采用经典直接转矩控制方法的异步起动永磁同步电动机在不同条件下的控制性能

永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）1采用经典直接转矩控制方法的异步起动永磁同步电动机在不同条件下的控制性能信息工程信工112（10112048）刘滨涛摘要：本文介绍传统的异步起动永磁同步电动机的直接转矩控制性能。异步起动永磁同步电动机是基于真实的感应电动机的有限元分析设计的。为了深层次分析，提供了在不同条件下一个三相四极的异步起动永磁同步电动机及与其相等的一个感应电机在传统直接转矩控制性能方面的比较。此外，为了评价这种方法的有效性，在相同的条件下，用matlab去模拟仿真线性启动和可调速驱动应用程序。更进一步说，无论是用标准电压还是电压骤降条件模拟了上述情况，都表明了一方面异步起动永磁同步电动机在电压骤降时启动和同步过程中经常遇到问题，另一方面，特别是在电压骤降的条件下，可以获得异步起动永磁同步电动机驱动比感应电机驱动有更好的瞬态和稳态响应。关键词：异步起动永磁同步电动机，感应电机，永磁电机，可调速驱动1.简介随着能源成本急剧增加,社会强调有必要提高电动机效率。此外，电子变速驱动器，相比于其他常规的技术，可以节约大量能源。一方面，感应电机已经广泛应用于工业应用。另一方面，它们的对于小的额定能力下滑转子铜耗低，并且它们的感应能力主要导致降低效率和功率因数。永磁电机性能的提高和永磁材料价格的降低使得它变的比以前更可靠。因此，使得异步起动永磁同步电动机成为高效率的同步电机，并且，它们已被设计去满足IE4/超前需求。三和单相异步起动永磁同步电动机已经被提议替代感应电机，并正为各种应用开发，最近，许多研究已经在评估线性永磁同步电机和平等的感应电机的不同方面去检查替换的可能性。同时，相比于感应电机，异步起动永磁同步电动机的制造成本和潜在的电能储蓄的对比已经在讨论了。另一方面，异步起动永磁同步电动机尚未商用由于其固有的在美联储的条件问题。为了克服这个问题，有几种设计提出了提高异步起动永磁同步电动机性能。然而，这样的机器在感应电机的干扰下可能仍无法更好的操作，尤其是电压骤降或大负载力矩。为此，本研究介绍了电压骤降条件下设计不同的负载力矩电机的仿真结果。然而，多亏异步起动永磁同步电动机和减少电力电子器件的成本结构坚固，异步起动永磁同步电动机在负担得起的变速驱动器的使用已经在相关文献提出了。一个感应电机和平等的电机驱动器以及电子变速驱动器的性能在开环的伏特每赫兹驱动器特性（V／F）控制进行了分析。同时，矢量控制被设计仅用永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）2于单相异步起动永磁同步电动机。不像矢量控制，直接转矩控制方案，该方案下的参数的变化是稳健的，不需要任何电流控制器或坐标变换。直接转矩控制提供了一个快速的转矩响应用简单的结构，并且因此，在过去的几十年它已经有很多进展，开发和改进。当前视图的主要贡献是设计和测试在不同的条件下，如正常和电压骤降那些著名的传统直接转矩控制技术异步起动永磁同步电动机。开关基于表的直接转矩控制方法的原理是两种电机在同步坐标系与定子通量向量一致讨论。此外，这个工作模拟和比较异步起动永磁同步电动机动态行为并在相同的条件下进行与及其同等的感应电机都在线起动与电压源逆变器由一个直接控制转矩方法控制，分比在正，零和负的负载转矩额定电压和电压骤降条件下。此外，仿真结果表明，特别对于异步起动永磁同步电动机，直接控制转矩对稳态和动态性能有独特的影响。并且它显示出，相对于感应电机驱动器，在电压骤降期间，异步起动永磁同步电动机的性能更加优越。最后，异步起动永磁同步电动机的直接控制转矩性能在正常条件下跟永磁同步电机相等。以便证实异步起动永磁同步电动机的优异响应。这篇文章是按如下方法组织的，第二部分对感应电机和异步起动永磁同步电动机的建模和基本原理进行了讨论；第三部分针对感应电机和异步起动永磁同步电动机设计了一个简单的直接转矩控制方法；在第四部分，我们用MATLAB/Simulink软件对一个实际的四奇点，三相位的鼠笼式的感应电机和同等设计的异步起动永磁同步电动机在同等的条件下进行了仿真，在这里，我们假设两个电机都接到同频的电源下，而且用直接转矩控制方法在常规电压和电压骤降情况下控制电压源逆变器，最后第五部分对直接转矩控制用于异步起动永磁同步电动机相对于用于感应电机的优势进行了全面的比较和讨论。2.说明与模型异步起动永磁同步电动机是添加永磁材料并且拥有相同定子的鼠笼感应电动机。换言之，设定感应电机和异步起动永磁同步电动机定子特性相同而且有相同的定子架和定子线圈，对相同的电动机做全面的比较来证明永磁新增部分的绩效。总之，异步起动永磁同步电动机汇聚了感应电机和永磁同步电机的优点，通过感应电机的鼠笼式转子引导启动，永磁材料做同步转矩。这个部分，我们会先介绍三相感应电机模型，再研究异步起动永磁同步电动机模型，最后讨论有限元分析(FEA)的设计规范。通过以下两种假设讨论：1）假设忽略磁性饱和，集肤效应和磁芯损耗的情况。2）假设定子线圈和和转子铜条是有符合正弦分布的线圈。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）32.1感应电机模型方程式（1）-（5）描述的是鼠笼感应电动机转子d-q模型的数学模型，方程式中定子和转子电压被描述如下：方程式中，d-q轴变量分别代表定子电压，定子电流和定子磁链。d-q模型的电压，电流和磁链部分的轴转子变量代表定子侧，分别是。定子磁链和转子磁通的表示如下：其中分别是钉子电阻，转子电阻，定子电抗，转子电抗和磁化电感。电压和通量方程的等效电路如图1所示。机械方程如下所示：其中分别代表角速度和级数，分别代表电磁转矩，负载转矩，摩擦系数和惯性矩。2.2异步起动永磁同步电动机模型正如[4]描述的那样，异步起动永磁同步电动机的电路模型可以由图1中感永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）4应电机的等效电路和方程式4中的永磁提供。模型指出永磁电感系数可以和直轴定子的互感系数结合。因此，直轴此话的结果仍然由表示，并且横轴转子电阻大于直轴转子电阻。永磁的等效此话通量被定义如下：其中代表永磁的等效磁化电流，即电子侧。因此，异步起动永磁同步电动机的定子电压，转子电压，定子磁链和转子磁链的方程式如下：永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）5图2中的等效电路可以由方程式（6）-（10）得出。在[4]中，阻尼线圈和k分别代表转子线圈和r。此外，由于忽略LSOMSM中永磁材料的转子涡流损耗的原因，比如钕铁硼的欧姆电阻永磁是80，比它自己的通电阻大，异步起动永磁同步电动机的电磁转矩被描述如[4]。很明显，永磁的通量贮存在中，并且方程式11和方程式5中感应电机相同，因此，感应电机被用于直接控制转矩系统中的转矩估计。方程式12中的电磁转矩变成了三个部分：磁阻转矩，激励力矩和异步转矩。很明显，激励力矩和磁阻转矩均由永磁导致，无一是因为感应电机。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）6在异步起动永磁同步电动机模型中，基于方程式11，可以很容易推导出方程式13.并且能得出电磁转矩是由定子磁通空间矢量和定子电流空间矢量相互作用而成。并且方程式13对所有参考框架中的电力机械有效。其中分别是纵轴定子参考系中的角。因此在之间。从中可以看出定子磁链的恒定水准，随转矩随负载角的变化而变化。因此异步起动永磁同步电动机的直接转矩控制技术与感应电机和永磁同步电机的直接转机控制技术设计相似。2.3异步起动永磁同步电动机设计为了给出一个感应电机和异步起动永磁同步电动机之间完善的深入分析的永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）7对比报告，我们假设发动机都有相同的定子架。在这个部分，异步起动永磁同步电动机是由用于测试直接转矩控制方法的感应电机修改而成的。这个感应电机由Motogen公司制造，750（w），四极三相鼠笼型电动机外框大小。它有个横向叠片铁芯，其钢磁化特性如表3所示。选用市场上有售的钕铁硼磁铁是因为它们高能耗而且售价低。由于感应电机是真实存在的，因此从试验中获得感应电机的电机参数，用FEA计算出异步起动永磁同步电动机的设计参数，根据感应电机定子设计出异步起动永磁同步电动机的横截面如表4所示。设计的异步起动永磁同步电动机转子提供高通量，高磁性并且有注入转子笼的能力。感应电机和异步起动永磁同步电动机的数据取值如表1.如表4所示，异步起动永磁同步电动机转子笼和永磁材料的转子内部结构设计是为了阻碍直轴磁通路线。图5用FEA展现了极电机磁通量线在不同情况下的分布。电磁参数在附录中已给出，名义上为了获得高功率因数和高效。表IX所示，设计异步起动永磁同步电动机的凸极比接近于3.5.而且，因为转子d到q不对称，所以它们的参数不相同。在这篇论文中，文献【30】用来证明了异步起动永磁同步电动机参数。虽然估测了异步启动的同步磁阻电动机的参数，但在图5中依然适用。图4展示了在如下条件下单极异步起动永磁同步电动机的磁通量分布：a)无电流状态：b)电流沿着和为了判断异步起动永磁同步电动机除了直轴磁化电感的的所有参数，在异步起动永磁同步电动机的直轴中插入了永磁。在异步启动永磁同步电动机中是这样计算的：对于异步起动永磁同步电动机,我们得到：其中：磁通量和直轴电流。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）8永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）93.直接转矩控制方案对于感应电机，直接转矩控制已经被广泛应用于作为可调速驱动应用的非常流行的控制方案。然而，除了从可变估计，感应电机的直接转矩控制是完全类似于异步起动永磁同步电动机的。在本节中，这众所周知的技术要被简单的讨论，读者可以参考文献[3]的更多细节。因为这项工作是为了比较和测试直接转矩控制的方案在异步起动永磁同步电动机和感应电机上的性能。一个简单经典的基于开关矢量表的直接转矩控制选用做这个实验。因此，任何已知的可以提高的方法在[3,26,27,24,28,29]文献中的都没有利用。为了这个目的，将基于开关矢量表的直接转矩控制方案的的方块图示于图6中。在图6中，参考速度和所测量速度之间的误差是确定为速度误差，并通过一个速度控制器进行处理。在这项研究中，一个简单的常规比例-积分控制器被用作为速度控制器，虽然各高级控制器可应用，然后将得到的命令被作为基准的限制扭矩。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）10在[17]文献里已经建议在异步起动永磁同步电动机较低的损耗上显着增加输出功率和恒功率，在此基础上，异步起动永磁同步电动机驱动的最好的速度大于等于相等的感应电机。此外，异步起动永磁同步电动机较大的输出功率会导致增加异步起动永磁同步电动机的额定转矩相比于相等的感应电机。因为根据各电动机的额定转矩的转矩限制器被实现为如图7所示，更宽的频带被选择为异步起动永磁同步电动机相比为感应电机的基准转矩的饱和度。最后，该扭矩误差信号被选择为三级磁滞比较器的输入，C是它的输出。应当指出的是，参考的幅度通量是基于恒定转矩和恒定功率操作区域来确定的。因此，相同的通量表可以用于两个电机。所估计的定子通量的大小和基准定子通量大小之间的误差是一个两级迟滞比较器的输入，以及Cλ是通量磁滞比较器的输出。如图6显示的输出电压矢量，给出在表2。在定子通量扇区内，Ct会Cλ是输入常量。式（16）用于估算两感应电机和异步起动永磁同步电动机的定子通量联系。然而，不同于即时消息，在异步起动永磁同步电动机，初始定子通量矢量的值不同于零，并且它的值取决于在永磁材料。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）114.仿真结果为了更好的比较，提供了上诉的感应电机和异步起动永磁同步电动机的直接转矩控制驱动在相同的操作条件和电压骤降情况下进行线反馈和电压源逆变器反馈的仿真比较结果。最后，又提供了等于永磁同步电机的模拟结果仿真结果，并且简单地讨论。永磁同步电机直接转矩控制研究（文献翻译）124.1线性反馈模拟结果因为不同的负载转矩和电源电压导致在线性启动时产生不同的稳态和动态性能，为了模拟和比较两个不同的输入电压需要给感应电机和异步起动永磁同步电动机提供50Hz的输入频率和不同的负载转矩。模拟进行在相同的条件下，这些线性启动的电机连接到线对线（L-L）的提供输入电压380伏（额定电压）和304V（