永磁同步電機的原理及結構

第一章永磁同步電機的原理及結構1.1永磁同步電機的基本工作原理永磁同步電機的原理如下在電動機的定子繞組入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場，由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的旋轉速度與定子中產(chǎn)生的旋轉磁極的轉速相等，所以可以把永磁同步電機的起動過程看成是由異步啟動階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動的研究階段中，電動機的轉速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉矩、永磁發(fā)電制動轉矩、由轉子磁路不對稱而引起的磁阻轉矩和單軸轉矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個過程中轉速是振蕩著上升的。在起動過程中，只有異步轉矩是驅動性質的轉矩，電動機就是以這轉矩來得以加速的，其他的轉矩大部分以制動性質為主。在電動機的速度由零增加到接近定子的磁場旋轉轉速時，在永磁體脈振轉矩的影響下永磁同步電機的轉速有可能會超過同步轉速，而出現(xiàn)轉速的超調現(xiàn)象。但經(jīng)過一段時間的轉速振蕩后，最終在同步轉矩的作用下而被牽入同步。1.2永磁同步電機的結構永磁同步電機主要是由轉子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來說，永磁同步電機的最大的特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉子的獨特的結構與其它電機形成了差別。和常用的異步電機的最大不同則是轉子的獨特的結構，在轉子上放有高質量的永磁體磁極。由于在轉子上安放永磁體的位置有很多選擇，所以永磁同步電機通常會被分為三大類：嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機的運行性能是最受關注的，影響其性能的因素有很多，但是最主要的則是永磁同步電機的結構。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結構都各有其各自的優(yōu)點。頁腳.#第四章永磁同步電機開環(huán)和雙閉環(huán)仿真比較通過第二章的研究和分析，可以看出永磁同步電機在開環(huán)的運行形式下，得到的轉矩、電流、轉速的波形跟我們想要的效果有很大的差距，其中會出現(xiàn)從起動開始，達到穩(wěn)定的時間比較長，而且到達穩(wěn)定時的效果也比較差，波形很明顯。這主要是由于開環(huán)運行的條件下系統(tǒng)普遍存在的問題較多在開環(huán)系統(tǒng)中，各種參數(shù)間相互之間影響并且互相制約著，所以很難再對調節(jié)器的參數(shù)進行更好的調整，因而系統(tǒng)的動態(tài)性能的缺陷很明顯，在這種情況下不是很理想。任何擾動在轉速出現(xiàn)偏差后也無法調整，因而轉速動態(tài)降落較大。相對開環(huán)來講在第三章研究的永磁同步電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)就對電機調節(jié)的優(yōu)勢就很明顯，如仿真結果表明：對永磁同步電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真結果進行波形分析，可以很清楚的看到其的合理性，并且系統(tǒng)能夠在非常平穩(wěn)的狀態(tài)下運行，跟開環(huán)控制系統(tǒng)相比較而言它具有較好的靜、動態(tài)特性，能夠達到我們所期望的目的。所以我們可以得出以下結論，采用該PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型仿真，可以非常便捷地觀察出它和開環(huán)情況下永磁同步電機相比較的優(yōu)越性，實現(xiàn)同時也能很準確的驗證其算法是否合理，只需要對其中一部分的功能模塊進行替換或者是合理的適當?shù)男薷?，就能夠實現(xiàn)對控制策略的更換或改進，不僅可以間斷對方案的設計周期進行控制，而且還能快速驗證所設計的控制算法是否正確是否合理，更優(yōu)越的地方是能夠充分地利用計算機仿真的優(yōu)越性。通過修改系統(tǒng)的參數(shù)變量或人為的加入不同擾動因素來考察在各種不同的試驗條件下電機系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，或者是模擬相同的試驗條件,通過各種參數(shù)或者不同的波形來比較不同的控制策略的優(yōu)勢和劣勢，為分析和設計不同的永磁同步電機控制系統(tǒng)提供了更為有效的手段和工具也給為了實際電機控制系統(tǒng)的設計以及調試提供了新的思路。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應用到了直接轉矩控制原理。直接轉矩控制是近幾年來繼矢量控制技術之后發(fā)展起來的一種具有高性能的一種新型的交流變頻調速技術。1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授第一次提出了基于六邊形磁鏈的直接轉矩控制理論⑴,1986年日本學者Takahashi提出了基于圓形磁鏈的直接轉矩控制理論⑵，緊接著1987年在弱磁調速圍為涉及到了它。不同于矢量控制技術，直接轉矩控制自己的特點是很突出的。在矢量控制中遇到的計算復雜、特性易受電動機的參數(shù)變化所影響、實際性能很難達到理論分析結果等問題在直接轉矩控制中得到了很大程度的改善。直接轉矩控制技術一誕生，它就以自己新穎的控制思路，簡潔明了的系統(tǒng)結構，良好的靜、動態(tài)性能而受到了人們普遍的注意，因而得到迅速的發(fā)展。目前該技術已成功的應用到了電力機車的牽引以及提升機等大功率交流傳動上。ABB公司已將直接轉矩控制的變頻器投放到了市場上。直接轉矩控制的思想是想要直接控制電機的電磁轉矩要來控制定子的磁鏈的方法，不像矢量控制那樣，要通過電流來控制它的電磁轉矩，而是在定子坐標系下觀測電機的定子磁鏈和電磁轉矩，并將磁鏈、轉矩的觀測值拿來與參考值經(jīng)兩個滯環(huán)比較強后得到的磁鏈、轉矩控制信號，綜合考慮定子磁鏈的位置，要有開關選擇適當?shù)碾妷嚎臻g矢量，控制定子磁鏈的走向，從而來控制轉矩UM和矢量控制相比較，它的優(yōu)點在于它拋開了矢量控制中的復雜的思想，直接對電機的磁鏈和轉矩進行控制，并用定子的磁鏈方向來代替轉子磁鏈的方向，從而避開了電機中不易確定的參數(shù)⑶。通過本次的畢業(yè)設計，使我把從課本里學到的東西以及課本以外的知識聯(lián)系在了一起，在本次的畢業(yè)設計中我從最基本的對永磁同步電機的基本結構、工作原理等開始研究，通過查閱大量的書籍資料，使我獲得了在本課題之外的很多知識，在此期間雖然遇到了很多的問題，但是對于我來說這是一種動力，能夠促使我更多的學習相關的知識，使我對永磁同步電機才能有更深入的了解，在做畢業(yè)設計的過程中才能得心應手。做畢業(yè)設計的過程中以永磁同步電機的開環(huán)仿真作為基礎，最終搭建出對永磁同步電機的雙閉環(huán)控制，使其發(fā)揮出其最好的性能，并與其開環(huán)時的電機性能進行對比，觀察出雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對電機有效控制，達到我們預期和想要的目的?，F(xiàn)代的社會中，電力電子技術、微電子技術、以及電機控制理論等都迅速的發(fā)展起來，正是因為以上的發(fā)展，才使得永磁同步電機能夠更好的被深入研究，以及最終