永磁同步电机的原理及结构..pdf
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1、第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1 永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后 就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场,由于在转子上安装了永磁体, 永磁体的磁 极是固定的, 根据磁极的同性相吸异性相斥的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动 转子进行旋转, 最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等,所以 可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异 步启动的研究阶段中, 电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、 永磁发电制动转矩、矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而
2、引 等一系列的因素共同作用下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中,质的转矩,只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的,其 他的转矩大部分以制动性质为主。 在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转 速时,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速,而出 现转速的超调现象。 但经过一段时间的转速振荡后, 最终在同步转矩的作用下而被牵 入同步。 1.2 永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说,永磁 同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似,主 要是区别于转子的独特的结构
3、与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同 则是转子的独特的结构, 在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁 体的位置有很多选择, 所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式、面贴式以及 插入式,如图 1.1 所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的,影响其性能的因素 有很多,但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言, 各种结构都各有其各自的优点。 1 图 1-1 面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的,其最主要的原因是其拥有很多 其他形式电机无法比拟的优点, 例如其制造方便,转动惯性比较小以及结构很简单等。 并且这种类型的永磁同步电机更加容易被设
4、计师来进行对其的优化设计,其中最主要 的方法是设计成近似正弦的分布把气隙磁链的分布结构,将其分布结构改成正弦分 布后能够带来很多的优势,例如它所带来的负面效应,能减小磁场的谐波以及应用以 上的方法能够很好的改善电机的运行性能。插入式结构的电机之所以能够跟面贴式的 电机相比较有很大的改善是因为它充分的利用了它设计出的磁链的结构有着不对称 性所生成的独特的磁阻转矩能大大的提高了电机的功率密度,并且在也能很方便的制 造出来,所以永磁同步电机的这种结构被比较多的应用于在传动系统中,但是其缺点 也是很突出的,例如制作成本和漏磁系数与面贴式的相比较都要大的多。嵌入式的永 磁同步电机中的永磁体是被安置在转子
5、的内部,相比较而言其结构虽然比较复杂,但 却有几个很明显的优点是毋庸置疑的,因为有以高气隙的磁通密度,所很明显的它 跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩;因为在转子永磁体的安装方式是选择嵌 入式的,所以永磁体在被去磁后所带来的一系列的危险的可能性就会很小,因此电机 能够在更高的旋转速度下运行但是并不需要考虑转子中永磁体是否会因为离心力过 大而被破坏。 为了体现永磁同步电机的优越性能,与传统异步电机来进行比较, 永磁同步电机 特别是最常用的稀土式的永磁同步电机具有结构简单,运行可靠性很高; 体积非常的 小,质量特别的轻;损耗也相对较少,效率也比较高;电机的形状以及大小可以灵活 多样的变化等比较
6、明显的优点。 正是因为其拥有这么多的优势所以其应用范围非常的 广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业的生产和日常生活等的各个领域。永磁同步 电动机与感应电动机相比, 可以考虑不输入无功励磁电流, 因此可以非常明显的提高 2 其功率因素, 进而减少了定子上的电流以及定子上电阻的损耗,而且在稳定运行的时 候没有转子电阻上的损耗, 进而可以因总损耗的降低而减小风扇(小容量的电机甚至 可以不用风扇) 以及相应的风磨损耗, 从而与同规格的感应电动机相比较其效率可以 提高 2-8 个百分点。 1.3 永磁同步电机的数学特性 先对永磁同步电机的转速进行研究,在分析定子和转子的磁动势间的转速关系 时,n假定转子
7、的转速为min,/r所以转子的磁动势相应的转速也为 n r/min ,所以定 子的电流相应的频率是f= 60 pn , 因为定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流 产生的,所以应为 n pn pp f 60 6060 n1 (1.1) 可以看出转子的旋转速度是与定子的磁动势的转速相等的。 对于永磁同步电机的电压特性研究,可以利用电动机的惯例来直接写出它的电 动势平衡方程式 qqdd xIjxI jEU 0(1.2 ) 对于永磁同步电机的功率而言, 同样根据发电机的惯例能够得到永磁同步电机 的电磁功率为 2sin 11 2 sinP 2 0 dqd M xx U m x UE m (1.3
8、) 对于永磁同步电机的转矩而言, 在恒定的转速下 1 , 转矩和功率是成正比的, 所以可以得到以下公式 3 2sin 11 2 sinT 1 2 1 0 1dqd M xx mU x mUEP (1.4 ) 4 第二章 永磁同步电机物理模型开环仿真 2.1 永磁同步电机模块及仿真 下面对永磁同步电机物理模型的开环进行仿真,在仿真之前先介绍各个单元模 块,以便于对模型进行更好的仿真。 2.1.1 物理单元模块 逆变器单元,逆变是和整流相对应的,它的主要功能是把直流电转变成交流电。 逆变可以被分为两类, 包括有源逆变以及无源逆变。 其中有源逆变的定义为当交流侧 连接电网时,称之为有源逆变;当负载直
9、接与交流侧相连时,称之为无源逆变。 以图 2-1 的单相桥式逆变电路的例子来说明逆变器的工作原理。 S1 S2 S3 S4 Uo 负载 io Ud 图 2-1 逆变电路 图 2-1 中 S1-S4为桥式电路的 4 个臂,它们是由电力电子器件及其辅助电路组 成的。当开关 S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压u 0为正;当 S1、S4断开,S2、 S3闭合时, u0为负,其波形如图2-2 所示。 5 Uo t1 t2 io t 图 2-2 逆变电路波形 通过这个方法, 就可以把直流电转变成交流电, 只要改变两组开关相应的切换频 率,就可以改变交流电的输出频率。这就是逆变器的工作原理。 当负载
10、是电阻时,负载电流i 0和电压 u0的波形是相同的,相位也相同。当负载 是阻感时, i 0的基波相位滞后于 u0的基波,两者波形的形状也不同,图2-2 给出的 是阻感负载时的 i 0的波形。设 t1时刻断开 S1、S4,同时合上 S2、S3,则 u0的极性 立刻变为负的。 但是,正是因为负载中存在着电感,其中的电流极性仍将维持原来的 方向而不能立刻改变。这时负载电流会从直流电源负极而流出,经过S2、负载和 S3 再流回正极, 负载电感中储存的能量会向直流电源发出反馈信号,负载电流要逐渐减 小,到 t 2 时刻降到零,之后i 0才开始并反向增大。 S2、S3 断开, S1、S4闭合时的 情况类似
11、。上面是 S1-S4 均为理想开关时的分析, 实际电路的工作过程要比这更复杂 一些。 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以被分为两种:直流侧为电压源的称为电 压型逆变电路; 直流侧为电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆 变电路和电流源逆变电路。 三相电压型逆变电路是由三个单相逆变电路而组成的。在三相逆变电路中三相桥 式 逆 变 电 路 应 用 的 最 为 广 泛 。 如 图2-3所 示 的 三 相 电 压 型 桥 式 逆 变 电 路 IGBT是采用作为开关器件的,因此可以很明显的看出它是由三个半桥逆变电路组成 的。 6 V1 VD1 V3V5 V4V6 V2 VD3 VD5 V
12、D4VD6VD2 U V W NN 2 Ud 2 d U 图 2-3 三相电压型桥式逆变电路 如图 2-3 所示的电路的直流侧一般只用一个电容器就可以了,但是为了方便分析,画出 了串联的两个电容器并且标出假想的中点N , 。 单相半桥和全桥逆变电路是具有很多相似点的, 三相电压型桥式逆变电路也是以180 度的导电方式作为其基本的工作方式,同一半桥上下两 个臂交替着导电,每相之间开始导电的角度以120 度相错开。这样在任何时候,将会有三个 桥臂同时导通。也可能是上面一个下面两个,也可能是上面两个下面一个同时导通。它之所 以被称为纵向换流是因为每次换流都是在同一相上的两个桥臂之间互换进行。 逆变器
13、的参数设置如图2-4 所示 7 图 2-4 逆变器模块参数设置 六路脉冲触发器模块,如图2-5 所示 8 图 2-5 六路脉冲触发器模块 同步六路脉冲发生器模块可用于很多领域。六路脉冲触发器的主要部分是六个晶闸管。该 模块的输出是一个六脉冲单独同步的六晶闸管电压矢量。下面的图表显示了一个0 度的角 的六路脉冲。如图2-6 所示 图 2-6 六路脉冲触发器输出的脉冲 aipha_deg 输入一个发射信号,以度的形式。该输入可以连接到一个恒定的模块或者它可以连 接到控制系统来控制发电机的脉冲 AB 、BC 、CA 为输入的 ABC三相的线电压 Freq 频率的输入端口,这种输入应该连接到包含在赫兹
14、的基本频率,恒定的模块。 Block 六路脉冲触发器的参数设置如图2-7 所示 9 图 2-7 六路脉冲触发器参数设置 2.1.2 永磁同步电机模型仿真结果 10 图 2-8 整体开环仿真框图 本文在基于 Matlab 下建立了永磁同步电机的开环电机模型的仿真。 PMSM 的参数设定为:电机的额定电压为220V,额定电流为 3A,额定机械转速为 3000 rpm,极对数为 2, 电磁输出功率为900W, 定子阻抗为 4.3 , 直轴感抗为 0.027H, 交轴感抗为 0.067H,漏磁通 f为 0.272wb,转动惯量 J 为 0.00179kgm 2, 粘滞摩擦系 数 B为 0。 得到的仿真
15、结果图如图2-9 所示 11 00.511.522.533.544.55 0 50 100 150 200 250 300 350 400 图 2-9 电机转速曲线 从图中的曲线可以看出,电机转速给定值为3000N (pm ),从电机起动开始,速度逐渐 上升,达到给定值需要的时间比较长,换句话说就是电机的响应时间较长,而且在达到稳定 值附近时的转速波动也比较大,可能是因为永磁同步电机的内部结构很复杂,也可能是跟电 机没有任何控制有关,希望在搭建了速度转矩双闭环控制后的转速的响应时间能缩短,达到 给定值附近时的上下波动能减小 转矩的结果如图 2-10 所示 00.511.522.533.544.
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- 永磁 同步电机 原理 结构
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