永磁同步電動機功率因數(shù)的仿真分析【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　永磁同步電動機功率因數(shù)的仿真分析---矢量控制系統(tǒng)模型</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>&

3、lt;p>　　永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、節(jié)能成效顯著等諸多特點，種種特性超越了直流電動機和同步電動機，得到很多用戶的青睞，被廣泛應用在許多領域中。永磁同步電動機在中小功率伺服場合中發(fā)揮著重要作用。正因為PMSM的應用前景廣泛，對其進行的研究顯得極為重要，提高功率因數(shù)能減少線路損耗及電網(wǎng)損耗，達到節(jié)能的效果。本文詳細分析永磁同步電動機的功率因數(shù)，在建立矢量模型的基礎上提出功率因數(shù)的控制策略，這對改善功

4、率因數(shù)方面有一定的意義。</p><p>　　本文先建立永磁同步電動機dq坐標系中的數(shù)學模型，在SIMULINK中建立了矢量仿真模型，詳細分析永磁同步電動機的矢量控制理論。其次，在實現(xiàn)電勵磁同步電動機的功率因數(shù)控制方法的基礎上，討論永磁同步電動機的功率因數(shù)問題，用矢量圖分析影響永磁同步電動機功率因數(shù)的因素。最后采用滯環(huán)方式產(chǎn)生PWM信號控制逆變器，分析電機在矢量控制策略下，不同運行狀態(tài)的永磁同步電動機的功率因數(shù)。

5、</p><p>　　關(guān)鍵詞：永磁同步電動機，矢量控制，功率因數(shù)，數(shù)學模型</p><p>　　The Simulation Analysis of the Power Factor of Permanent Magnet Synchronous Motor--- Vector Control system model</p><p><b>　　ABST

6、RACT</b></p><p>　　Permanent magnet synchronous motor (PMSM) with small size, high efficiency, high power factor, high effective energy saving , and many other features, these features beyond the DC mot

7、or and synchronous motor, favored by many users, is widely used in many areas. Because of PMSM broad application prospects, its research is extremely important, improving the power factor can reduce line losses and power

8、 loss, achieve the effect of energy saving. This paper makes a detailed analysis of permanent mag</p><p>　　This paper firstly establish the mathematical model of permanent magnet synchronous motor in dq coor

9、dinate system, this vector simulation model is established in simulink, a detailed analysis of vector control theory of permanent magnet synchronous motor. Secondly, in the realization electric excitation synchronous mot

10、or power factor control method, and on the basis to discuss the power factor of permanent magnet synchronous motor, using vector diagram analysis to analyse permanent magnet synchr</p><p>　　Keywords:PMSM, ve

11、ctor control, power factor, mathematical model</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p><b>　　1 緒論1</b>

12、;</p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2 永磁同步電動機概論2</p><p>　　1.2.1 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.2.2 永磁同步電動機的特點2</p><p>　　1.2.3 永磁同步電動機的應用3</p>

13、;<p>　　1.3 永磁同步電動機的功率因數(shù)4</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2 永磁同步電動機的數(shù)學模型及矢量控制6</p><p>　　2.1 永磁同步電動機的坐標變換6</p><p>　　2.2 永磁同步電動機的數(shù)學模型7</p><p>　　2.

14、3 永磁同步電動機的矢量控制研究9</p><p>　　2.4 永磁同步電動機的仿真模型10</p><p>　　2.4.1 MATLAB的仿真簡介10</p><p>　　2.4.2 永磁同步電動機在MATLAB中建立的模型10</p><p>　　3 永磁同步電動機的功率因數(shù)14</p><p>　　3.

15、1 電網(wǎng)的功率因數(shù)14</p><p>　　3.2同步電動機的功率因數(shù)分析15</p><p>　　3.2.1 同步電動機的功率特性15</p><p>　　3.2.2 同步電動機的功率因數(shù)調(diào)整15</p><p>　　3.3 永磁同步電動機的功率因數(shù)17</p><p>　　3.3.1 影響永磁同步電動機功

16、率因數(shù)的因素17</p><p>　　4 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的功率因數(shù)仿真分析21</p><p>　　4.1 矢量控制系統(tǒng)仿真與功率因數(shù)分析21</p><p>　　4.1.1 電流滯環(huán)控制方式的仿真21</p><p>　　4.1.2 電流滯環(huán)控制矢量控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)22</p><p>　　4.

17、1.3 額定轉(zhuǎn)速下的控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析23</p><p>　　4.1.4 給定轉(zhuǎn)速下控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析24</p><p>　　4.2 矢量控制系統(tǒng)功率因數(shù)仿真分析的結(jié)論26</p><p><b>　　5 總結(jié)27</b></p><p>　　參 考 文 獻29</p>

18、<p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　很長一段時間里，在有調(diào)速、控制要求的場合,控制性能比較好的直流電動機成了最優(yōu)的選擇。但是直流電動機的結(jié)構(gòu)極其復雜, 電刷和換向器的限制

19、使其局限于低轉(zhuǎn)速和低容量。交流電網(wǎng)上,交流異步電動也被人們使用著，由于它的運轉(zhuǎn)依賴于電網(wǎng)的無功功率，所以功率因數(shù)較低,造成了電網(wǎng)和線路中的損耗劇增，違背了節(jié)能原則。起初，同步電動機在固定頻率下恒速運轉(zhuǎn)，其中的磁場采用直流勵磁，則電動機可工作在任一功率因數(shù)下，只用在拖動負載、改善功率因數(shù)的場合[1-3]。 </p><p>　　隨著科學技術(shù)的不斷地進步，電力電子技術(shù)的發(fā)展，大大地提高了半導體開關(guān)器件性能,大容量、低

20、成本，很好地控制電路，推動了電機的控制技術(shù)發(fā)展；永磁材料的出現(xiàn)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的無刷結(jié)構(gòu), 減小了轉(zhuǎn)子的體積，省掉了激磁直流電源, 消除激磁損耗和發(fā)熱，延長了壽命；最近集成化的數(shù)字信號處理器的發(fā)展也推動了電機控制。</p><p>　　有了這樣的發(fā)展，永磁同步電動機（PMSM）漸漸受到了人們的重視。隨著永磁同步電動機應用的領域范圍越來越廣泛，為了讓其擁有更好的性能，很多專家針對此提出了一系列的改進措施及提出更好的控制

21、方法，使永磁同步電動機更好地應用于各個領域。</p><p>　　電力網(wǎng)中的電力負荷有電動機、變壓器等等，它們是電感性負載。電感性負載的電壓和電流相量之間存在著相位差，用余弦來表示。而就被稱作功率因數(shù)。功率因數(shù)和效率一樣，都是永磁同步電動機里有實用價值的特征指標[2]。功率因數(shù)顯示各個用戶的用電設備的使用情況是否合理，它說明利用電能的最大程度，是用電管理水平的一項標準規(guī)則。如果功率因數(shù)比較低，就得用很大的電流來維

22、持電器的正常運作，與此同時輸電線路上的輸電電流增大，這會導致線路上的電能損失增大，所以提高該功率因數(shù)對于永磁同步電機和整個系統(tǒng)都扮演著非常重要的角色。為了減小電子控制器的容量，在設計永磁同步電動機時要求提高功率因數(shù)。</p><p>　　永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，最主要的問題就是怎樣實現(xiàn)電動機瞬時轉(zhuǎn)矩的高性能控制。而如何根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩來計算出交軸電流和直軸電流，這就是矢量控制的問題[3]。矢量控制就是對電動機中定

23、子電流的矢量相位和幅值進行控制。</p><p>　　1.2 永磁同步電動機概論</p><p>　　1.2.1 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　永磁同步電動機的定子與傳統(tǒng)的感應電動機的定子結(jié)構(gòu)基本相同，而轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)大不相同，定子結(jié)構(gòu)中有空間對稱分布的abc三相繞組，以a相繞組的軸線作為空間的參考軸線as。因為在abc坐標系中，永磁同步電動機的模型是穩(wěn)定

24、的，分析正弦波電流控制的永磁同步電動機的方法有dq數(shù)學模型，可以用它來分析電動機的瞬態(tài)性能。永磁電機可分為永磁同步發(fā)電機和永磁電動機，永磁同步發(fā)電機出現(xiàn)在航空等其它要求較高的場合，后者則適合中、小功率交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p>　　永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀各一，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布也分為正弦波和梯型波兩種，則其在定子上產(chǎn)生的反電動勢有正弦波和梯形波。這樣就有兩種交流調(diào)速系統(tǒng)，即正弦型永磁同步電動

25、機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2 永磁同步電動機的特點</p><p>　　永磁同步電動機因為其轉(zhuǎn)子采用永磁體，產(chǎn)生氣隙磁場時不需要外界的能量，沒有電樞繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)簡單化，使其可以滿足快速和準確的控制要求。與其他的電動機相比較，永磁同步電動機具有以下等特點[4-6]：</p><p>　?。?）永磁同步電動機的磁能

26、密度大，尺寸小，重量較輕。</p><p>　　（2）因為定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心損耗小，則效率好、功率因數(shù)高。</p><p>　?。?）永磁同步電動機的機械特性較硬，較大地承受因負載引起的轉(zhuǎn)矩擾動，即使在低</p><p>　　轉(zhuǎn)速下，也具有較高的效率和大的輸出轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　永磁同步電動機的缺點是失去了勵磁調(diào)節(jié)的靈活

27、性，也許還會出現(xiàn)退磁效應。轉(zhuǎn)子</p><p>　　磁場是永磁體磁場，是固定的，所以勵磁磁場要從定子側(cè)來調(diào)節(jié)，其中的一種永磁材料欽鐵硼，由于材料中含有大量的鐵和欽，容易銹蝕[5]。</p><p>　　同時由于幾年內(nèi)稀土永磁材料和控制技術(shù)發(fā)展迅速，永磁同步電機以其獨有的高轉(zhuǎn)矩慣性比、高效率、節(jié)能等優(yōu)點，在中小容量的伺服電動機中有著舉足輕重的地位，被廣泛地應用于風機、紡織、辦公自動化等領域[

28、6]。隨著對永磁同步電動機性能要求的不斷提高，針對調(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了永磁同步電機的進一步的設計方案。面對現(xiàn)今的能源危機，在不斷開發(fā)新能源的同時，注重開發(fā)高效節(jié)能的電機已成為許多國家的共識。</p><p>　　稀土永磁高效節(jié)能的電動機，它的節(jié)電效果十分顯著。稀土永磁同步電動機減少了原來定子邊繞組的勵磁電流及其轉(zhuǎn)子邊的銅、鐵損耗，大幅度減少了無功電流，提高了功率因數(shù)與效率，降低了電機的溫升及

29、配電設備容量[3]。</p><p>　　1.2.3 永磁同步電動機的應用[7-9]</p><p>　　現(xiàn)今在永磁同步電動機的控制系統(tǒng)中，容易實現(xiàn)磁場定向控制，可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩控制特性。永磁同步電機的調(diào)速主要是通過改變電源頻率來實現(xiàn)。目前，矢量控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一定的階段，矢量控制理論是交流調(diào)速系統(tǒng)中的一個主要突破。在永磁同步電動機中得到好的控制性能，必需對其進行磁場解耦，這正好符合

30、矢量控制技術(shù)。通過采用矢量控制，可以分別對定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行控制，使得輸出性能得到較大的改善。PMSM的矢量控制與異步電動機、電勵磁同步電動機一樣，都是一種基于磁場定向的控制策略。</p><p>　　隨著控制技術(shù)的飛躍發(fā)展，很多專家開始用直接轉(zhuǎn)矩控制理論來替代矢量控制，控制永磁同步電動機。不過這種新理論完全應用到永磁同步電動機上，還是需要經(jīng)過一個過程。微電子技術(shù)的發(fā)展為交流調(diào)速系統(tǒng)用到的微處理器的

31、性能的提高提供可能，尤其是DSP的出現(xiàn)，大力地支持永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)采用先進的控制理論，這樣的發(fā)展已成為現(xiàn)今交流伺服系統(tǒng)的趨勢。</p><p>　　現(xiàn)在很多機電產(chǎn)品都用到了永磁同步電動機。目前國內(nèi)油田采油設備中的抽油機選擇專用永磁同步電動機的額定效率可達94%以上，高于普通異步電機約4%，節(jié)電效果明顯，其功率因數(shù)一般設計在0.98左右，而異步電機的平均自然功率因數(shù)只有0.5左右，節(jié)能效果顯著[8]。永磁同步

32、電動機在電動汽車和混合動力汽車中也得到相應地應用，很好地緩解能源危機，達到環(huán)保的效果。永磁同步電動機在新穎的船用電力推進器一吊艙式推進器中得到應用，船艙的有效容積得到增加，永磁同步電動機系統(tǒng)的優(yōu)良控制性能使船舶的前進、倒車、停車、回轉(zhuǎn)等控制性能明顯改善，將推進器置于艙外，明顯改善了船舶的振動噪聲。</p><p>　　1.3 永磁同步電動機的功率因數(shù)</p><p>　　在電力網(wǎng)的運行中，

33、功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們想要的是功率因數(shù)越大越好。功率因數(shù)和效率一樣，都是永磁同步電動機最具實用價值的特征指標[10]。這樣電路中的無功功率可以降低到最小，從而提高電能輸送的功率。</p><p>　　功率因數(shù)的值是電網(wǎng)電壓和電流相位差的余弦值。電網(wǎng)線電壓與相應的線電流之間具有一定的向量關(guān)系,當電網(wǎng)中的功率因數(shù)時，其負載等效為純阻性，即=；而當電網(wǎng)中的功率因數(shù)時，則電流矢量與電壓矢量

34、之間存在的夾角，存在滯后和超前現(xiàn)象。</p><p>　　功率因數(shù)低會增加供電線路的損失，消耗大量電能。所以需要提高功率因數(shù)，達到以下效果：節(jié)約電能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高用電設備的利用率，減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)的輸電效率。功率因數(shù)高是永磁同步電動機的一個最大的優(yōu)點，它能降低定子電流和繞組銅耗，直接提高永磁同步電動機的效率，得到廣泛的應用。通過調(diào)整永磁同步電動機的勵磁電流,可以使永磁同步電動機從電網(wǎng)中吸取超

35、前的電流，容性無功功率，用來補償由于感性負載造成的滯后電流，減少電網(wǎng)的損耗[11-13]。</p><p>　　本文詳細分析了永磁同步電動機，研究永磁同步電動機在矢量控制系統(tǒng)中的功率因數(shù)，進一步建立永磁同步電動機功率因數(shù)的模型，對其進行仿真分析。使電動機在特定的功率下能正常運行。再分析影響永磁同步電動機功率因數(shù)的因素，以此來著重分析永磁同步電動機在矢量控制方法下，在不同運行狀態(tài)下，永磁同步電動機的功率因數(shù)的變化。

36、</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　?。?）在dq坐標系中建立永磁同步電動機的數(shù)學模型，詳細分析永磁同步電動機的矢量控制理論。針對矢量控制提出至少一種實現(xiàn)方法。 （2）在電勵磁同步電動機的功率因數(shù)控制方法的基礎上，討論永磁同步電動機的功率因數(shù)問題。利用電機的矢量圖，分析影響永磁同步電動機功率因數(shù)的因素。通過仿真分析永磁同步電動機的功率因數(shù)與電源和永磁體之間的

37、關(guān)系。 （3）矢量控制系統(tǒng)中，永磁同步電動機功率因數(shù)的分析。建立永磁同步電動機的矢量控制仿真模型，采用電流滯環(huán)產(chǎn)生PWM信號來控制逆變器。分析電機在矢量控制策略下，不同運行狀態(tài)下，永磁同步電動機的功率因數(shù)。</p><p>　　2 永磁同步電動機的數(shù)學模型及矢量控制</p><p>　　2.1 永磁同步電動機的坐標變換</p><p>　　因為永磁同步電動機的定子

38、電流通入的是三相交流，所以為了控制dq軸的電流，引入電機矩陣分析的思想，利用坐標變換法對d、q軸和三相abc實際軸系間的變量進行變換，實現(xiàn)和的控制[12]。如圖2.1所示，在坐標系中定義軸與定子A相繞組重合，軸超前軸空間電角度，因為軸固定在A相繞組軸線上，所以坐標系是靜止坐標系。同時定義dq坐標系的d軸與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，q軸超前d軸空間電角度，d軸與A相定子繞組的夾角為，該坐標系在空間隨同轉(zhuǎn)子以電角速度一起旋轉(zhuǎn)，所以是旋轉(zhuǎn)坐標系。&l

39、t;/p><p><b>　　圖2-1坐標變換圖</b></p><p>　　由圖2-1可知，定子電流在三相靜止坐標系下，三相電流應是：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　?。?）在恒速情況下：</p><p><b>　?。?-2）&l

40、t;/b></p><p>　　上式中：為合成磁勢與軸的夾角，即A相繞組軸線與軸重合時，A相電流的相角。</p><p>　?。?）采用3/2變換，坐標系與的關(guān)系如下：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　?。?）采用2/3變換，坐標系與的變換關(guān)系式為：</p><

41、p><b>　?。?-4）</b></p><p>　?。?）采用/變換，則：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　其反變換為：</b></p><p><b>　　（2-6）</b></p>&

42、lt;p>　　上述變換同樣適用于電壓和磁鏈矢量。</p><p>　　2.2 永磁同步電動機的數(shù)學模型</p><p>　　永磁同步電動機在電磁式同步電動機的基礎上，以永磁體代替電勵磁，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，它的定子基本沒變，要求輸入的也是三相對稱的正弦電流。</p><p>　　在建立數(shù)學模型之前，先假設忽略磁路中的鐵心飽和；不計鐵心的渦流和磁滯損耗；轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞

43、組；氣隙磁場為正弦分布，即定子電樞繞組的空載電勢是正弦波；永磁材料的電導率為零[13]。永磁同步電動機在旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型：</p><p>　?。?）定子電壓方程：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　軸系的磁鏈方程：</b></p><p><b

44、>　?。?-8）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　—微分算子，；</b></p><p><b>　　—電樞繞組電阻；</b></p><p><b>　　、—線圈的自感；</b></

45、p><p>　　—永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)。</p><p><b>　　（2）轉(zhuǎn)矩方程： </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　將式2-8代入上式：</p><p><b>　?。?-10）</b></p>

46、;<p><b>　?。?）運動方程：</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　其中，—PMSM轉(zhuǎn)子的機械角速度，與的正方向相同；</p><p><b>　　—為轉(zhuǎn)子極對數(shù)；</b></p><p>　　—負載轉(zhuǎn)矩，正方向與

47、相反；</p><p><b>　　—旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)；</b></p><p>　　J為包括轉(zhuǎn)子在內(nèi)的系統(tǒng)慣量。</p><p>　?。?）永磁同步電動機的狀態(tài)方程：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　2.3 永磁同步電動機的矢量控制研究&l

48、t;/p><p>　　當今常用的永磁同步電動機的控制主要是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制[14]。一開始，矢量控制在異步電動機中得到應用，隨后應用在永磁同步電動機上。有了永磁同步電動機的dq坐標系下的數(shù)學模型，接下來是建立控制系統(tǒng)。目前這種控制方法己經(jīng)在工業(yè)應用上漸漸成熟，市面上有企業(yè)生產(chǎn)的采用不同控制方式和有多樣性能的PMSM矢量控制系統(tǒng)。</p><p>　　PMSM的矢量控制與異步電動機、電勵磁

49、同步電動機一樣，都是一種基于磁場定向的控制策略[7]。矢量控制的原理就是模仿直流電動機的磁場定向過程，是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場這一等效原則建立起來的，通過定、轉(zhuǎn)子的三相abc靜止坐標系轉(zhuǎn)變到兩相靜止坐標系，再變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq的坐標系，用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq替代三相靜止坐標系abc，通過一連串的變換和磁場定向，實現(xiàn)電機的磁場和轉(zhuǎn)矩的控制。這樣PMSM的模型可以隨永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在坐標系dq中表示。</p><p&

50、gt;　　在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標軸系上，將定子電流矢量分解為影響磁通的磁場電流分量和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，再分別對其進行控制[15]。永磁同步電動機的矢量控制常被稱為控制，這種控制方式使PMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩為零，電磁轉(zhuǎn)矩與交軸的定子電流成正比。永磁同步電動機的空間矢量圖如下圖所示：</p><p>　　圖2-2 PMSM的空間矢量圖</p><p>

51、　　當時，定子電流矢量與q軸重合，定子電流中只有交軸分量，并且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交；此時，，電動機轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。所以，采用控制方法時，當負載轉(zhuǎn)矩增大時，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應減少。</p><p>　　永磁同步電動機的矢量控制的實質(zhì)就是對定子電流空間矢量相位和幅值的控制。對于永磁同步電動機，由于它的轉(zhuǎn)子磁通位置與其機械位置相同，所以只要檢測出轉(zhuǎn)子的實際位置就可以知道電動機轉(zhuǎn)子的磁通位置

52、，這樣永磁同步電機的矢量控制得到很大的簡化[16-19]。</p><p>　　矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點是具有良好的轉(zhuǎn)矩響應，精確的速度控制，零速時可實現(xiàn)全負載，進而可獲得類似于直流電動機的工作特性[17]。然而現(xiàn)在對同步電動機的性能的要求越來越高，所以為了讓轉(zhuǎn)矩的性能提高和控制速度的效率提升，需要加進去位置傳感器，這樣就增加了整個控制系統(tǒng)的成本，并且也會使簡單的交流電機的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復雜化。由此提出了直接轉(zhuǎn)矩控制

53、的另一種高性能的控制策略。不過矢量控制的應用范圍更廣泛。</p><p>　　2.4 永磁同步電動機的仿真模型</p><p>　　2.4.1 MATLAB的仿真簡介</p><p>　　MATLAB是集仿真、模型功能等一體的軟件，不用編程，用相應的模塊建立模型，使結(jié)果更清晰。隨著MATLAB的逐漸更新、完善，它的應用也越來越廣泛，在產(chǎn)品設計不成熟時，可以用MATL

54、AB對其建立模型，仿真分析出它的功能，并逐步改善它，等到出來的效果達到一定的預期才算初步完成它的設計，隨后可以投入生產(chǎn)。我們在學習工作中有時都會使用MATLAB，利用它的功能解決我們實際遇到的問題。MATLAB中的SIMULINK工具在實現(xiàn)模型仿真中占了主要的一部分，其中的模型庫包含很多元件，有電源元件、電機元件、顯示器等，功能齊全且強大，可以實現(xiàn)很多仿真。</p><p>　　2.4.2 永磁同步電動機在MAT

55、LAB中建立的模型[18-20]</p><p>　　由式2-10轉(zhuǎn)矩方程知：電磁轉(zhuǎn)矩取決于定子的交軸電流分量和直軸電流分量。</p><p>　　本文研究的永磁同步電動機，它的轉(zhuǎn)子磁鏈是恒定不變的，所以采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式來控制永磁同步電動機。</p><p>　　根據(jù)永磁同步電動機的空間矢量圖2-2得到：</p><p><b>

56、;　　（2-13）</b></p><p>　　將2-13代入2-10，可得</p><p><b>　　（2-14）</b></p><p>　　上式中，是常數(shù)，PMSM的矢量控制就是對定子電流和空間角度。通過控制角，有多種控制形式。其中當時，此時，，電磁轉(zhuǎn)矩只跟有關(guān)，達到矢量控制的最終目標。其中括號里的第一項是由定子電流與永磁體

57、的勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)矩角；第二項是由轉(zhuǎn)子凸極效應產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。對于隱極式同步電機，，電機只有電磁轉(zhuǎn)矩而無磁阻轉(zhuǎn)矩存在。</p><p>　　當時，由2-10，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩可以表示為：</p><p><b>　　（2-15）</b></p><p>　　這種控制方法很簡單，因為磁鏈和電流相互正交，沒有耦合關(guān)系，而且電

58、動機的損耗最小。在檢測出轉(zhuǎn)子空間的實際位置（d軸），再利用逆變器使定子的合成電流位于q軸上，則電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，控制好定子電流幅值就能很好的控制電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　總的來看，按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向，并用的方法進行控制的永磁同步電動機的調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡單，響應快速，有較寬的調(diào)速范圍。這種矢量控制系統(tǒng)有如上述所說的優(yōu)點，但它也存在著缺點?？刂茣S著輸出力矩的增大，端電壓較大，功率因數(shù)降低，從而

59、對逆變器容量的要求增高。</p><p>　　除了的控制方法外，還有一種控制方法，即最大轉(zhuǎn)矩/電流控制。此種控制方法常用在凸極式永磁同步電動機中，因為它的電機參數(shù)，采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制能夠有效地利用電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩部分，因此產(chǎn)生單位力矩所需的定子電流最小。整個系統(tǒng)的功率因數(shù)隨著負載轉(zhuǎn)矩的增大而減小的速度要遠遠小于控制時的速度。但是該控制方法的缺點在于計算系統(tǒng)控制時涉及電機參數(shù)，影響系統(tǒng)的控制性能。同時該控制

60、算法的開銷很大。</p><p>　　下圖2-3是永磁同步電動機的狀態(tài)方程模型：</p><p>　　圖2-3狀態(tài)方程模型</p><p>　　由圖可以看出，輸入相關(guān)量之后進行MATLAB功能模塊轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過比較后，經(jīng)由積分環(huán)節(jié)，輸出直軸電流和交軸電流分量。</p><p>　　下圖是永磁同步電動機的整體仿真模型圖：</p>&

61、lt;p>　　圖2-4 PMSM仿真模型</p><p>　　圖2-3是永磁同步電動機的仿真模型，包括電流狀態(tài)方程模塊，轉(zhuǎn)矩方程模塊，運動方程模塊和坐標轉(zhuǎn)換模塊。在坐標轉(zhuǎn)換模塊中，實現(xiàn)abc到dq的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)永磁同步電動機建立模型的第一步。隨后再到電流狀態(tài)方程，輸入、、the（轉(zhuǎn)子的電角度），其中、是經(jīng)過abc/dq轉(zhuǎn)換中得到的在dq坐標下的量，經(jīng)由MATLAB中的方程式，輸出和，在電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊中輸入和

62、兩個量，輸出電磁轉(zhuǎn)矩T，最后根據(jù)運動方程，經(jīng)過積分器得到電動機的轉(zhuǎn)速，以上整個過程就是永磁電動機的整體模型。再對其進行仿真分析，得出相應的結(jié)果。</p><p>　　在建立了PMSM仿真模型后，對于它的控制提出了矢量控制系統(tǒng)，即的矢量控制方法。</p><p>　　圖2-4 PMSM矢量控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　對于永磁同步電動機的控制來說，圖2-4是其中

63、的一種矢量控制方案。如上圖所示：輸入轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的反饋轉(zhuǎn)速進行比較后，由速度控制器ASR對其進行PI調(diào)節(jié)，輸出交軸電流。同時令直軸電流的值為0，有了直軸電流和交軸電流后，再根據(jù)光電編碼器反饋輸出的轉(zhuǎn)子實際位置角，對兩個電流分量進行dq到abc的坐標變換，輸出永磁同步電動機的三相電流值，和逆變器反饋輸出的電動機三相電流值經(jīng)過電流控制環(huán)節(jié)，采用電流滯環(huán)方法，產(chǎn)生PWM波，以此來準確控制逆變器的狀態(tài)，最后控制電動機的運行。</p>

64、<p>　　通過對轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，一系列地轉(zhuǎn)換及控制，實現(xiàn)對PMSM的穩(wěn)定控制。</p><p>　　3 永磁同步電動機的功率因數(shù)</p><p>　　本章開始先論述了功率因數(shù)的相關(guān)概念，分析了電網(wǎng)功率因數(shù)的計算方法和永磁同步電動機的功率因數(shù)問題。在討論電勵磁同步電動機功率因數(shù)控制方法的基礎上，分析影響永磁同步電動機功率因數(shù)的因素。最后再分別針對電源和勵磁對永磁同步電動機功率

65、因數(shù)的影響，對永磁同步電動機進行了仿真分析，并仿真得出關(guān)系圖。</p><p>　　3.1 電網(wǎng)的功率因數(shù)</p><p>　　電力網(wǎng)中有電動機、變壓器等等，它們都是電感性負載，其電壓和電流相量之間存在著相位差，用余弦來表示。而被稱作功率因數(shù)。在電網(wǎng)中，功率因數(shù)是一項重要指標，評定效率的標準。功率因數(shù)能說明各個用戶使用用電設備是否合理，表明電能的最大利用程度[3]。隨著能源危機的出現(xiàn)，各個

66、國家節(jié)能意識不斷提高，用電最多的當屬工業(yè)化用電，要想達到節(jié)能的效果，就必須控制其機器消耗的電能，所以功率因數(shù)越來越受到關(guān)注。</p><p>　　功率因數(shù)反映的是有功功率在總功率中所占的比例大小，計算功率因數(shù)的公式如下：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　在網(wǎng)側(cè)電壓是正弦的時候，根據(jù)定義網(wǎng)側(cè)電流有諧波，則網(wǎng)側(cè)功

67、率因數(shù)可以表示為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，是基波有功功率，實際上電網(wǎng)無諧波，所以3-2式可以表示為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　三相對稱交流電路的功率因數(shù)為：</p><p><

68、;b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　上式中：</b></p><p><b>　　—基波功率因數(shù)；</b></p><p><b>　　—電流正弦因數(shù)。</b></p><p>　　上式說明在三相對稱交流電路中，功率因數(shù)由電流正弦因數(shù)和基

69、波功率因數(shù)共同決定。功率因數(shù)較低時，表示用電設備的有功功率小，設備利用率低，線路上和變壓器繞組上損耗較大。而值低的時候，則它的輸入電流諧波分量大，將會對電網(wǎng)造成嚴重的污染。</p><p>　　3.2 同步電動機的功率因數(shù)分析</p><p>　　3.2.1 同步電動機的功率特性</p><p>　　同步電動機的工作原理是吸收電網(wǎng)有功功率，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率輸出，

70、拖動負載運行[10]。同步電動機的轉(zhuǎn)子在空轉(zhuǎn)時有空載損耗，其中有鐵耗、機械損耗。設定忽略損耗，那么電動機的電磁功率就等于輸入功率。</p><p>　　同步電動機的一個重要特點是功率因數(shù)的可調(diào)節(jié)性。調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變同步電動機的無功功率，同時調(diào)節(jié)同步電動機的工作情況。調(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)使其為1，這時電網(wǎng)傳遞相同的有功功率，電流達到最小值，線路損耗最小，節(jié)約能源。同時也延長線路的壽命。</p>

71、<p>　　工業(yè)生產(chǎn)中常使用的變壓器、電動機等都需從電網(wǎng)中吸收無功負荷，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，所以可以調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，讓同步電動機工作在過勵狀態(tài)下，吸收容性無功電流，對電網(wǎng)進行容性補償，以此來改善電網(wǎng)中的功率因數(shù)[12-14]。</p><p>　　3.2.2 同步電動機的功率因數(shù)調(diào)整</p><p>　　有功功率不變和電網(wǎng)頻率也不變的時候，再忽略電動機電樞繞組上的損

72、耗，則電動機的方程可以表示為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　下圖3-1建立在電源電壓U=常數(shù)，頻率f=常數(shù)，有功負載也為常數(shù)，無損耗的基礎上，只要通過調(diào)節(jié)它的勵磁電流，進而對其功率因數(shù)調(diào)整、分析。圖中給出了3種不同的勵磁電流及其相對的電勢向量圖。從圖中可以看出，在勵磁電流為時，定子電流與電壓方向相同，是正常勵磁狀態(tài)，此時電動機只

73、吸收無功功率，而功率因數(shù)=1；當<時，是欠勵磁狀態(tài)，電動機反電勢小于電源電壓，定子電流落后電壓角。則同步電動機還要吸收滯后的無功功率；當>時，為過勵磁狀態(tài)，定子電流超前電壓，電動機要從電網(wǎng)中吸收超前的無功功率。</p><p>　　圖3-1 不同勵磁電流下同步電動機的電勢向量圖</p><p>　　由于電網(wǎng)有很多都是感性負載，所以加上容性負載時能達到補償作用。</p>

74、;<p>　　電勵磁同步電動機采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制時，當負載不斷的增加，定子電流也隨之增大，相應的合成磁動勢的幅值也增加，負載角也跟著增加，使得電動機的定子電壓升高[12]。而其功率因數(shù)降低，外加電壓增大的需求，造成變流裝置容量增加，使有效利用率降低，造成設備的浪費。由此同步電動機轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制受到限制，只適用于小容量的應用領域。</p><p>　　而如果采用定子磁鏈定向和氣隙磁鏈定向控制的同步

75、電動機功率因數(shù)高，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)的運行，即使負載增加，定子電壓幅值也保持不變，有利于提高大容量同步電動機的利用率，減小變流裝置及變壓器的容量[4]。</p><p>　　在電勵磁同步電動機功率因數(shù)研究的基礎上，本文接下來將對永磁同步電動機的功率因數(shù)問題進行探討。</p><p>　　3.3 永磁同步電動機的功率因數(shù)</p><p>　　永磁同步電動機的性能指標

76、有電動機的效率、功率因數(shù)、最小轉(zhuǎn)矩等。本文主要研究它的功率因數(shù)，提高電動機的性能。功率因數(shù)高是永磁同步電動機的重要特點。所以提高功率因數(shù)顯得至關(guān)重要。</p><p>　　3.3.1 影響永磁同步電動機功率因數(shù)的因素</p><p>　　因為永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子中有磁鋼，可以不用從電網(wǎng)中吸收無功功率，所以功率因數(shù)高。而異步電動機負載減少時，功率因數(shù)也隨之降低?？蛰d反電動勢對功率因數(shù)的影響較

77、大。和上述的普通同步電動機一樣，勵磁電流和反電動勢的關(guān)系也有三種關(guān)系：正常勵磁狀態(tài)，欠勵磁狀態(tài)，過勵磁狀態(tài)。由此可知，若能設計好，達到降低定子電流，使功率因數(shù)達到最高水平狀態(tài)。</p><p>　　永磁同步電動機的種種特性和它本身的結(jié)構(gòu)是密不可分的，當然包括它的高功率因數(shù)。若要使電動機運行在容性狀態(tài)下，那么就需要增大永磁體的用量。永磁同步電動機的空載反電動勢較高，提高它的功率因數(shù)。總結(jié)上述所講，提高功率因數(shù)的方法

78、有[7-10]：</p><p>　　1.挑選性能好的永磁材料；</p><p>　　2.設計合理的空載反電動勢；</p><p>　　3.設計合理的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)；</p><p>　　4.選擇合適的定子繞組匝數(shù)。</p><p>　　對于永磁同步電動機的功率因數(shù)的控制，可以取不同的，>>，如下圖所示，改變

79、的值可以改變的功率因數(shù)。為了提高電動機的性能，可以在功率為1的情況下設計，達到節(jié)能的顯著效果。電動機低負載運行，可以相對地降低，如；而當電動機工作在滿負載狀態(tài)時，可取較高的，如；而一般情況下的永磁同步電動機，可按設計反電勢。</p><p>　　圖3-2 不同時永磁同步電動機的功率因數(shù)</p><p>　　由上圖可見，設計合理的反電動勢對于電動機提高功率因數(shù)有很重要的作用。</p&g

80、t;<p>　　欠勵磁時，功率因數(shù)且滯后，其工作在感性狀態(tài)；額定勵磁時功率因數(shù)，其工作在純阻性狀態(tài)；過勵磁時功率因數(shù)且超前，其工作再容性狀態(tài)[5]。對于感性負載多的電網(wǎng)中，控制調(diào)節(jié)永磁同步電動機的勵磁電磁, 工作在容性狀態(tài)下，補償感性負載電流，進而補償電網(wǎng)的功率因數(shù)。當電網(wǎng)電壓、頻率及電動機的負載一定時，同步電動機的勵磁電流可以改變它的無功電流，引起無功功率的變化。額定負載下，改變定子電壓時，仿真記錄相應的數(shù)據(jù)，下圖顯示了

81、電流幅值和功率因數(shù)角隨之改變的波形。</p><p>　　總的來說，空載反電動勢對永磁同步電動機的功率因數(shù)的控制有著重要的影響，我們要針對不同的情況，分別研究，確定合適的電動勢，這樣就能提高功率因數(shù)，保證電動機的性能。</p><p>　　圖3-3 電源仿真分析曲線</p><p>　　上圖是在電磁功率不變時，此時電壓不斷增加時，定子電流先減小，再增大，功率因數(shù)逐漸

82、降低，其工作狀態(tài)從容性轉(zhuǎn)變?yōu)楦行誀顟B(tài)。因為對于永磁同步電動機，勵磁是固定的，無法調(diào)節(jié)。而調(diào)整定子電壓時，同時調(diào)整了勵磁電流。當電壓增大時，負載恒定，電樞繞組產(chǎn)生較大地感應電勢，此時，電流滯后于電壓，電流呈感性，功率因數(shù)減小。所以在永磁同步電動機中，可以用調(diào)節(jié)電壓來控制功率因數(shù)的范圍[20]。</p><p>　　永磁體的勵磁狀況對電動機也有一定的影響。由此，我們采用不同的勵磁強度對其進行研究了解。下圖是在額定負載

83、下進行的仿真分析，得到電流幅值與功率因數(shù)角的關(guān)系。</p><p>　　圖3-4 勵磁仿真分析曲線</p><p>　　從上圖我們可以看到，一開始電流幅值較大，電流處于感性狀態(tài)下，接著加大勵磁強度，定子電流幅值減小，功率因數(shù)增大；電流幅值處于最低值時，功率因數(shù)角度為0，即；隨后，電流幅值逐漸增大，功率因數(shù)角度減小，電流成為容性電流。隨著勵磁的增強，電流幅值從最大值到最低值，再逐漸增大，而功

84、率角度從正值到負值，電動機工作狀態(tài)從感性到容性。</p><p>　　4 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的功率因數(shù)仿真分析</p><p>　　永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)是建立在數(shù)學模型基礎上，對電動機的控制參數(shù)實時解耦，實現(xiàn)對其功率因數(shù)的控制，使它達到很好的調(diào)速性能。本文將建立永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真，在不同情況下分析它的功率因數(shù)特性，進一步確定提高功率因數(shù)在永磁同步電動機性能上的

85、重要性。</p><p>　　4.1 矢量控制系統(tǒng)仿真與功率因數(shù)分析</p><p>　　PWM控制技術(shù)就是對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制。以PWM控制方式實現(xiàn)一些控制算法，PWM信號的生成方法有多種，本文采用滯環(huán)電流跟蹤法產(chǎn)生PWM信號。在仿真模型中，采用電流滯環(huán)PWM的方法進行生成PWM波，進而控制逆變器的工作。</p><p>　　4.1.1 電流滯環(huán)控制方式的仿

86、真</p><p>　　電流滯環(huán)控制是最簡便的一種方式，將參考電流與實際電流相減得到的電流誤差，輸入到滯環(huán)比較器，引起開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，使電流誤差回到滯環(huán)內(nèi)。和其他電流控制方法比起來，此控制方法的動態(tài)響應速度快，電流控制精度高，硬件實現(xiàn)簡單[11-12]。其中主要的缺點是開關(guān)頻率不恒定，輸入的電流誤差可能會超出滯環(huán)控制范圍。</p><p>　　圖4-1是在MATLAB/SIMULINK中設

87、計的滯環(huán)控制器的模型。其中的PWM的調(diào)制采用電流滯環(huán)調(diào)節(jié)，仿真中我們設定Relay環(huán)節(jié)的滯環(huán)寬度為h。在仿真模型中，F(xiàn)cn功能函數(shù)是由滯環(huán)比較器輸出的三相開關(guān)量來實現(xiàn)逆變器的功能，最終輸出三相逆變電壓。</p><p>　　圖4-1 滯環(huán)控制逆變器仿真模型</p><p>　　上圖主要實現(xiàn)的原理是，當real-eding>h時，滯環(huán)比較器輸出為0；而當real-eding<-h

88、時，滯環(huán)比較器輸出為1。滯環(huán)比較器的輸出開關(guān)量作為逆變器的控制信號。通過控制滯環(huán)環(huán)節(jié)的環(huán)寬，可以穩(wěn)定逆變器的開關(guān)頻率，提高控制精度。實現(xiàn)對電動機定子電流的控制，達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目標。</p><p>　　4.1.2 電流滯環(huán)控制矢量控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)</p><p>　　在MATLAB/SIMULINK中建立電流滯環(huán)控制下的矢量控制的模型，如圖4-2所示。</p><

89、p>　　圖4-2 電流滯環(huán)方式控制下的矢量控制仿真模型</p><p>　　在上圖的模型中進行仿真分析時，輸入3000rpm的轉(zhuǎn)速，滯環(huán)環(huán)寬為0.1A和0.3A時，分別對其某一時刻進行仿真。得出以下結(jié)論：在滯環(huán)環(huán)寬小時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)矩脈動小，控制效果較好，逆變器的開關(guān)頻率高，失真度小。永磁同步電動機在額定負載時，矢量控制系統(tǒng)使得電動機快速響應，在給定的轉(zhuǎn)速下能夠穩(wěn)定運行。</p><

90、;p>　　永磁同步電動機額定負載運行時，轉(zhuǎn)速從1500rpm變?yōu)?000rpm時的仿真波形如下：</p><p>　　(a)電磁轉(zhuǎn)矩 (b)轉(zhuǎn)速</p><p>　　(c)A相電流 (d)A相電壓</p><p>　　(e)直軸電流

91、 (f)交軸電流</p><p>　　圖4-3 滯環(huán)控制方式下矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速仿真波形</p><p>　　從上述圖形可以看出，在0.1s的時候，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速由額定增大至3000rpm時，相電流頻率也增加到100Hz，電磁轉(zhuǎn)矩瞬間增大，直軸電流保持在-0.2~0.2之間，交軸電流也有著和電磁轉(zhuǎn)矩相同的變化。</p><p>

92、　　4.1.3 額定轉(zhuǎn)速下的控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析</p><p>　　在矢量控制仿真模型中，設定永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，仿真分析定子的相電壓和相電流，再確定永磁同步電動機的功率因數(shù)角度。下圖是增大永磁同步電動機的負載時的仿真波形：</p><p>　　(a) 電磁轉(zhuǎn)矩 (b) 轉(zhuǎn)速</p&g

93、t;<p>　　(c)A相電流 (d)A相電壓</p><p><b>　　(e)功率因數(shù)角度</b></p><p>　　圖4-4 1500 rpm時的功率因數(shù)仿真分析</p><p>　　由上述波形可知，永磁同步電動機工作在額定轉(zhuǎn)速下，在0.2s時，負載增大，電動機有微

94、小波動，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也有小幅增大，定子電流幅值增大，功率因數(shù)角度也變大，即永磁同步電動機的功率因數(shù)減小，在此情況下，通過定子電流的幅值的增大來提高永磁同步電動機的輸出功率。</p><p>　　4.1.4 給定轉(zhuǎn)速下控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析</p><p>　　設定永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速為3000rpm，0.1s時，電動機的負載從3Nm增至5Nm時的仿真波形如下圖：</p

95、><p>　　(a) 電磁轉(zhuǎn)矩 (b) 轉(zhuǎn)速</p><p>　　(c) A相電流 (d) A相電壓</p><p>　　(e) A相電流基波幅值 (f) A相電壓基波幅值

96、</p><p>　　(g) 功率因數(shù)角度</p><p>　　圖4-5 3000 rpm時功率因數(shù)仿真分析</p><p>　　矢量控制系統(tǒng)中給定永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速為3000rpm，此時永磁同步電動機的基波頻率是額定時的2倍，根據(jù)上述波形中的定子電流和電壓的波形，分析永磁電動機的功率因數(shù)。當負載變大時，定子電流幅值增大，而功率因數(shù)角度變大，即功率因數(shù)降低，為了保

97、證永磁同步電動機穩(wěn)定運行，增大定子電流來提高功率因數(shù)；相電壓的幅值也相應地增大，因為在永磁同步電動機轉(zhuǎn)速增大時，q軸上的空載電勢的增大，使得直軸和交軸電樞反應產(chǎn)生的電抗增大，為了穩(wěn)定運行，外加電壓也就相應地增大。</p><p>　　當永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速為750rpm時，在0.1s時，矢量控制系統(tǒng)的仿真波形如下圖：</p><p>　　(a) 電磁轉(zhuǎn)矩

98、 (b) 轉(zhuǎn)速</p><p>　　(c) 相電壓基波幅值 (d) 功率因數(shù)角度</p><p>　　圖4-6 750 rpm時的功率因數(shù)仿真分析</p><p>　　在0.1s時，負載增大時，電磁轉(zhuǎn)矩增大，而轉(zhuǎn)速基本保持不變，電壓幅值也相應地增大，功率因數(shù)角度變大，

99、則永磁同步電動機的功率因數(shù)降低，為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，定子電流相應的增大。</p><p>　　4.2 矢量控制系統(tǒng)功率因數(shù)仿真分析的結(jié)論</p><p>　　由上述仿真分析得到，矢量控制系統(tǒng)能夠保證永磁同步電動機的快速響應和穩(wěn)定性，它的控制系統(tǒng)簡單，穩(wěn)定性好，脈動小，調(diào)速范圍變廣，一般適用要求高性能的場合。</p><p>　　的矢量控制方法被廣泛應用于電動機的系

100、統(tǒng)控制上，本文論述的永磁同步電動機采用的也是這種矢量控制方法。是一種最簡單的電流控制方法，由于電樞反應沒有直軸去磁分量，所以不會產(chǎn)生去磁效應，不會出現(xiàn)永磁電機退磁而使電機性能變壞的現(xiàn)象[]。改變某一參數(shù)，如：負載，轉(zhuǎn)速等，會對控制系統(tǒng)有一定的影響。的矢量控制方法也有它的缺點[16-17]：</p><p>　　1、在負載增大時，定子電流增大，進而反電動勢也增大，從而定子電壓升高，這樣外加電壓也需加大；</p

101、><p>　　2、在負載增大時，定子電壓和電流矢量間的功率因數(shù)角度會增大，直接造成功率因數(shù)降低；</p><p>　　3、采用電流滯環(huán)控制方式產(chǎn)生PWM信號時，它使功率因數(shù)比其他的控制方法要來的低；</p><p>　　4、一般情況下，弱磁恒功率控制的長期運行范圍小。</p><p>　　矢量控制系統(tǒng)有如上述的缺點，由此它的應用范圍受限，主要在小

102、容量場合里。當永磁同步電動機在負載變動的情況下運行，一旦負載發(fā)生變化時，永磁同步電動機在相當一段時間內(nèi)處于過渡過程。永磁同步電動機并不是時刻都能夠穩(wěn)定地運行在同樣的轉(zhuǎn)速下，在這一過渡過程中，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應電流，產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)子損耗，使電機的動態(tài)平均效率比穩(wěn)態(tài)時低，降低了永磁同步電動機的效率[13]。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　永磁同

103、步電動機具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、易于散熱及維護等優(yōu)點，永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)可以。實現(xiàn)快速響應性、高動態(tài)性能，是交流伺服系統(tǒng)中的一個重要應用。本文詳細分析了矢量控制系統(tǒng)中永磁同步電動機的功率因數(shù)，并對其進行仿真分析，以提高功率因數(shù)為目的，并且提出了永磁同步電動機功率因數(shù)的控制方案。</p><p>　　本課題研究過程中，主要完成了以下任務：</p><p>　　1、

104、在abc三相坐標系到dq的兩相動態(tài)坐標系的變換后，了解永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)，以及它優(yōu)于其他異步電動機的優(yōu)點，應用的范圍之廣泛，明確研究對其提高性能的控制系統(tǒng)的重要性。</p><p>　　2、在dq坐標系上建立永磁同步電動機的數(shù)學模型，利用MATLAB中的SIMULINK里德相應模塊建立PMSM的仿真模型。在此基礎上研究了永磁同步電動機的矢量控制理論，提出了其中一種矢量控制方法。</p><p

105、>　　3、深入研究永磁同步電動機的矢量控制理論，采用速度和電流雙閉環(huán)的矢量控制策略。在電流環(huán)環(huán)節(jié)采用電流滯環(huán)PWM的方式生成PWM波，控制逆變器的工作狀態(tài)。</p><p>　　4、基于矢量控制系統(tǒng)，對永磁同步電動機的電壓和電流進行分析，得出定子繞組的基波電壓和電流，進而得到功率因數(shù)角度，研究在不同控制狀態(tài)下永磁同步電動機的功率因數(shù)。</p><p>　　本文通過仿真分析得到：在矢量

106、控制系統(tǒng)中，功率因數(shù)隨著負載的增大而減小，所以永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的應用范圍受到限制，使其只適合于小功率場合。對此，又提出了另一種控制方法，即轉(zhuǎn)矩電流最大比控制。需要實時檢測永磁同步電動機的功率因數(shù)，并對其進行閉環(huán)控制，可以使永磁同步電動機在給定功率因數(shù)下運行，擴大它的應用范圍，適應于不同的場合。</p><p>　　本文在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)了功率因數(shù)的分析和控制策略，若能對其實時控制將會有重要的意義。我們在S

107、IMULINK中建立了永磁同步電動機功率因數(shù)的控制系統(tǒng)模型，由轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)的雙閉環(huán)控制，控制它的定子電流，實現(xiàn)控制功率因數(shù)的目的。今后將研究其他的控制策略來控制電動機的功率因數(shù)。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄒慧.永磁同步電動機矢量控制仿真研究[J].四川電力技術(shù),2010,33(1).</p><p

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