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1、永磁电机及其控制原理,第四讲永磁同步电机,第四讲永磁同步电机,1.概述永磁同步电机与传统电励磁同步电机特性类似只是永磁体取代其转子上的励磁系统使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又围无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高,1.概述A.稀土永磁同步电机与电磁式同步电机的比较:(1)稀土永磁同步电机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高。(2)转子上无励磁损耗，无电刷和滑环
2、之间的摩擦损耗和接触电损耗。因此效率比电磁式同步电机要高，并且其功率因数可设计在1附近。(3)稀土永磁同步电机转子结构多样，结构灵活，不同转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。(4)稀土永磁同步电机在一定功率范围内，比电磁式同步电机具有更小的体积和重量。,第四讲永磁同步电机,1.概述B.稀土永磁同步电机与鼠笼异步电机比较:1高效节能无滑差，转子上无基波铁铜损耗；转子永磁体励磁，功率因数可达1，节约了无功功率，另一方面也使定子电流下降，定子铜损减少，效率提高；极弧系数一般大于异步电机的极弧系数，当电源电压和定子结构一定时，其平均磁密较异步电机
3、小，铁损耗小；稀土永磁同步电机的杂散损耗，一般认为由于其永磁体磁场的非正弦性增加了杂散损耗，但另一方面，稀土水磁同步电动机较大的气隙降低了杂散损耗。,第四讲永磁同步电机,1.概述B.稀土永磁同步电机与鼠笼异步电机比较:2体积小、重量轻、功率密度高从电磁负荷角度分析：其计算极弧系数较异步电机大，在电负荷A和气隙磁密B相同的条件下体积、重量减小。从热负荷角度分析，由于其效率高，发热少，A、B可适当提高，使电机有效体积减小。由于稀土水磁同步电动机体积小、重量轻、功率密度高，使其十分适应航空航天等军工领域的应用。,第四讲永磁同步电机,1.概述B.稀土永磁同步电机与鼠笼异步电机比较:3调速性能优转速与频
4、率严格成正比这一特点非常适合于转速恒定和精确同步的驱动系统中。4.不足稀土永磁同步电动机与异步电机相比，结构复杂、成本高、起动困难。单相稀土永磁同步电动机的发展目前还不很成熟。,第四讲永磁同步电机,1.概述C.稀土永磁同步电机与永磁无刷直流电机比较：是从两个不同类型电机的基础上永磁化后形成的1.结构形式基本相同，绕组略有差异2.转矩脉动大大减小，更适合高精度驱动系统3.控制方式（策略）更加复杂，控制器成本更高4.需要任意转子角度的位置传感器，精度高5.功率密度略小6.一种更精密的电机,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形式,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形式,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形
5、式,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形式,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形式转子磁极结构形式选择的原则：,第四讲永磁同步电机,2.基本结构形式,第四讲永磁同步电机,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.1 计算极弧系数：通常永磁电机空载气隙磁场是带谐波的平顶波，而实现机电能量转换算是以基波磁场为基础进行的。所以计算极弧系数的准确性会直接影响磁场基波大小计算极弧系数与转子磁极结构密切相关,第四讲永磁同步电机,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.1 计算极弧系数：,第四讲永磁同步电机,计算极弧系数：,永磁体跨过的定、转子槽数,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.1 计算极弧系数：,第四讲永磁
6、同步电机,计算极弧系数：,磁极的极弧长度,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.2 空载气隙磁密的波形系数：,第四讲永磁同步电机,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.3 电枢反应磁密波形系数：定义：Dq轴电枢反应产生的气隙磁场基波磁密与磁密最大值之比：,第四讲永磁同步电机,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.3 电枢反应磁密波形系数：,第四讲永磁同步电机,3.永磁同步电机气隙磁场的主要系数3.4 电枢反应系数：,第四讲永磁同步电机,4.永磁同步电机电枢反应和电枢反应电抗永磁同步电机电枢反应与电励磁同步机类似但由于dq轴磁阻不同引起电抗也不同,第四讲永磁同步电机,4.永磁同步电机电枢反应和电
7、枢反应电抗,第四讲永磁同步电机,4.永磁同步电机电枢反应和电枢反应电抗,第四讲永磁同步电机,4.永磁同步电机电枢反应和电枢反应电抗,第四讲永磁同步电机,5.永磁同步电机的感应电势,第四讲永磁同步电机,5.永磁同步电机的感应电势,第四讲永磁同步电机,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电压方程,正弦波永磁同步电动机与电励磁同步电动机有着相似的内部电磁关系，故可采用双反应理论来研究。注意采用电动机惯例来规定正方向，以凸极机为例：,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-向量图1,I 超前E为正；U超前E为正；I 滞后U为正,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁
8、关系-向量图1,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系由向量图可以看出各量的关系：,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-电磁功率,第四讲永磁同步电机,6.永磁同步电机的稳态电磁关系-无功调节和V形曲线,第四讲永磁同步电机,无功调节和V形曲线1.当U不变时的无功调
9、节（有功不变）,第四讲永磁同步电机,无功调节和V形曲线2.当E0不变时的无功调节（有功不变）,第四讲永磁同步电机,7 永磁同步电机的动态数学模型,为建立正弦波永磁同步电动机的d、q轴数学模型（同步旋转坐标系）1)忽略电动机铁心的饱和；2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；3)电动机的电流为对称的三相正弦波电流。由此可以得到如下的电压、磁铁、电磁转短相机械运动方程(式中各量为瞬态值)：,电压方程：,磁链方程：,第四讲永磁同步电机,7 永磁同步电机的动态数学模型,电磁转矩：,第四讲永磁同步电机,7 永磁同步电机的动态数学模型,动态模型的稳态形式：,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-矢量控
10、制原理,电磁转矩的形式为：,对于隐极机，如控制iq，可与直流机通过Ia控制转矩类似；对于凸极机，如控制iq，保持id不变，也与直流机通过Ia控制转矩类似；另外还可以控制id来实现类似与直流机的励磁控制，iq，id到底如何控制取决于需要的特性及相应的控制策略,电机的速度控制实质是控制转矩，在直流机中改变电枢电流可独立对转矩的控制，T=CeIa，电枢磁场与励磁磁场始终正交，是解耦的。但永磁同步电机不同，其电枢磁场与永磁磁场不正交，相互耦合，难以通过控制电枢电流独立控制电机的转矩，但是从静止abc坐标系变换到旋转dq坐标系后，则可以解耦。,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-矢量控制原理
11、,矢量控制实际上是对定子电流矢量相位和幅值的控制。当永磁体励磁磁链和Ld、Lq确定后，电机T便取决于定子电流的空间矢量is,而is的大小和相位又取决于id和iq，也就是说控制id和iq便可以控制电机T。一定的转速和转矩对应于一定的i*d和i*q，通过这两个电流的独立控制，使实际id和iq跟踪指令值i*d和i*q，便实现了电动机的转矩和转速的控制。,永磁同步机空间矢量图：,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-矢量控制原理,由于实际馈入电机电枢绕组的电流是三相交流电流ia、ib、ic，因此，三相电流的指令值i*a、i*b、i*c必须由下面的变换从i*d、i*q得到：,转子位置信号由位置
12、传感器(如光电编码器或旋转变压器等)提供。通过电流控制环，可以使电机实际输入三相电流ia、ib、ic，与给定的指令值i*a、i*b、i*c一致，从而实现了对电动机转矩的控制。需要指出的是，上述电流失量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。而且，id、iq是各自独立控制的，因此更便于实现各种先进的控制策略。,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-矢量控制极限问题,正弦波永磁同步电动机的控制运行与系统中逆变器密切相关，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。最为明显的是电动机相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值的极限值Ilim要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流限制。当逆变器直
13、流侧电压最大值为Uc时，丫接的电动机可达到的最大基波相电压有效值为：,而在dq轴系统中的电压极限值：Ulim=1.732Uc,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-电压极限问题,电机稳定运行时，电压矢量的幅值,代入dq轴下稳态电压：,忽略电阻，简化得：,代入电压极限：,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-电压极限轨迹,隐极机，圆方程凸极机，椭圆方程电机稳定运行时，对应某一转速，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，转速提高椭圆变小,电压极限轨迹方程：,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-电流极限问题,电机稳定运行时，电流矢量的幅值,电流极限轨迹为一园轨迹电机
14、稳定运行时，电流电压的空间矢量均不能超出相应轨迹范围，因此某一转速下电机只能运行在轨迹之内。,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-恒转矩运行电流轨迹,永磁同步电机工作特性曲线：例:某电机转速0-8000rpm，低速转矩275NM，高速恒功率60kW，1分钟2倍过载。,以指标要求其自然转折速度约为2000rpm,120kW,60kW,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-恒转矩运行电流轨迹,为分析恒转矩运行时电流变化轨迹，将转矩公式标幺值化：,第四讲永磁同步电机,8 永磁同步电机的矢量控制-最大转矩的电流轨迹,恒转矩时电流轨迹存在最小定子电流矢量，电流越小，效率越高，逆变器
15、容量越低。恒转矩轨迹上距离坐标原点最近的点，即为产生该转矩时所需的最小电流。把产生不同转矩值所需的最小电流点连起来，形成电机的T/I轨迹对LdLq电机，由于磁阻转矩为零，其最大T/I轨迹就是q轴。id=0凸极永磁同步电动机的最大T/I轨迹线接近45度的直线。q轴代表永磁转矩，恒转矩曲线上各点是永磁转矩和磁阻转距的合成。当转矩较小时，最大T/I轨迹靠近q轴，表明永磁转矩起主导作用。当转矩增大后，与电流平方成正比的磁阻转矩要比与电流成线性关系的永磁转矩增加得更快，故最大T/I轨迹越来越偏离q轴。进一步的研究发现，定子齿部局部饱和将导致定子电流增加时电动机最大T/I轨迹向q轴靠近。,第四讲永磁同步电
16、机,9 永磁同步电机的矢量策略,永磁同步电机用途不同，定子电流矢量控制的方法和策略也不同，各有优缺点Id=0控制最大T/I控制弱磁控制最大P2控制最优电流控制,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-Id=0控制，隐极机常用,Id=0控制，定子电流只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机转矩中只有永磁转矩分量，没有利用磁阻转矩，因此适合隐极机：,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-Id=0控制，隐极机常用,Id=0控制，控制系统原理图,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-Id=0控制，隐极机常用,Id=0控制，电机的最高转速：,说明Id=
17、0控制，电机最高转速（转折速度）与逆变器供电电压成正比，与转矩成反比,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最大T/I控制，凸极机常用,有单位电流最大转矩控制，对隐极机而言也就是Id=0控制,标幺值化：,最大T/I控制时，电流应满足：,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最大T/I控制，凸极机常用,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最大T/I控制，凸极机常用,最大T/I控制系统转矩控制环节原理图：,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最大T/I控制，凸极机常用,最大T/I控制的电流极限图：隐极机：最大T/I迹与电流极限圆相交于A1点，过A1点的电
18、压极限圆对应的速度W1在最大T/I迹的0A1段上，电机以该轨迹上的各点作恒转矩运行，过该点电压极限圆对应的转速即为该转矩下的转折速度，转矩值越大，转折速度越低。由于电压和电流不能超过各自的极限，故A1电机最大转矩，此时电机的电压和电流均达到了极限值。,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最大T/I控制，凸极机常用,最大T/I控制的电流极限图：凸极机：最大T/I迹与电流极限圆相交于A1点，过A1点的电压极限椭圆对应的速度W1在最大T/I迹的0A1段上，电机以该轨迹上的各点作恒转矩运行，过该点的电压极限椭圆对应的转速即为在该转矩下的转折速度，转矩值越大，转折速度越低。由于电压和电流不能
19、超过各自的极限，故A1电机最大转矩，此时电机的电压和电流均达到了极限值。,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-弱磁控制思想,他励直流电动机可通过降低励磁电流而弱磁扩速。永磁同步电动机由永磁体励磁而无法调节，只有通过定子直轴去磁电流来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。,当电机电压达到逆变器极限电压后，要继续升速并维持电压平衡关系，只有调节id、iq，增加id去磁和减小iq，都就得到“弱磁”效果，前者“弱磁”能力与Ld相关，后者与Lq相关。由于电机电流也有极限，增加id而同时保证is不超限，iq应相应减小。因此，弱磁控制时电机通常是恒功率运行,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-弱磁控制中的最大功率控制,在转折速度以上的弱磁扩速时，电机输出最大功率时的电流为：,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-弱磁控制中的最大功率控制,实质是上述各种控制策略在不同转速下的组合,第四讲永磁同步电机,9 永磁同步电机的矢量策略-最佳电流控制,在转折速度以上的弱磁扩速时，电机输出最大功率时的电流为：,
