永磁同步電機(jī)(PMSM)畢業(yè)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，二極管在工作時無法控制其通斷，而晶閘管工作時可以通過控制脈沖來控制其通斷。根據(jù)工作時是否具有可控性，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PWM整流電路PWM整流電路的功率因數(shù)很高，且工作時不會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此PWM整流電路在電子電力設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。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PWM整流電路有單相和三相之分。圖2.4 三相全控橋式整流電路及有關(guān)信號波形在圖2.4中，6個晶閘管VS1VS6構(gòu)成三相全控橋式整流電路

2、。VS1VS3的3個陰極連接在一起，稱為共陰極組晶閘管；VS4VS6的3個陽極連接在一起，稱為共陽極組晶閘管，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。 下面來分析電路在三相交流電一個周期(t1t7)內(nèi)的工作過程。 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時刻觸發(fā)脈沖送到VS1、VS5的G極，VS1、VS5導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL，電流的途徑是：U相繞組右端(電壓極性為正)a點(diǎn)VS1RLVS5b點(diǎn)V相繞組右端（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

3、壓的大小為Uac。 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時刻，觸發(fā)脈沖送到VSl、VS6的G極，VSl、VS6導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL，電流的途徑是：U相繞組右端(電壓極性為正)n點(diǎn)VS1RLVS6c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)電壓。在t3時刻，觸發(fā)脈沖送到VS2、VS6的G極，VS2、VS6導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL

4、，電流的途徑是；V相繞組右端(電壓極性為正)b點(diǎn)VS2RLVS6c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?。在t4時刻，觸發(fā)脈沖送到VS2、VS4的G極，VS2、VS4導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL電流的途徑是：V相繞組右端(電壓極性為正)b點(diǎn)VS2RLVS4a點(diǎn)U相繞組右端(電壓極性為負(fù))，因VS2、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

5、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時刻，觸發(fā)脈沖送到VS3、VS4的G極，VS3、VS4導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL，電流的途徑是：W相繞組右端(電壓極性為正)c點(diǎn)VS3RLVS4a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?。在t6時刻，觸發(fā)脈沖送到VS3、VS5的G極VS3、VS5導(dǎo)通，有電流流過負(fù)載RL，電流的造徑是：W相繞組右端(電壓特性為正) c點(diǎn)VS3RL

6、VS5b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時刻以后，電路會重復(fù)t1t7期間的過程，在負(fù)載RL上可以得到圖2.8所示的脈動直流電壓UL。 在上面的電路分析中，將交流電壓一個周期(t1t7)分成6等價，每等價所占的相位角為60°，在任意一個60°相位角內(nèi)，始終有兩個晶間管處于導(dǎo)通狀態(tài)(個共陰極組晶閘管，一個共陽極組晶間管)，并且任意一個晶間管的導(dǎo)通角都是120°。另外，觸發(fā)脈沖不是同時加到6個晶閘管的G極，而是在觸發(fā)時刻將觸發(fā)脈沖同時送到需觸發(fā)的2個晶閘管G極。 2.3 三相SPWM

7、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。由于方波逆變器產(chǎn)生的是方波信號，其所含的諧波成分較多，會使電動機(jī)發(fā)熱且轉(zhuǎn)矩脈動大，在低速時影響轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。解決這個問題的方法有：一是采用多個方波逆變器組成多重方波逆變器，已接近正弦波的信號去驅(qū)動電動機(jī)；二是采用SPWM逆變器，產(chǎn)生與正弦波等效的SPWM波去驅(qū)動電動機(jī)。SPWM逆變器主電路的詳細(xì)工作過程如下：單極性SPWM波和雙極性SPWM波用來驅(qū)動單相電動機(jī)，三相SPWM波則用來驅(qū)動三相電動機(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

8、的電壓均為。(b)波形圖圖2.6 三相橋式PWM逆變電路產(chǎn)生三相SPWM波三相SPWM波的產(chǎn)生說明如下（以U相為例）：三相信號波電壓和載波電壓送到PWM控制電路，該電路產(chǎn)生PWM控制信號加到逆變電路各IGBT的柵極，控制它的通斷。當(dāng)>時,PWM控制信號使VT1導(dǎo)通、VT4關(guān)斷，U點(diǎn)通過VT1與正端直接連接，U點(diǎn)與中點(diǎn)之間的電壓。當(dāng)<時，PWM控制信號使VT1關(guān)斷、VT4導(dǎo)通，U點(diǎn)通過VT4與U點(diǎn)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，在V、兩點(diǎn)之間得到脈沖電壓，在W、兩點(diǎn)之間得到脈沖電壓，在U、V兩點(diǎn)之間得到電壓為（），實(shí)際

9、上就是加到L1、L2兩繞組之間的電壓，從波形圖可以看出，它就是單極性SPWM波。同樣地，在U、W兩點(diǎn)之間得到電壓，它們都為單極性SPWM波。這里的就稱為三相SPWM波。PWM控制方式 PWM控制電路的功能是產(chǎn)生PWM控制信號去控制逆變電路，使之產(chǎn)生SPWM波提供給負(fù)載。為了使逆變電路產(chǎn)生的SPWM波合乎要求，通常的做法是將正弦波作為參考信號送給PWM控制電路，PWM控制電路對該信號處理后形成相應(yīng)的PWM控制信號去控制逆變電路，讓逆變電路產(chǎn)生與參考信號等效的SPWM波。根據(jù)PWM控制電路對參考信號處理方法的不同，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)的啟動變頻器驅(qū)動交流永磁同步電

10、機(jī)時的啟動整步過程：在變頻器向同步電機(jī)定子輸出電壓之前，即啟動前，先由勵磁裝置向同步電機(jī)的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，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?，起動電機(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，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)起動之初，這二者的夾角是任意的，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼竭^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，起動整步問題是變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵問題 唐任遠(yuǎn)，顧國彪，秦和，莫會成，沈梁偉，胡鑒清，黃國治.電機(jī)工程/中國電氣工程大典(第9卷)M.北京：中國電力出

11、版社,2008:586-591.。1）變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)的起動整步過程主要分為以下幾個步驟:勵磁裝置投勵：勵磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場。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，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。轉(zhuǎn)子在定、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開始轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)向相同，也可能相反。變頻器按照電機(jī)正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)動方向，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)動和定子磁場的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時刻掠過定子

12、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，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)過少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個較小的常量。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，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)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動過程完成。2）在同步電西門子1FT7082-AF7型交流永伺服電動機(jī)第一次經(jīng)過轉(zhuǎn)子的異性磁極時，將其可靠吸牢，此后轉(zhuǎn)子經(jīng)過同性磁極間斥力的反向加速作用，在下一次經(jīng)過定子磁極時，二者將具有更大的相對速度，定

13、子磁場更加無法有效牽引轉(zhuǎn)子磁極，最終將導(dǎo)致起動整步失敗。選擇過大的定子磁場可能導(dǎo)致同步電機(jī)的定子鐵心飽和，進(jìn)一步導(dǎo)致變頻器輸出過電流，電機(jī)起動失敗。較為典型的同步電機(jī)起動過程如圖2.8所示。圖2.8典型的同步電機(jī)起動過程3）變頻器驅(qū)動永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是的勵磁調(diào)節(jié)由于變頻器驅(qū)動同步電機(jī)時使用無需安裝速度/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)時的波形相同，因此在運(yùn)行過程中，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉(zhuǎn)矩脈動，具有較高的可靠性。由于同步電機(jī)的無功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無須對電機(jī)的勵磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型

14、工況下，手動調(diào)節(jié)其勵磁電流，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)行過程中維持該電流不變即可。對于需要在運(yùn)行時實(shí)時調(diào)整勵磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測其輸出給同步電機(jī)的無功功率，向勵磁裝置下達(dá)勵磁給定信號，調(diào)整勵磁電流。4.3 永磁同步電機(jī)磁場矢量控制的理論基礎(chǔ)1）永磁同步電機(jī)磁場定向矢量控制的基本原理圖4.2 永磁同步電機(jī)矢量圖矢量控制的思想源于對直流電機(jī)控制的嚴(yán)格模擬，通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏魇噶糠纸鉃閮蓚€分量：勵磁電流分量和轉(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)變換來實(shí)現(xiàn)，如圖4.2所示。其中包含

15、從三相坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C到兩相坐標(biāo)系的變換，從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換，相關(guān)變換關(guān)系公式見第三章。根據(jù)矢量控制原理，在不同的應(yīng)用場合可選擇不同的磁鏈?zhǔn)噶孔鳛槎ㄏ蜃鴺?biāo)軸，按照定位的磁場矢量方向不同，目前存在四種磁場定向控制方式：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。對于PMSM主要采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式，該方式對小容量驅(qū)動場合特別適合。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原則，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，此時永磁同步電機(jī)等效模型見圖4-2所示。圖4.3 d-q坐標(biāo)系下電機(jī)模型圖4.3中取逆時針方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。d-q坐標(biāo)系隨定子磁場同

16、步旋轉(zhuǎn)，d軸固定在永磁體磁鏈方向上，沿轉(zhuǎn)速方向逆時針旋轉(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)磁場軸線與永磁體基波勵磁磁場軸線間的空間電角度，則 (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)矩中包含兩個分量，第一項(xiàng)是由兩磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。對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 (4.11)由于是不可調(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的空間角度 (轉(zhuǎn)矩角)?？刂茣r，向量與正交，我們將這種情況稱為“磁場定向”。此時每安培定子電流

17、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)的磁場定向矢量控制就是要準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子的空間位置(d軸)，通過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磁分量和轉(zhuǎn)矩分量來控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦控制。

18、圖4.4表明，這是一個電流內(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，通過速度PI控制器計(jì)算得到定了電流、的參考輸入和。通過相電流檢測電路提取和，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)系中的電流信號與它們的和相比較，其中，通過PI控制器獲得理想的控制量。控制信號再通過Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定了三相對稱繞組的實(shí)際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號，從而構(gòu)成一個完整的速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。2）永磁同步電機(jī)的矢量控制方法的選擇永磁同步電機(jī)用途不同，電機(jī)電流矢量的控制方法也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以看出，永磁同步電動機(jī)輸出同一個轉(zhuǎn)矩時存在不同的轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流的組合，這樣就存在不