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1、永磁電機永磁同步電機l1.概述A .稀土永磁同步電機與電磁式同步電機的比較: (1)稀土永磁同步電機無需電流勵磁，不設電刷和滑環(huán)，因此結構簡單，使用方便，可靠性高。(2)轉子上無勵磁損耗，無電刷和滑環(huán)之間的摩擦損耗和接觸電損耗。因此效率比電磁式同步電機要高，并且其功率因數(shù)可設計在1附近。(3)稀土永磁同步電機轉子結構多樣，結構靈活，不同轉子結構往往帶來自身性能上的特點，因而稀土永磁同步電機可根據(jù)使用需要選擇不同的轉子結構形式。 (4)稀土永磁同步電機在一定功率范圍內，比電磁式同步電機具有更小的體積和重量。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l1.概述B .稀土永磁同步電機與鼠籠異步電機比較:1
2、高效節(jié)能無滑差，轉子上無基波鐵銅損耗；轉子永磁體勵磁，功率因數(shù)可達1，節(jié)約了無功功率，另一方面也使定子電流下降，定子銅損減少，效率提高；極弧系數(shù)一般大于異步電機的極弧系數(shù)，當電源電壓和定子結構一定時，其平均磁密較異步電機小，鐵損耗?。幌⊥劣来磐诫姍C的雜散損耗，一般認為由于其永磁體磁場的非正弦性增加了雜散損耗，但另一方面，稀土水磁同步電動機較大的氣隙降低了雜散損耗。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l1.概述B .稀土永磁同步電機與鼠籠異步電機比較:2體積小、重量輕、功率密度高從電磁負荷角度分析：其計算極弧系數(shù)較異步電機大，在電負荷A和氣隙磁密B相同的條件下體積、重量減小。從熱負荷角度分析，
3、由于其效率高，發(fā)熱少，A、B可適當提高，使電機有效體積減小。由于稀土水磁同步電動機體積小、重量輕、功率密度高，使其十分適應航空航天等軍工領域的應用。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l1.概述B .稀土永磁同步電機與鼠籠異步電機比較: 3調速性能優(yōu)轉速與頻率嚴格成正比這一特點非常適合于轉速恒定和精確同步的驅動系統(tǒng)中。4. 不足稀土永磁同步電動機與異步電機相比，結構復雜、成本高、起動困難。單相稀土永磁同步電動機的發(fā)展目前還不很成熟。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l1.概述C .稀土永磁同步電機與永磁無刷直流電機比較：是從兩個不同類型電機的基礎上永磁化后形成的1.結構形式基本相同，繞組略有
4、差異2.轉矩脈動大大減小，更適合高精度驅動系統(tǒng)3.控制方式（策略）更加復雜，控制器成本更高4.需要任意轉子角度的位置傳感器，精度高5.功率密度略小6. 一種更精密的電機第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式轉子磁極結構形式選擇的原則：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l2.基本結構形式第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.1
5、計算極弧系數(shù)：通常永磁電機空載氣隙磁場是帶諧波的平頂波，而實現(xiàn)機電能量轉換算是以基波磁場為基礎進行的。所以計算極弧系數(shù)的準確性會直接影響磁場基波大小計算極弧系數(shù)與轉子磁極結構密切相關第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.1 計算極弧系數(shù)：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機計算極弧系數(shù)：永磁體跨過的定、轉子槽數(shù)l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.1 計算極弧系數(shù)：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機計算極弧系數(shù)：磁極的極弧長度l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.2 空載氣隙磁密的波形系數(shù)：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l3.永磁同步電機氣隙磁
6、場的主要系數(shù)3.3 電樞反應磁密波形系數(shù)：定義：Dq軸電樞反應產(chǎn)生的氣隙磁場基波磁密與磁密最大值之比：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.3 電樞反應磁密波形系數(shù)：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l3.永磁同步電機氣隙磁場的主要系數(shù)3.4 電樞反應系數(shù)：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l4.永磁同步電機電樞反應和電樞反應電抗永磁同步電機電樞反應與電勵磁同步機類似但由于dq軸磁阻不同引起電抗也不同第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l4.永磁同步電機電樞反應和電樞反應電抗第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l4.永磁同步電機電樞反應和電樞反應電抗第
7、四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l4.永磁同步電機電樞反應和電樞反應電抗第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l5.永磁同步電機的感應電勢第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l5.永磁同步電機的感應電勢第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電壓方程 正弦波永磁同步電動機與電勵磁同步電動機有著相似的內部電磁關系，故可采用雙反應理論來研究。注意采用電動機慣例來規(guī)定正方向，以凸極機為例：qqddaqqaddaqqaddXI jXI jr IEXXI jXXI jr IEXI jXI jXI jr IEU101110110)()(第四
8、講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-向量圖1aqqaddXI jXI jXI jr IEU110 I 超前E為正；U超前E為正；I 滯后U為正第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-向量圖1第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系l由向量圖可以看出各量的關系：qIUdIqqXI jaRIddXI j0EI第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步
9、電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-電磁功率第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l6.永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電磁關系-無功調節(jié)和V形曲線第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l無功調節(jié)和V形曲線1.當U不變時的無功調節(jié)（有功不變）第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l無功調節(jié)和V形曲線2.當E0不變時的無功調節(jié)（有功不變）第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l7 永磁同步電機的動態(tài)數(shù)學
10、模型qdqqdqddi rdtdui rdtdu11 為建立正弦波永磁同步電動機的d、q軸數(shù)學模型（同步旋轉坐標系） 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)電動機的電流為對稱的三相正弦波電流。由此可以得到如下的電壓、磁鐵、電磁轉短相機械運動方程(式中各量為瞬態(tài)值)：電壓方程：qqqfddfmddddiLiLiLiL磁鏈方程：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l7 永磁同步電機的動態(tài)數(shù)學模型)()(qdqdqfqdqdqfmddqqdemiiLLipiiLLiiLpiipT電磁轉矩：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l7 永磁同步電機的動態(tài)數(shù)學模型qdqqdqd
11、di rdtdui rdtdu11動態(tài)模型的穩(wěn)態(tài)形式：qfddqdqqdi riLui riLu11)()(qdqdqfqdqdqfmddqqdemiiLLipiiLLiiLpiipT)()(0qdqdqqdqdqfemiiXXiepiiLLipT)(0qdqdqememiiXXiepTP第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-矢量控制原理電磁轉矩的形式為：電磁轉矩的形式為：對于隱極機，如控制對于隱極機，如控制iq，可與直流機通過，可與直流機通過Ia控制轉矩類似；控制轉矩類似；對于凸極機，對于凸極機，如控制如控制iq，保持，保持id不變，也與直流機通過不變，也與直流機
12、通過Ia控制轉矩類似；控制轉矩類似；另外還可以控制另外還可以控制id來實現(xiàn)類似與直流機的勵磁控制，來實現(xiàn)類似與直流機的勵磁控制， iq，id到底如何控制取決到底如何控制取決于需要的特性及相應的控制策略于需要的特性及相應的控制策略)()(qdqdqfqdqdqfmddqqdemiiLLipiiLLiiLpiipT電機的速度控制實質是控制轉矩，在直流機中改變電樞電流可獨立對轉矩的電機的速度控制實質是控制轉矩，在直流機中改變電樞電流可獨立對轉矩的控制，控制，T=CeIa，電樞磁場與勵磁磁場始終正交，是解耦的。，電樞磁場與勵磁磁場始終正交，是解耦的。但永磁同步電機不同，其電樞磁場與永磁磁場不正交，相互
13、耦合，難以通過但永磁同步電機不同，其電樞磁場與永磁磁場不正交，相互耦合，難以通過控制電樞電流獨立控制電機的轉矩，但是從靜止控制電樞電流獨立控制電機的轉矩，但是從靜止abc坐標系變換到旋轉坐標系變換到旋轉dq坐坐標系后，則可以解耦。標系后，則可以解耦。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-矢量控制原理 矢量控制實際上是對定子電流矢量相位和幅值的控制。當永磁體勵磁磁鏈和Ld、Lq確定后，電機T便取決于定子電流的空間矢量is,而is的大小和相位又取決于id和iq，也就是說控制id和iq便可以控制電機T。一定的轉速和轉矩對應于一定的i*d和i*q，通過這兩個電流的獨立控制，
14、使實際id和iq跟蹤指令值i*d和i*q，便實現(xiàn)了電動機的轉矩和轉速的控制。fifdq相繞組軸線assiqidi永磁同步機空間矢量圖：永磁同步機空間矢量圖：)(qdqdqfemiiLLipT第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-矢量控制原理 由于實際饋入電機電樞繞組的電流是三相交流電流ia、ib、ic，因此，三相電流的指令值i*a、i*b、i*c必須由下面的變換從i*d、i*q得到：轉子位置信號由位置傳感器(如光電編碼器或旋轉變壓器等)提供。通過電流控制環(huán)，可以使電機實際輸入三相電流ia、ib、ic，與給定的指令值i*a、i*b、i*c一致，從而實現(xiàn)了對電動機轉矩的
15、控制。 需要指出的是，上述電流失量控制對電動機穩(wěn)態(tài)運行和瞬態(tài)運行都適用。而且， id、iq是各自獨立控制的，因此更便于實現(xiàn)各種先進的控制策略。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-矢量控制極限問題l 正弦波永磁同步電動機的控制運行與系統(tǒng)中逆變器密切相關，電動機的運行性能要受到逆變器的制約。l 最為明顯的是電動機相電壓有效值的極限值Ulim和相電流有效值的極限值Ilim要受到逆變器直流側電壓和逆變器的最大輸出電流限制。l 當逆變器直流側電壓最大值為Uc時，丫接的電動機可達到的最大基波相電壓有效值為：623limccUUU而在dq軸系統(tǒng)中的電壓極限值：Ulim=1.73
16、2Uc第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-電壓極限問題22qdUUUs電機穩(wěn)定運行時，電壓矢量的幅值代入dq軸下穩(wěn)態(tài)電壓：qfddqdqqdi riLui riLu11忽略電阻，簡化得：22)()(fddqqiLiLUs代入電壓極限：2lim22)/()()(UiLiLfddqq第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-電壓極限軌跡隱極機，圓方程凸極機，橢圓方程電機穩(wěn)定運行時，對應某一轉速，定子電流矢量不能超過該轉速下的橢圓軌跡，轉速提高橢圓變小電壓極限軌跡方程：2lim22)/()()(UiLiLfddqqdiqi第四講永磁同步電機第四講
17、永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-電流極限問題電流有效值為電機個達到的最大相其中：limlimlim22lim,3IIiiiiqd電機穩(wěn)定運行時，電流矢量的幅值電流極限軌跡為一園軌跡電機穩(wěn)定運行時，電流電壓的空間矢量均不能超出相應軌跡范圍，因此某一轉速下電機只能運行在軌跡之內。diqi第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-恒轉矩運行電流軌跡l永磁同步電機工作特性曲線：l例:某電機轉速0-8000rpm，低速轉矩275NM，高速恒功率60kW，1分鐘2倍過載。以指標要求其自然轉折速度約為2000rpm120kW60kW第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8
18、永磁同步電機的矢量控制-恒轉矩運行電流軌跡l為分析恒轉矩運行時電流變化軌跡，將轉矩公式標幺值化：)(/d)1 (d)(*dqqfbbfbdqemqfemqdqdqfemLLiiipTiiTipTiiLLipT；電流基值為轉矩基值為軸對稱曲線為關于，：對于凸極機，標幺值化軸直線，電流軌跡為平行于對于隱極機：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l8 永磁同步電機的矢量控制-最大轉矩的電流軌跡恒轉矩時電流軌跡存在最小定子電流矢量，電流越小，效率越高，逆變器容量越低。恒轉矩軌跡上距離坐標原點最近的點，即為產(chǎn)生該轉矩時所需的最小電流。把產(chǎn)生不同轉矩值所需的最小電流點連起來，形成電機的T/I軌跡對LdLq
19、電機，由于磁阻轉矩為零，其最大T/I軌跡就是q軸。id=0凸極永磁同步電動機的最大T/I軌跡線接近45度的直線。q軸代表永磁轉矩，恒轉矩曲線上各點是永磁轉矩和磁阻轉距的合成。當轉矩較小時，最大T/I軌跡靠近q軸，表明永磁轉矩起主導作用。當轉矩增大后，與電流平方成正比的磁阻轉矩要比與電流成線性關系的永磁轉矩增加得更快，故最大T/I軌跡越來越偏離q軸。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，定子齒部局部飽和將導致定子電流增加時電動機最大T/I軌跡向q軸靠近。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略l永磁同步電機用途不同，定子電流矢量控制的方法和策略也不同，各有優(yōu)缺點Id=0控制最大T/I控制弱磁
20、控制最大P2控制最優(yōu)電流控制第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- Id=0控制，隱極機常用lId=0控制，定子電流只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機轉矩中只有永磁轉矩分量，沒有利用磁阻轉矩，因此適合隱極機：fifU1IqfqdqdqfemipiiLLipT)(0ERI1sXI j1第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- Id=0控制，隱極機常用lId=0控制，控制系統(tǒng)原理圖第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- Id=0控制，隱極機常用lId=0控制，電機的最高轉速：22lim2
21、2lim22lim22lim2lim22)()()()(0)/()()(）（最高機械速度：）（，代入：得：，又由：得：，取由電壓極限軌跡：ffqembbffqemffqembfemqqfemfqqbdfddqqpLTUppLTpUpLTUpTiipTiLUiUiLiLl說明Id=0控制，電機最高轉速（轉折速度）與逆變器供電電壓成正比，與轉矩成反比第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 最大T/I控制，凸極機常用l有單位電流最大轉矩控制，對隱極機而言也就是Id=0控制標幺值化：為電機的凸極率代入，求得：和將且dqdqdffqdqqdffdqdsqdqdqfemqsem
22、dsemLLLiLLLiLLiiiiiiLLipTiiTiiT/) 1(2) 1(4)(2)(4)(0/, 0/222222222最大T/I控制時，電流應滿足：2/) 1(411)(/2222*fqdddqqfbiLiLLii，電流基值為第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 最大T/I控制，凸極機常用)()(T/I)411 (2)1 ()1 (*2*1*2*3*emqemdqdemddemdqemTfiTfiiiTiiTiiT；要求，所需的電流為：按照最大矩，反過來，產(chǎn)生不同的轉矩的關系：交、直軸電流與電磁轉得代入第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步
23、電機的矢量策略- 最大T/I控制，凸極機常用最大T/I控制系統(tǒng)轉矩控制環(huán)節(jié)原理圖：第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 最大T/I控制，凸極機常用最大T/I控制的電流極限圖：l隱極機：最大T/I跡與電流極限圓相交于A1點，過A1點的電壓極限圓對應的速度W1在最大T/I跡的0A1段上，電機以該軌跡上的各點作恒轉矩運行，過該點電壓極限圓對應的轉速即為該轉矩下的轉折速度，l轉矩值越大，轉折速度越低。由于電壓和電流不能超過各自的極限，故A1電機最大轉矩，此時電機的電壓和電流均達到了極限值。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 最大T/I控制，
24、凸極機常用最大T/I控制的電流極限圖：l凸極機：最大T/I跡與電流極限圓相交于A1點，過A1點的電壓極限橢圓對應的速度W1在最大T/I跡的0A1段上，電機以該軌跡上的各點作恒轉矩運行，過該點的電壓極限橢圓對應的轉速即為在該轉矩下的轉折速度，l轉矩值越大，轉折速度越低。由于電壓和電流不能超過各自的極限，故A1電機最大轉矩，此時電機的電壓和電流均達到了極限值。第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 弱磁控制思想l他勵直流電動機可通過降低勵磁電流而弱磁擴速。l永磁同步電動機由永磁體勵磁而無法調節(jié)，只有通過定子直軸去磁電流來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。22
25、lim)()(UfddqqiLiL本質永磁同步電機弱磁擴速當電機電壓達到逆變器極限電壓后，要繼續(xù)升速并維持電壓平衡關系，只有調節(jié)id、iq，增加id去磁和減小iq，都就得到“弱磁”效果，前者“弱磁”能力與Ld相關，后者與Lq相關。由于電機電流也有極限，增加id而同時保證is不超限，iq應相應減小。因此，弱磁控制時電機通常是恒功率運行第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 弱磁控制中的最大功率控制l在轉折速度以上的弱磁擴速時，電機輸出最大功率時的電流為：dffddqddqddfdfddqqqqddsLiiLiLiiLiUiLiLiUiUPdidP）（；凸極機其中：隱極機；可解的：結合電壓極限軌跡：，而1-4)/U() 1(8)(-0)()/U(-)/()()(,02lim2222lim2lim2211第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 弱磁控制中的最大功率控制l實質是上述各種控制策略在不同轉速下的組合第四講永磁同步電機第四講永磁同步電機l9 永磁同步電機的矢量策略- 最佳電流控制l在轉折速度以上的弱磁擴速時，電機輸出最大功率時的電流為：此課件下載可自行編輯修改，僅供參考！此課件下載可自行編輯修改，僅供參考！感謝您的支持，我們努力做得更好！謝謝感謝您的支持，我們努力做得更好！謝謝
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