)去控制逆變電路，讓逆變電路產(chǎn)生與參考信號(hào)等 效的spwm波。根據(jù)pwM空制電路對(duì)參考信號(hào)處理方法的不同，可分為計(jì)算 法、調(diào)制法和跟蹤控制法等。交流永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)時(shí)的啟動(dòng)整步過(guò)程：在變頻器向同步電機(jī)定子輸 出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁 電流，然后變頻器再向同步電機(jī)的電樞繞組輸出適當(dāng)?shù)碾妷?，起?dòng)電機(jī)。同步 電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與 轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。在電機(jī) 起動(dòng)之初，這二

11、者的夾角是任意的，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼竭^(guò)程將這一夾角控制 到一定的范圍之內(nèi)，然后電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此，起動(dòng)整步問(wèn)題 是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵冋題i。1）變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)整步過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟： 勵(lì)磁裝置投勵(lì)：勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，在同 步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場(chǎng)。 變頻器向同步電機(jī)的電樞繞組施加一定的直流電壓，產(chǎn)生一定的定子電流。 此時(shí)，在同步電機(jī)上產(chǎn)生一定的定子電流，并在定子上建立較強(qiáng)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子 在定、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端 靠近。此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)向相同，也可能相反

12、。 變頻器按照電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電 壓矢量。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻 掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。此時(shí)，電機(jī)的 轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經(jīng)過(guò)少量有阻尼的震蕩 后，逐漸趨于一個(gè)較小的常量。至此，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，整步過(guò)程 完成。 變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和 v/f曲線（即磁通給定，調(diào)節(jié)輸出電壓，逐 漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成。2）在同步電西門(mén)子1FT7082-

13、AF7型交流永伺服電動(dòng)機(jī)第一次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的異性 磁極時(shí)，將其可靠吸牢，此后轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)同性磁極間斥力的反向加速作用，在下 一次經(jīng)過(guò)定子磁極時(shí)，二者將具有更大的相對(duì)速度，定子磁場(chǎng)更加無(wú)法有效牽 引轉(zhuǎn)子磁極，最終將導(dǎo)致起動(dòng)整步失敗。選擇過(guò)大的定子磁場(chǎng)可能導(dǎo)致同步電 機(jī)的定子鐵心飽和，進(jìn)一步導(dǎo)致變頻器輸出過(guò)電流，電機(jī)起動(dòng)失敗。較為典型 的同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程如圖2.8所示。轉(zhuǎn)連按抄繪動(dòng) 整步處曲頻率到達(dá)圖2.8 典型的同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程3）變頻器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是的勵(lì)磁調(diào)節(jié)因?yàn)樽冾l器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)使用無(wú)需安裝速度/位置傳感器的控制方法,而變頻器輸出波形為多電平pwm波形，與控制異步電機(jī)時(shí)的波形相同，因

14、此在 運(yùn)行過(guò)程中，變頻器可以完全等效于一個(gè)正弦電壓源，無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有較高 的可靠性。因?yàn)橥诫姍C(jī)的無(wú)功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)， 因而無(wú)須對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型工況 下，手動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為 1，然后在先調(diào)速運(yùn)行過(guò)程中維持該電流不變即可。對(duì)于需要在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào) 整勵(lì)磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測(cè)其輸出給同步電機(jī)的無(wú)功功率，向勵(lì)磁裝 置下達(dá)勵(lì)磁給定信號(hào)，調(diào)整勵(lì)磁電流。4.3永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)矢量控制的理論基礎(chǔ)1）永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理C圖4.2永磁同步電機(jī)矢量圖矢量控制的思想源于對(duì)直流電機(jī)控制的

15、嚴(yán)格模擬，通過(guò)磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与?流矢量分解為兩個(gè)分量：勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂 直，彼此獨(dú)立，然后分別加以控制，從而可獲得很好的解耦控制特性。矢量控 制需要使用坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 4.2所示。其中包含從三相坐標(biāo)系 A-B-C到 兩相坐標(biāo)系 L的變換，從兩相靜止坐標(biāo)系L到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d-q的變換，相關(guān)變換關(guān)系公式見(jiàn)第三章。根據(jù)矢量控制原理，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選擇不同的磁鏈?zhǔn)噶孔鳛槎ㄏ蜃?標(biāo)軸，按照定位的磁場(chǎng)矢量方向不同，目前存在四種磁場(chǎng)定向控制方式：轉(zhuǎn)子 磁鏈定向控制、定子磁鏈定向控制、氣隙磁鏈定向控制和阻尼磁鏈定向控制。 對(duì)于PMSM主要采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式，該方式對(duì)

16、小容量驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合特別適合。 根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原則，采用同轉(zhuǎn)子以相同電角速度旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系d-q，此時(shí)永磁同步電機(jī)等效模型見(jiàn)圖 4-2所示。坐標(biāo)系下電機(jī)模型圖 4.3 d-q圖4.3中取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。d-q坐標(biāo)系隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，d軸固定在永磁體磁鏈 刁方向上，沿轉(zhuǎn)速方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)超前d軸90度電角度為q軸。？為定子三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線與永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸 線間的空間電角度，貝UI（4.8>(4.9>(4.10>由式（4-3>可以看出，永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個(gè)分量，第一項(xiàng)是 由兩磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起，

17、并與兩軸電 感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)，第二項(xiàng)為零，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，只存在電磁轉(zhuǎn)矩。即.n（4.ii>因?yàn)槭遣豢烧{(diào)節(jié)的，因此矢量控制就是控制定子電流矢量的幅值和它相對(duì)叵的空間角度 （轉(zhuǎn)矩角>?？刂?一I時(shí)，向量 與正交，我們將這種情況稱(chēng)為“磁場(chǎng)定向”。此時(shí)每安培定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大，即可獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比值，電動(dòng)機(jī)銅耗也最小。顯然，這是一種很有吸引力的運(yùn)行狀態(tài)。因此，永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制就是要準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的空間 位置（d軸，通過(guò)控制逆變器使三相定子的合成電流位于q軸上，那么，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，即控制定子電流

18、的幅值就能 較好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。圖4.4給出了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)原理圖圖4.4 PMSM矢量控制的原理圖若使兩相d-q坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步將 d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈 方向上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量 來(lái)控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦控制。圖4.4表明，這是一個(gè)電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，根 據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過(guò)速度 PI控制器計(jì)算得到定了電流、的參考輸入 丨和目。通過(guò)相電流檢測(cè)電路提取 和，再使用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定了兩相坐標(biāo)系中，然后使用 Park變換，將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，再將d-q坐標(biāo)系中的電流信