PMSM變頻調速仿真小總結

1、目錄仿真軟件簡介一）MATLAB二）Simulink二、永磁同步電動機一）永磁同步電動機的結構與發(fā)展 二）永磁同步電動機的數(shù)學模型（三永磁同步電動機變壓變頻調速的原理。 四）永磁同步電動機變頻起動過程分析參考文獻一、仿真軟件簡介一） MATLABMATLAB是Matrix Laboratory矩陣實驗室）的縮寫，由主包、 Simulink和 工具箱組成。它以復數(shù)矩陣作為基本計算單元，其特點為功能強大具有數(shù)值計算和符號計算、計算結果和編程可視化、數(shù)學和文字統(tǒng)一處理、離線和在線計 算等功能）、界面友善MATLAB以復數(shù)處理作為計算單元，指令表達與標準 教科書的數(shù)學表達式相近）、開放性強，目前已成為

2、國際公認的最優(yōu)秀的科技 軟件之一。MATLAB在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語 言的程序等，主要應用于項目計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信 號檢測、金融建模設計與分析等領域。與FORTRAN，PASCALC，和C+等語言比較，利用MATLAB編程要簡單的多。MATLAB的內部函數(shù)庫提供了相當豐富的函數(shù)，這些函數(shù)可以解決許多基 本問題，除此之外，MATLAB還有各種工具箱：MATLAB主工具箱符號數(shù)學工具箱Simulink仿真工具箱控制系統(tǒng)工具箱信號處理工具箱圖象處理工具箱通訊工具箱系統(tǒng)

3、辨識工具箱神經(jīng)元網(wǎng)絡工具箱金融工具箱MATLA是重要的電氣仿真軟件，其功能十分強大，可以應用于電力電子、 電力拖動控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等課程中實際問題的仿真。二)SimulinkSimulink是The MathWorks公司開發(fā)的用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領 域仿真和基于模型的設計工具，是 MATLAB最重要的組件之一。Simulink提供了基于MATLAB核心的數(shù)據(jù)、圖形、編程功能的一個塊狀圖 界面，即提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，可通過塊與塊 的聯(lián)線和屬性設置，對各種時變系統(tǒng)，例如通訊、控制、信號處理、視頻處理 和圖像處理系統(tǒng)等，進行模型的設計、仿真、執(zhí)行，并對模型進行

4、分析和測 試，從而被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建 模和仿真。同時，Simulink提供了功能強大的工具可用于信號處理和通訊系統(tǒng)的開 發(fā)，這些工具目前被廣泛的應用于電子、通訊、航空航天、國防、醫(yī)學醫(yī)藥以 及其它的工業(yè)領域。Simuli nk的特點有：(1 建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進行仿真。Simulink是一種圖形化的仿真工具， 用于對動態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。因為支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結構，Simulink幾乎可分析任何一種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。(2以直觀的方式建模。利用 Simulink可視化的建模方式，可迅速地建立 動態(tài)系統(tǒng)的框圖模

5、型。（3 增添定制模塊元件和用戶代碼。Simuli nk模塊庫是可制定的，能夠擴展以包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊，并允許用戶自己編寫的C、 FORTRAN、Ada代碼直接植入 Simulink模型中。（4 快速、準確地進行設計模擬。Simulink的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真速度、準確地進行。5）分層次的表達復雜系統(tǒng)。Simulink的分級建模能力使得體積龐大、結構復雜的模型構建也簡便易行。根據(jù)需要，各種模塊可以組織成若干子系 統(tǒng)。6 ）交互式的仿真分析。Simulink的示波器可以用動畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運行中可調整模型參數(shù)進行What-if分析假設分析，用于分析各種不確定性因素變化

6、一定幅度時，對方案經(jīng)濟效果的影響程度），能夠在仿真運算 進行時監(jiān)視仿真結果。這種交互式的特征可以幫助用戶快速的評估不同的算 法，進行參數(shù)優(yōu)化。Simulink是重要的電氣仿真軟件，其功能十分強大，可用于電力電子、電力拖 動控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等課程中實際問題的仿真。1）電力系統(tǒng)仿真。MATLAB的“Simulink工具箱”里面有 SimPowerSystem 模塊，專門為電力系統(tǒng)提供各種仿真。特點就是操作簡單，很多模型都有。如： 利用積分器實現(xiàn)微分方程求解 三相橋全控整流電路的仿真 雙環(huán)調速電流環(huán)調速系統(tǒng)仿真2）編程計算。用MATLAB編程計算進行 算法設計，方便快速。二、永磁同步電動機由永磁體

7、建立主磁極磁場的同步電動機稱為永磁同步電動機Perma nentmagnet synchronous motor，簡稱 PMSM）。與電勵磁同步電動機相比，永磁同 步電動機具有一系列優(yōu)點。采用永磁磁極代替電勵磁的主磁極鐵心和勵磁繞組 后，電動機的磁極結構變得簡單，減少了加工、裝配費用；采用永磁磁極后， 不再需要電刷和滑環(huán)，使電動機運行的可靠性顯著提高；因為省去了勵磁繞組，也就不存在勵磁損耗，因此提高了電動機的效率 1 。 永磁同步電動機的優(yōu)點：（1）起動牽引力大；（2）本身的功率效率高，功率密度大，以及功率因數(shù)高；（3）直驅系統(tǒng)控制性能好；（4）發(fā)熱小，因此電機冷卻系統(tǒng)結構簡單、體積小、噪聲小

8、；（5）允許的過載電流大，可靠性顯著提高；（6）在高速范圍中電機噪聲明顯降低；（7）系統(tǒng)傳動損耗明顯降低，系統(tǒng)發(fā)熱量??；（8）系統(tǒng)采用全封閉結構，無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪噪聲，面潤滑 油、免維護；（9）內埋式交直軸電抗不同，產(chǎn)生結構轉矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱 磁性能較差；（10）整個傳動系統(tǒng)重量輕，單位重量的功率大；（11）因為電機采用了永磁體，省去了線圈勵磁，理論可節(jié)能10%以上2 。 永磁同步電動機的不足主要體現(xiàn)在： （1電動機的造價較同容量的異步電動機高； （2弱磁能力低；（3轉子勵磁無法靈活控制；（4起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風險； （5長時間運行定子繞組的電

9、樞反應會引起永磁體失磁；（6 永磁體所產(chǎn)生的磁勢 或磁場）受環(huán)境溫度等因素的影響而變化；（7 他控式同步電機有失步和震蕩的可能性。（一）永磁同步電動機的結構與發(fā)展1. 永磁同步電動機的結構永磁同步電動機仍然是由定子 電樞）、轉子以及機殼等結構部件構成，如圖 1 所示。與電勵磁同步電動機在結構上的區(qū)別主要在于轉子磁極采用了永磁結構 ，因此也就可以省去了滑環(huán)和電刷裝置。永磁同步電動機的定子 電樞）結構與電勵磁同步電動機基本相同，由電樞鐵心 和電樞繞組構成。定子繞組一般制成多相 三、四、五相不等），通常為三相繞 組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差 120度電角度，通入三相交流電 時，產(chǎn)生旋轉

10、磁場。轉子主要由永磁體、轉子鐵心和轉軸等構成。其中永磁體主要采用鐵氧體 永磁和釹鐵硼永磁材料等。采用永磁體簡化了電機的結構，提高了可靠性，又 沒有轉子銅耗，提高電機的效率。轉子鐵心可根據(jù)磁極結構的不同，選用實心 鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。2. 永磁同步電動機的分類永磁同步電動機可根據(jù)其永磁體的磁化方向，分為徑向式、切向式和混合 式三種類型。對于徑向式磁極結構，永磁體常常做成瓦片形并貼附在轉子鐵心 表面，因此常稱為表面式結構。對于切向式和混合式結構，則需要將永磁體置 入轉子鐵心內部，因此，也常稱為內置式結構。圖2示出了兩種常用的徑向式 表面式）磁極結構a）凸出式b）凹入式圖2 徑向式

11、 表面式）磁極結構1 永磁體2 轉子鐵心3 轉軸圖2a）的特點是永磁體凸出在轉子鐵心表面，其結構簡單，制造成本較少 ，容易改善氣隙磁場波形。采用這種磁極結構時，處于直軸上的磁極永磁體的 磁導率與交軸空氣隙的磁導率十分接近，因此，電磁設計時，可以看做是一種 隱極式轉子結構。適合于較低轉速1500r/mi n以下）和較小容量的電動機采用圖2b）的特點是永磁體凹入轉子鐵心表面，轉子鐵心的加工費用有所增加,主磁極的漏磁也有所增加，但轉子磁極的機械強度優(yōu)于a）。因為處于直軸上的磁極永磁體的磁導率遠小于交軸處鐵心的磁導率，因此，這種磁極結構屬 于凸極式轉子結構，除基本電磁轉矩外，還可以因凸極效應而產(chǎn)生磁阻

12、轉矩， 因而可以提高電動機的功率密度。上述徑向式磁極結構的缺點是無法設置籠型起動繞組，因此，這種永磁同 步電動機不能利用異步起動轉矩實現(xiàn)自啟動，而只能利用變頻電源在低頻下起 動。圖3示出了常用的切向式 內置式）磁極結構。圖3切向式 內置式）磁極結構這類結構的漏磁系數(shù)較大，并且需采用相應的隔磁措施，電動機的制造工 藝和制造成本較徑向式結構有所增加。其優(yōu)點在于一個極距下的磁通由相鄰兩 個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電動機極數(shù)較多、徑向式結 構不能提供足夠的每極磁通時，這種結構的優(yōu)勢便顯得更為突出。此外，采用 切向式轉子結構的永磁同步電動機的磁阻轉矩在電動機總電磁轉矩中的比例可 達40

13、%，這對充分利用磁阻轉矩，提高電動機功率密度和擴展電動機的恒功率 運行范圍都是很有利的。切向式結構需要采取相應的隔磁措施，否則，主極漏磁將會很大。內置式磁極結構的優(yōu)點是可以在轉子鐵心外圓表面開槽，設置籠型起 動繞組，因此，這種永磁同步電動機可以利用異步起動轉矩實現(xiàn)自起動。適合 于采用直接起動或降壓起動而又不需要調速的永磁同步電動機。起動繞組同時 作為阻尼繞組，還可以用來改善電動機的動態(tài)性能。3. 永磁同步電動機的特點 永磁同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電 機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等器件；和異步電動機相比，它因為 不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高

14、，力矩慣量比較大，定子電流 和定子電阻損耗小，而且轉子參數(shù)可測，控制性能好；但它與異步電機相比， 也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置， 簡化了結構，提高了效率。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、高 動態(tài)性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)引起了 國內外學者的廣泛關注。4. 永磁同步電動機在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研 究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電動機的直接起動是依 靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同 步轉矩將上個世紀八十

15、年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入 的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相 同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下特點：第一，阻尼繞組產(chǎn) 生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉動慣量、使電機力矩慣 量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況 下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻 率下的永磁同步電機相比有不同的特點。隨著對永磁同步電機調速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設計出高效率、高力 矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機，因此針對調速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高 效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁

16、同步電機的設計方法。隨著微型計算機技術的發(fā)展，永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制 也取得了很大的發(fā)展。這種永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片 機8097作為控制計算機，實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應的全數(shù)字控制。永磁同步 電動機矢量控制系統(tǒng)轉速控制器大多采用比例積分VPI）控制。PI控制器具有 結構簡單，性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土材料釹鐵硼資源在我國非常豐 富，稀土礦的貯藏量為世界其他各國總和的 4倍左右，同時，稀土永磁材料和稀 土永磁電機的科研水平都達到了國際領先水平。因此，對我國來說，永磁同步 電動機有很好的應用前景。（二）永磁同

17、步電動機的數(shù)學模型為了簡化和求解數(shù)學模型方程，運用坐標變換理論 ，通過對同步電動機定子 三相靜止坐標軸系的基本方程進行線性變換，實現(xiàn)電機數(shù)學模型的解耦。A、B、C:定子三相靜止坐標系 a B：定子兩相靜止坐標系d、q：轉子兩相坐標系:定子電壓：定子電流口 ：定子磁鏈矢量_ :轉子磁鏈矢量:轉子角位置：電機轉矩角假設：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轉子無阻尼繞組。永磁同步電動機在三相定子參考坐標系中的數(shù)學模型可以表達如下:定子磁鏈:電磁轉矩:永磁同步電動機在a-B坐標系中的數(shù)學模型可以表達如下：定子電流： I定子磁鏈：J: 0電磁轉矩：-=J永磁同步電動機在轉子旋轉坐

18、標系 d-q中的數(shù)學模型可以表達如下:定子電壓:定子磁鏈:電磁轉矩:（三）永磁同步電動機變壓變頻調速的原理定子繞組與三相電源接通后可以產(chǎn)生旋轉磁場，根據(jù)異性相吸原理，定子N極或S極）吸住永磁轉子的S極或N極），使轉子隨著旋轉磁場以同一速 度旋轉起來。顯然，改變磁極對數(shù) P可以實現(xiàn)有級調速，且 P較大時，成為低速電機; 而改變f可以實現(xiàn)無級平滑調速。當極對數(shù)p不變時，電動機轉子轉速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù) 的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調節(jié)電動機的轉速。永磁同步電動機變頻調速具有調速范圍廣、調速平滑性能好、機械特性較 硬的優(yōu)點，可以方便的實現(xiàn)恒轉矩或恒功率調速，整個調速特性與直流

19、電動機 調壓調速和弱磁調速十分相似，并可與直流調速相比美。1.變頻器與逆變器、斬波器變頻調速是以變頻器向交流電動機供電，并構成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器 是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調電壓、可調頻率的交流電的變換 器，是永磁同步電動機變頻調速的控制裝置。逆變器是將固定直流電壓變換成 固定的或可調的交流電壓的裝置DC AC變換）。將固定直流電壓變換成可調 的直流電壓的裝置稱為斬波器DC DC變換）。2.變壓變頻調速可知，電機磁通的減小，勢必造成電機電磁轉矩的減小。因為電機設計時，電機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通， 將使電機鐵心出現(xiàn)飽和，從而導致電機中流過很大的勵磁電流，增加電

20、機的銅 損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。因此，在改變電機頻率時，應對電機的電壓進行協(xié)調控制，以維持電機磁 通的恒定。為此，用于交流電氣傳動中的變頻器實際上是變壓 vVariable Voltage，簡稱 VV）變頻vVariable Frequency,簡稱VF ）器，即VVVF。所以，通常也把這種 變頻器叫作VVVF裝置或VVVF。四）永磁同步電動機變頻起動過程分析永磁同步電動機的優(yōu)點：1）轉速與電壓頻率嚴格同步；2）功率因數(shù)高到1.0 ;存在的問題：1）起動困難；2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險。解決辦法：1）對于起動問題：通過變頻電源頻率的平滑調節(jié)，使電機轉速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動2）對于振蕩和失步問題：因為采用頻率閉環(huán)控制，同步轉速可以跟著頻 率改變，于是就不會振蕩和失步了。永磁同步電動機的起動方法主要有兩種，一種是由變頻器供電時的