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 -矢量控制系统模型 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 永磁同步电动机 (PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、节能成效显著等诸多特点，种种特性超越了 直流电动机和同步电动机，得到很多用户的青睐，被广泛应用在许多领域中。永磁同步电动机在中小功率伺服场合中发挥着重要作用。正因为 PMSM的应用前景广泛，对其进行的研究显得极为重要，提高功率因数能减少线路损耗及电网损耗，达到节能的效果。本文详细分析 永磁同步电动机的功率因数，在建立矢量模型的基础上提出
2、功率因数的控制策略，这对改善功率因数方面有一定的意义。 本文先建立永磁同步电动机 dq 坐标系中的数学模型， 在 SIMULINK 中建立了矢量仿真模型， 详细分析永磁同步电动机的矢量控制理论。 其次， 在实现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，用矢量图分析影响永磁同步电动机功率因数的因素。最后 采用滞环 方式产生 PWM 信号控制逆变器， 分析电机在矢量控制策略下，不同运行状态的永磁同步电动机的功率因数。 关键词 ： 永磁同步电动机，矢量控制，功率因数，数学模型 II The Simulation Analysis of the Power Fac
3、tor of Permanent Magnet Synchronous Motor- Vector Control system model ABSTRACT 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 motor and synchronous motor, favored by
4、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 loss, achieve the effect of energy saving. This paper makes a detailed analysis of permanent magnet synchronous moto
5、r power factor, based on the establishment of a vector model, the power factor control strategy proposed, which has certain significance for improving power factor. This paper firstly establish the mathematical model of permanent magnet synchronous motor in dq coordinate system, this vector simulati
6、on model is established in simulink, a detailed analysis of vector control theory of permanent magnet synchronous motor. Secondly, in the realization electric excitation synchronous motor power factor control method, and on the basis to discuss the power factor of permanent magnet synchronous motor,
7、 using vector diagram analysis to analyse permanent magnet synchronous motor power factor influence factors. Finally PWM signal control inverter is produced by hysteresis way and the motor in the vector control strategy to analyse different operating conditions of the permanent magnet synchronous mo
8、tor power factor. Keywords:PMSM, vector control, power factor, mathematical model III 目 录 摘 要 . Abstract . 1 绪论 . 1 1.1引言 . 1 1.2 永磁同步电动机概论 . 2 1.2.1 永磁同步电动机的结构 . 2 1.2.2 永磁同步电动机的特点 . 2 1.2.3 永磁同步电动机的应用 . 3 1.3 永磁同步电动机的功率因数 . 4 1.4 本文主要研究内容 . 4 2 永磁同步电动机的数学模型及矢量控制 . 6 2.1 永磁同步电动机的坐标变换 . 6 2.2 永磁同步电动
9、机的数学模型 . 7 2.3 永磁同步电动机的矢量控制研究 . 9 2.4 永磁同步电动机的仿真模型 . 10 2.4.1 MATLAB的仿真简介 . 10 2.4.2 永磁同步电动机在 MATLAB中建立的模型 . 10 3 永磁同步电动机的功率因数 . 14 3.1 电网的功率因数 . 14 3.2同步电动机的功率因数分析 . 15 3.2.1 同步电动机的功率特性 . 15 3.2.2 同步电动机的功率因数调整 . 15 3.3 永磁同步电动机的功率因数 . 17 3.3.1 影响永磁同步电动机功率因数的因素 . 17 4 永磁同步 电动机矢量控制系统的功率因数仿真分析 . 21 4.1
10、 矢量控制系统仿真与功率因数分析 . 21 IV 4.1.1 电流滞环控制方式的仿真 . 21 4.1.2 电流滞环控制矢量控制系统仿真实现 . 22 4.1.3 额定转速下的控制系统仿真实现与功率因数分析 . 23 4.1.4 给定转速下控制系统仿真实现与功率因数分析 . 24 4.2 矢量控制系统功率因数仿真分析的结论 . 26 5 总结 . 27 参 考 文 献 . 29 致 谢 . 31 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -矢量控制系统模型 1 1 绪论 1.1 引言 很长一段时间里，在有调速、控制要求的场合 ,控制性能比较好的直流电动机成了最优的选择。但是直流电动机的结构极其复杂 ,
11、 电刷和换向器的限制使其局限于低转速和低容量。交流电网上 ,交流异步电动也被人们使用着，由于它的运转依赖于电网的无功功率，所以功率因数较低 ,造成了电网和线路中的损耗剧增，违背了节能原则。起初，同步电动机在固定频率下恒速运转，其中的磁场采用直流励磁，则电动机可工作在任一功率因数下，只用在拖动负载、改善功率因数的场合 1-3。 随着科学技术的 不断地进步，电力电子技术的发展，大大地提高了半导体开关器件性能 ,大容量、低成本，很好地控制电路，推动了电机的控制技术发展；永磁材料的出现，实现了转子的无刷结构 , 减小了转子的体积，省掉了激磁直流电源 , 消除激磁损耗和发热，延长了寿命；最近集成化的数字
12、信号处理器的发展也推动了电机控制。 有了这样的发展，永磁同步电动机（ PMSM）渐渐受到了人们的重视。随着永磁同步电动机应用的领域范围越来越广泛，为了让其拥有更好的性能，很多专家针对此提出了一系列的改进措施及提出更好的控制方法，使永磁同步电动机更好地应用于各个领域 。 电 力 网中的电力负荷 有 电动机、变压器 等 等， 它们是 电感性负载。电感性负载的电压和电流相量 之间 存在 着 相位差，用余弦 cos 来表示。 而 cos 就被 称 作 功率因数。 功率因数和效率一样，都是永磁同步电动机里有实用价值的特征指标 2。 功率因数 显示各个 用户 的 用电设备 的 使用 情 况 是否 合理 ，
13、它说明 利用电能 的最大 程度 ，是 用电管理水平的一项 标准规则 。 如果 功率因数 比较 低，就 得 用 很 大的电流来 维持 电器 的 正常 运 作，与此同时输电线路上 的 输电电流增大， 这会 导致线路上 的电能 损 失 增大 ，所以 提高该 功率因数 对于永磁同步电机和整个系统 都扮演 着 非常重要 的 角色 。 为了减小电子控制器的容量，在设计永磁同步电动机时要求提高功率因数。 永磁同步电动机调速系统中，最主要的问题就是怎样实现电动机瞬时转矩的高性能控制。而如何根据给定的转矩来计算出交轴电流和直轴电流，这就是矢量控制的问题 3。永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -矢量控制系统模型
14、2 矢量控制就是对电动机中定子电流的矢量相位和幅值进行控制。 1.2 永磁同步电动机概论 1.2.1 永磁同步电动机的结构 永磁同步电动机的定子与传统的感应电动机的定子结构基本相同，而转子磁路结构大不相同，定子 结构中有空间对称分布的 abc 三相绕组，以 a 相绕组的轴线作为空间的参考轴线 as。因为在 abc 坐标系中，永磁同步电动机的模型是稳定的，分析正弦波电流控制的永磁同步电动机的方法有 dq 数学模型，可以用它来分析电动机的瞬态性能。永磁电机可分为永磁同步发电机和永磁电动机，永磁同步发电机出现在航空等其它要求较高的场合，后者则适合中、小功率交流伺服驱动系统。 永磁同步电动机的转子磁钢
15、的形状 各一 ，使得转子磁场在空间的分布 也 分为 正弦波和梯型波两种，则其 在定子上产生的反电动势 有 正弦波 和 梯形波。 这样就有两种 交流调速系统， 即 正弦型永 磁同步电动机调速系统 和 无刷直流电动机调速系统。 1.2.2 永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机因为其转子采用永磁体，产生气隙磁场时不需要外界的能量，没有电枢绕组，转子结构简单，控制系统简单化，使其可以满足快速和准确的控制要求。与其他的电动机相比较，永磁同步电动机具有以下等特点 4-6： （ 1）永磁同步电动机的磁能密度大，尺寸小，重量较轻。 （ 2）因为定子旋转磁场和转子同步，转子铁心损耗小，则效率好、功率因数高。 （
16、 3）永磁同步电动机的机械特性较硬，较大地承受因负载引起的转矩扰动，即使在低 转速下，也具有 较高的效率和大的输出转矩。 永磁同步电动机的缺点是失去了励磁调节的灵活性，也许还会出现退磁效应。转子 磁场是永磁体磁场，是固定的，所以励磁磁场要从定子侧来调节，其中的一种永磁材料钦铁硼，由于材料中含有大量的铁和钦，容易锈蚀 5。 同时由于几年内稀土永磁材料和控制技术发展迅速，永磁同步电机以其独有的高转矩惯性比、高效率、节能等优点，在中小容量的伺服电动机中有着举足轻重的地位，被广泛地应用于风机、纺织、办公自动化等领域 6。 随着对永磁同步电 动 机性能要求的不永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -矢量控制
17、系统模型 3 断提高，针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出 了永磁同步电机的 进一步的设计方 案 。 面对现今的能源危机，在不断开发新能源的同时，注重开发高效节能的电机已成为许多国家的共识。 稀土永磁高效节能的电动机，它的节电效果十分显著。稀土永磁同步电动机减少了原来定子边绕组的励磁电流及其转子边的铜、铁损耗，大幅度减少了无功电流，提高了功率因数与效率，降低了电机的温升及配电设备容量 3。 1.2.3 永磁同步电动机的应用 7-9 现今在永磁同步电动机的控制系统中，容易实现磁场定向控制， 可以获得 较好的 转矩控制特性 。 永磁同步电机的调速主要 是 通过改变电源频率来实现。 目前，
18、矢量控制技术已经发展到了一定的阶段，矢量控制理论是交流调速系统中的一个主要突破。 在永磁同步电动机中得到好的控制性能，必需对其进行磁场解耦，这正好符合矢量控制技术 。通过采用矢量控制，可以分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，使得输出性能得到较大的改善。 PMSM 的矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样，都是一种基于磁场定向的控制策略。 随着控制技术的飞跃发展，很多专家开始用直接转矩控制理论来替代矢量控制，控制永磁同步电动机。不过这种新理论完全应用到永磁同步电动机上，还是需要经过一个过程。微电子技术的发 展为交流调速系统用到的微处理器的性能的提高提供可能，尤其是 DSP 的出现，大
19、力地支持永磁同步电动机调速系统采用先进的控制理论，这样的发展已成为现今交流伺服系统的趋势。 现在很多机电产品都用到了永磁同步电动机。目前国内油田采油设备中的抽油机选择专用永磁同步电动机的额定效率可达 94%以上，高于普通异步电机约 4%，节电效果明显，其功率因数一般设计在 0.98 左右，而异步电机的平均自然功率因数只有 0.5 左右，节能效果显著 8。永磁同步电动机在电动汽车和混合动力汽车中也得到相应地应用，很好地缓解能源危机，达到环保的效果 。永磁同步电动机在新颖的船用电力推进器一吊舱式推进器中得到应用，船舱的有效容积得到增加，永磁同步电动机系统的优良控制性能使船舶的前进、倒车、停车、回转
20、等控制性能明显改善，将推进器置于舱外，明显改善了船舶的振动噪声。 永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -矢量控制系统模型 4 1.3 永磁同步电动机的功率因数 在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们想要 的是功率因数越大越好。 功率因数和效率一样，都是永磁同步电动机最具实用价值的特征指标 10。 这样电路中的无功功率可以降 低 到最小，从而提高电能输送的功率。 功率因数 cos 的 值是电网电压和电流相位差的余弦值。电网线电压与相应的线电流之间具有一定的向量关系 ,当电网中的功率因数 1cos 时，其负载等效为纯阻性，即 = 0 ；而当电网中的功率因数 1cos
21、 时，则电流矢量与电压矢量之间存在 的夹角，存在滞后和超前现象。 功率因数低会增加供电线路的损失，消耗大量电能。 所以需要提高功率因数，达到以下效果：节约电能，降低企业生产成本，提高用电设备的利用率，减少线路的功率损失，提高电网的输电效率。功率因数高是永磁同步电动机的一个最大的优点，它能降低定子电流和绕组铜耗，直接提高永磁同步电动机的效率，得到广泛的应用。通过调整永磁同步电动机的励磁电流 ,可以使永磁同步电动机从电网中吸取超前的电流，容性无功功率，用来补偿由于感性负载造成的滞后电流，减少电网的损耗 11-13。 本文详细分析了永磁同步电动机，研究永磁同步电动机在矢量控制系统中的功率因数，进一步
22、建立永磁同步电动机功率因数 的模型，对其进行仿真分析。使电动机在特定的功率下能正常运行。再分析影响永磁同步电动机功率因数的因素，以此来着重分析永磁同步电动机在矢量控制方法下，在不同运行状态下，永磁同步电动机的功率因数的变化。 1.4 本文主要研究内容 （ 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矢量控制理论。针对矢量控制提出至少一种实现方法。 （ 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的关系。 （ 3）矢量控制系统中，永磁同步电动机功率因数的分析。建立永磁同步电动机的矢量永磁同步电动机功率因数的仿真分析 -矢量控制系统模型 5 控制仿真模型，采用电流滞环产生 PWM 信号来控制逆变器。分析电机在矢量控制策略下，不同运行状态下，永磁同步电动机的功率因数。
