第10章三相永磁同步电动机ppt课件.ppt

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1、第10章三相永磁同步电动机的建模与分析刘锦波山东大学控制科学与工程学院内容简介：涉及下列两类永磁同步电动机基本运行原理、电磁过程、数学模型及运行特性正弦波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机（永磁无刷直流电动机）永磁同步电动机的优缺点：功率密度高转子的转动惯量小运行效率高转轴上无滑环和电刷转子励磁无法灵活控制永磁体存在失磁现象转子磁势受环境温度影响滞后定子功率因数分类：表面永磁同步电动机内置式永磁同步电动机按永磁体结构分类按定子绕组感应电势波形分类正弦波永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)梯形波永磁同步电动机(B

2、rushlessDCMotor,BLDC)10.1正弦波永磁同步电动机图10.1正弦波永磁同步电动机的基本组成框图10.1.1正弦波PMSM的基本运行原理定子三相绕组采用正弦绕组;由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转;定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速;转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机10.1.2正弦波PMSM的结构特点与矩角特性表面永磁同步电动机内置式永磁同步电动机1.正弦波表面永磁PMSM图10.2表面永磁同步电动机的结构A、表

3、面永磁同步电动机的特点：永磁体粘接到转子铁心表面，转子转速低；有效气隙较大，则同步电抗小，电枢反应小；气隙均匀，呈现隐极式同步电机的特点，即：。B、电压平衡方程式与相量图（10-1）图10.3正弦波表面永磁同步电动机的时空相量图C、矩角特性：（10-2）式中，；为转子永磁磁场在定子绕组内所匝链的磁链，且。对永磁同步电动机，=常数。鉴于上述特点，表面永磁PMSM基本运行在恒励磁状态，相应的电动机运行在恒转矩区域，其弱磁调速范围很小。2.正弦波内置永磁PMSM图10.4内置永磁同步电动机的转子结构示意图2.正弦波内置永磁PMSM永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，适用于高

4、速运行场合；有效气隙较小，d轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，从而存在相当大的弱磁空间；直轴的有效气隙比交轴的大（一般直轴的有效气隙是交轴的几倍），因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，即：或。A、内置永磁同步电动机的特点：B、电压平衡方程式与相量图（10-3）图10.5正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图C、矩角特性（10-4）图10.6内置式永磁同步电机的矩角特性曲线矩角特性的特点：对应于凸极效应的同步转矩：；最大功率角较转子直流励磁凸极同步电动机大。10.1.3正弦波PMSM的起动异步起动转矩单轴转矩发电制动转矩(由转子永磁体与其在定子绕组中的感应电流

5、相互作用产生)图10.7永磁同步电动机起动过程中的电磁转矩与转速曲线起动过程中的各种电磁转矩:10.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步电动机根据相量图10.3,可得:（10-6）（10-5）电磁功率:输入功率:电磁转矩:对表面永磁同步电动机,=常数,当保持内功率因数角固定不变,通过控制定子绕组相电流的幅值便可以调整表面永磁PMSM的电磁转矩。当（亦即与同相）时,上式与直流电机的转矩特性完全相同(见图10.8).故自控式正弦波表面永磁PMSM有时也称为无刷直流电动机.结论:图10.8正弦波表面永磁同步电动机的相量图(当时）根据式（10-6）以及结构特点，

6、得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下：当时,单位电枢电流所产生的电磁转矩也最大。因此，（基速）以下，正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式，以获得恒转矩性质的调速特性。在额定转速（基速）以上，表面永磁同步电动机可以工作在弱磁调速范围内,但因电枢反应以及同步电抗较小,弱磁调速范围较窄.上述结论的解释:图10.9正弦波表面永磁同步电动机的相量图(弱磁控制时)图10.10基速以上弱磁控制时的转矩-转速曲线弱磁升速过程中的约束条件:(1)外加电压保持不变,(2)定子绕组电流维持额定值2、正弦波内置永磁PMSM根据相量图10.5,得内置永磁PMSM电磁转矩的另一种表达式，过

7、程如下：（10-7）输入功率：电磁功率：电磁转矩：（10-8）的控制方案；最大的控制方案；弱磁控制方案；根据式（10-8）和结构特点：，得内置永磁PMSM的几种常用的控制方案如下：（1）的控制方案：此时，电磁转矩为：在这种控制方式下，与表面永磁PMSM相同，正弦内置永磁PMSM也可通过控制电枢电流的幅值调整电磁转矩，获得类似于直流电动机的调速性能。因此，自控式正弦波内置永磁PMSM也是一种无刷直流电动机。结论：（2）最大的控制方案：推导过程如下：为了获得最大（）的控制准则，首先将电磁转矩与电枢电流归一化。选电磁转矩的基值为：（10-9）其中，电流的基值定义为：（