永磁同步电动机功率因数的仿真分析--转矩电流最大比控制模型【毕业设计+开题报告+文献综述】.doc

1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 永磁步电动机以其体积小 、 效率高 、 功率密度大等优点而成为最具竞争力电机 ， 目前已得到了广泛的应 用 。 为了实现优良的 PMSM控制系统，不少学者将先进的控制理论应用于交流伺服系统 ， 并取得了很好的控制效果 。 功率因数和效率一样 ， 都是永磁同电动机最具实用价值的特征指标。无论是异步起动的永磁电动机，还是调速永磁电 动 机，设计时都力求提高其功率因数。 高功率因数是永磁同步电动

2、机的一个突出优点，它有利于降低定子电流和绕组铜耗，提高效率，能使永磁同步电动机拥有比异步电动机高很多的力能指标。本文将对永磁同步电动机的功率因数进行的详细分析，并且提出了功率因数控制策略。 首先， 在 dq坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型，在 MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真分析永磁同步电动机的电源和励磁状况对其功率因数影响。 其次，在 MATLAB/SIMULINK 中建立了转矩电流最大比控制的仿真模型，通过控制定子电流矢量的角度（ ）来控制转矩，并且分析了不同情况下永磁同步电动机的功率因数。 最后，建立永磁同步电动机功率因数的仿真模型，在转速控制的基础上，通过控制定子

3、电流来实现功率因数的控制。 关键词 ： 永磁同步电动机，功率因数，转矩电流最大比，控制理论 II Permanent magnet synchronous motor power factor of the simulation-the maximum ratio of torque current control model Abstract Permanent magnet synchronous motor with its small size， high efficiency，power density， etc. and become the most competitive mo

4、tor， has been widely used。 In order to achieve good control system of PMSM， many scholars of advanced control theory is applied to servo system， and achieved a good result。 Power factor and efficiency， are both permanent magnet motor with the characteristics of the most practical indicators。 Both as

5、ynchronous permanent magnet starter motor, or speed permanent magnet motor, the design will strive to improve the power factor。 High power factor is a prominent permanent magnet synchronous motor advantages, it helps reduce the stator current and the winding copper loss, improve efficiency, make the

6、 permanent magnet synchronous motor asynchronous motor has a much higher than the power index。 This paper will make a detail analysis of the power factor of the permanent magnet synchronous motor and power factor control strategy is proposed。 First, in the dq coordinate system to establish the mathe

7、matical model of permanent magnet synchronous motor, in the MATLAB / SIMULINK to create simulation model of permanent magnet synchronous motor for its power and power factor of excitation conditions。 Secondly, in the MATLAB / SIMULINK to establish a maximum ratio of torque current control simulation

8、 model, by controlling the stator current vector angle () to control the torque, and analyzed under different conditions of permanent magnet synchronous motor power factor。 Finally, a permanent magnet synchronous motor power factor of the simulation model, based on the speed control by controlling t

9、he stator currents to achieve power factor control。 Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor, Power Factor, Maximum Torque Current Ratio, Control Theory III 目录 摘 要 .I Abstract II 1 绪论 1 1.1引言 .1 1.2永磁同步电动机的发展历程 . 错误 !未定义书签。 1.2.1 永磁同步电动机 . 1 1.2.2 永磁同步电动机的发展概况与趋势 . 错误 !未定义书签。 1.3电动机的分析方法 . . 2 1

10、.3.1 电机的分析步骤 .2 1.3.2 运动方程的导出 .3 1.4永磁同步电动机功率因数的研究 . 3 1.5课题研究的主要内容 . 4 2 永磁同步电动机的功率因数 .5 2.1永磁同步电动机功率因数的基本概念 . 5 2.2同步电动机的功率特性 . 5 2.3影响功率因数的因素 .6 2.3.1 影响永磁同步电机功率因数的原因 .6 2.3.2 提高永磁电机功率因数的方法 .6 2.4永磁同步电动机的功率 因数分析 . .6 2.4.1 电源与功率因数的仿真分析 .6 2.4.2 频率与功率因数的仿真分析 .7 3 永磁同步电动机的数学模型及控制理论 .9 3.1永磁同步电动机的数学

11、模型 . 9 3.2永磁同步电动机的控制策略 . 11 3.3永磁同步电动机控制策略的发展趋势 . 12 4 转矩电流最大比控制系统的功率因数仿真分析 . 14 4.1转矩电流最大比控制理论 . 1 错误 !未定义书签。 4.2转矩电流最大比控制原理 . 14 4.3转矩电流最大比仿真与功率因数分析 . 15 4.3.1.电流滞环控制方法的仿真与功率因数分析 .15 4.3.2额定工作状态下的仿真实现与功率因数分析 .16 4.3.3 变负载时的仿真实现与功率因数分析 18 4.3.4 3000转时的仿真实现与功率因数分析 .19 4.3.5 低转速下的仿真实现与功率因数分析 21 IV 5

12、功率因数的仿真分析 .24 5.1功率因数的控制原理 .24 5.2功率因数的仿真分析 24 5.2.1 给定功率因数角为 0的仿真分析 24 5.2.2 其他功率因数下的仿真分析 .26 结论 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 1 1 绪论 1.1 引言 电机是一种能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量转换的功能来看，电机可以分为发电机和电动机两大类。其中电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电 机。

13、 20世纪 70 年代以后，由于大功率电力电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展，还研制出了调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统，以及有变频器供电的一体化电机。就信号转换功能的控制电机而言，大体上有测速电机 2、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种，这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件，例如机床加工的自动控制，舰船方向舵的自动控制，大炮和雷达的自动定位，飞机的飞行控制，计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常称为微型电机，对精度和快速响应的要求较 高 1。 1.2 永磁同步电动机的发展历程 1.2.1 永磁同步电动机 在交、直流电机

14、中，用永磁体来取代直流励磁以产生气隙磁场的电机，称为永磁电机。永磁电机具有体积小、效率高、运行可靠等优点，在许多情况下可以实现无刷化，因此在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得广泛的应用。 由于永磁体的益处很多 ， 在电机中用永磁材料代替传统的励磁绕组 ， 已成为 新型高效节能电机的一个重要发展方向。现代永磁电机采用稀土永磁材料励磁 ， 如钐钴 (Sm Co)台金、钕铁硼 (NdFeB)台金等，不仅使电机尺寸 大大减小，重量减轻 ， 而且使之维护方便、运行可靠、效率提高 。 永磁电机的种类 繁多 ，根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两大类 。 永磁电动机又可分为永磁直

15、流电动机和永磁交 流 电动机。而永磁交 流 电动机指的是带有永磁转子的多相同步电动机 ， 所以常被称为永磁同步电动机 (PMSM)。永磁直流电动机如果按有无电 刷 和换向器来分 ， 又可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机 (BLDCM)。 1.2.2 永磁同步电动机发展趋势 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 2 永磁同步电机 （ PMSM） 的研究现状 ： 虽然 BLDCM 的转矩 比 PMSM 具有控制简单 ， 成本低 ， 检测 简单等优点，但因 为 BLDCM 的转矩脉动比 PMSM 较大铁心损耗也较大 。 所以在低速直接驱动 场 合的应用中， PMSM

16、的性能比BLDCM 及其它交流何服电动机优越得多 。 不过在发展高性 能 PMSM 中也遇到几个 “ 瓶颈 ” 问题有待于作更深入的研究和探索 7。 (1)PMSM 程中会出现“退磁” 现象 ， 而且在低速时 ， 也存在齿槽转矩对其转矩波动 的 影响 。 (2) 测误差对控制器调节性能有影响，发展高精度的速度及位置检 测 器件和实现无传 感 器检测的方法均可克服这种影响 。 (3) 以 PMSM 作为执行元件构成的永磁交流伺服系统 ， 由于 PMSM 本身就是具有一定非线性、强耦合性和时变性的 “ 系统 ” ，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此

17、采用先进控制 策 略 ， 先进的控制系统实现方式 (如基于 DSP 控制 )，以从整体上提高系统的 “ 智能化、数字化 ” 水平，这应是当前发展高性能 PMSM 伺服系统的 个主要的 “ 突破口 ”。 永磁同步电机 （ PMSM） 的发展趋势 ： PMSM 伺服系统从其应用领域的特点和自身技术的发展来看，将会朝着以下两个方向发展 ： 一是适用于简易教控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的 工业运动控制等领域的简易、低成本 PMSM 伺 服 系统；另一方向则是向适用于高精度数控机床、机器 人 、特种加工设备精细进给驱动以及航空、航天用的高性能全数字化、 智 能 化、

18、 柔性化 的 PMSM 伺服系统发展 19。 而且后一个发展方向更能充分体现 PMSM 伺服系统优点 ， 今后必将成为重点发展方向。 1.3 电动机的分析方法 1.3.1 电机的分析步骤 电机的分析步骤，大体上可以归纳为以下四步： （ 1） 电机内部物理情况分析 首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能，再根据电机的磁路和电路，分析空载和负载是电机内部的磁场，初步弄清这 种电机的工作原理。 （ 2）导出电机的运动方程 运动方程是磁动势方程（磁链方程）、电压方程和转矩方程的总称。 （ 3）求解运动方程。 （ 4）结果分析 通过对解答的分析，确定所需的运行性能（特性）和主要运行数据，如过载能力、稳

19、定性、效率、电压变化率、速度变化率等。 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 3 1.3.2 运动方程的导出方法 运动方程的导出方法主要有三种： （ 1）主磁通 -磁通法：此法是把电机内的磁通按其作用和分布，分为主磁通和漏磁通，然后用电磁感应定律和基尔霍夫定律列出各个绕组的电压方程。 （ 2）动态电路法：此法是把电机作为一组动态电 路对待，把定子、转子之间的电磁关系用一组时变的自感和互感系数来表达，即 L=L(， ， 为转子的转角。 （ 3） 变分法 ：设电机系统的总能量为 T，总势能为 V，系统的拉格朗日状态函数 L=T-V， I 为 L 的积分 I=21ttLdt 变

20、分法是通过求 I 的极值所得到的方程。此法的优点是可以自动导出运动方程中的机电耦合项。 1.4 永磁同步电动机功率因数的研究 图 l 永磁同步电动机和异步电动机功率因数 图 1 是永磁同步电动机和异步电动机随负载变化时的功率因数曲线。可以看到，永磁同步 电动机的功率因数较异步电动机高 5。尤其在轻载和空载情况下，要比异步电机高许多。这是因为永磁电动机的转子中设置有磁钢，可以不从电网或减少从电网吸收无功电流来建立磁场，因而功率因数较高。异步电动机却必须靠电网提供的无功功率建立磁场，而且当异步电动机负载下降时，只减少 电流中的有功分量，无功分量却几乎不变，因此功率因数低并随着负载快速下降。可见 ，

21、 高功率因数是永磁同步电动机的一个突出的优点。它有利于降低定子电流和绕组铜耗 ， 提高效率，使永磁同步电动机拥有比异步电动机高得永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 4 多的力能指标。但也必须通过合理设计的永磁电动 机 ， 才能获得较高的功率因数。 1.5 课题研究的主要内容 1.在 dq坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型，详细分析永磁同步电动机的转矩电流最大比的控制理论。 2.在电励磁同步电动机的功率因数控制方法的基础上，讨论永磁同步电动机的功率因数问题。利用电机的矢量图，分析影响永磁同步电动机功率因数的因素。通 .过仿真分析永磁同步电动机的功率因数与电源和永磁体之间

22、的关系。 3.转矩电流最大比控制系统 3中永磁同步电动机功率因数的仿真分析。建立转矩电流最大比控制仿真模型 4，在不同转速和负载下进行仿真，分析系统的各参数 之间的对应关系，并着重分析了在不同情况下永磁同步电动机的功率因数。 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -转矩电流最大比控制模型 5 2 永磁同步电动机的功率因数 2.1 永磁同步电动机功率因数的基本概念 功率因数的大小与 电路 的负荷性质有关 ， 如白炽灯泡、 电阻 炉等电阻负荷的功率因数为 1，一般具有 电感 性负载的电路功率因数都小 于 1。功率因数是 电力系统 的一个重要的技术数据。功率因数是衡量 电气设备 效率高低的一个系数。功率

23、因数低，说明电路用于交变磁场转换的 无功功率 大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 2.2 同步电动机的功率特性 同步电动机运行时，从电源吸收的电功率 P1，除一小部分消耗在电枢绕组外 ，其余部分都通过气隙传递到转子。通过电磁作用传递到转子的功率，就是同步电动机的电磁功率 Pem，再经过电磁转换转变成输出功率 P2。同步电动机的功率方程为 P1=Pcu + Pem Pem=Pfe+P +P2 （ 2-1） 式中 Pcu定子铜耗 Pfe -铁耗 P 机械损耗 忽略电枢电阻时，同步电 动机的电磁功率为 Pem P1=3U1I1cos （ 2-2） 式中 电枢的功率因数角 由此可知功角特性为： Pem= sin0xdUmE + 2s in1122 xdxqmU（ 2-3）式（ 2-3）就是功角特性的表达式。式 中第一项 Pe1= sin0xdUmE 称为基本电磁功率；第二项 Pe2= 2s in1122 xdxqmU称为附加电磁功率。附加电磁功