永磁同步电动机PWM变频调速系统的建模与仿真

永磁同步电动机PW M变频调速系统

的建模与仿真

夏玲(黄石建筑设计研究院第4所,湖北黄石435001)

摘　要:介绍了PW M控制技术的特点,并在MAT LAB环境下,构造永磁同步电动机PW M控制的仿真模型。通过对永磁同步电动机的动态过程进行仿真,分析永磁同步电动机采用PW M控制技术的瞬态运行特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。同时,也验证了仿真模型的正确性。

关键词:永磁同步电动机;仿真;PW M

Modeling and Simulating of PWM Frequency I nverter System

for I nterior Permanent Magnet Synchronous Motor XI A Ling(Huangshi Institute of Architectural Design&Research,Huangshi Huibei,435001,China) Abstract:T his paper introduces the characteristics of PW M control technology,and it found the simulating m od2 el for interior permanent magnet synchron ous m otor PW M control in M A T LA B environment.Via the

simulation of dynamic process for interior permanent magnet synchronous m otor,it analyzes the instan2 taneous characteristics and change law of PW M control technology for interior permanent magnet syn2 chron ous m otor.And the validity of the simulation m odel is tested and verified via the simulations. K ey w ords:interior permanent magnet synchronous m otor;simulation;PW M

1　前言

永磁同步电动机转子使用永磁材料励磁,使电动机的体积和重量大大减小,电机结构简单、维护方便、运行可靠、损耗较小,效率和功率因数都比较高。然而,永磁同步电机存在启动困难、失步等缺点,变频调速技术的应用能很好地解决这些问题。同步电机控制系统常见有如下几种:

(1)无换向器电机控制系统　采用交-直-交电流型逆变器给普通同步电机供电,整流及逆变部分均由晶闸管构成,利用同步电机电流可以超前电压的特点,使逆变器的晶闸管工作在自然换相状态。同时检测转子磁极的位置,用以选通逆变器的晶闸管,使电机工作在自同步状态,故又称自控式同步电机控制系统。其特点是直接采用普通同步电机和普通晶闸管构成的系统,容量可以做得很大,电机转速也可做得很高,如法国地中海高速列车即采用此方案,技术比较成熟。其缺点是由于电流采用方波供电,而电机绕组为正弦分布,低速时转矩脉动较大。

(2)交—交变频供电同步电机控制系统　逆变器采用交—交循环变流电路,由普通晶闸管组成,提供三相正弦电流给普通同步电机。采用矢量控制后可对励磁电流进行瞬态补偿,因此系统动态性能优良,已广泛应用在轧机主传动控制系统中。其特点是容量可以很大,但调速范围有一定限制,只能从同步速往下调。

(3)正弦波永磁同步电机控制系统　电机转子采用永磁材料,定子绕组仍为正弦分布绕组。如通以三相正弦交流电,可获得较理想的旋转磁场,并产生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技术使d轴电流分量为零,用q轴电流直接控制转矩,系统控制性能可以达到很高水平。缺点是需要使用昂贵的绝对位置编码器,采用普通增量式码盘实现上述要求虽有一些限制,但采取一定措施后仍是可能的。目前研究的重点放在如何消除齿谐波及PW M控制等造成的转矩脉动。

(4)方波永磁同步电机控制系统　又称为无刷

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2004年第4期 电机电器技术 计算机与自动控制

直流电机控制系统,转子采用永磁材料,定子为整距集中绕组,以产生梯形波磁场和感应电动势,如通以三相方波交变电流,当电流和感应电动势同相位时,理论上可产生平稳的电磁转矩。其主要特点是磁极位置检测和无换向器电机一样,非常简单,选通及系统控制容易实现。其缺点是由于定子电感的存在,实际上电流达不到理想的方波,在换相时刻的叠流现象会造成转矩脉动,对系统低速性能有一定的影响。

PW M控制是交流调速系统的控制核心,A. Schonung和H.stemmler于1964年首先提出把这项技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推广应用开辟了新的领域。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制SP2 W M信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PW M信号输出,可以说直到目前为止,PW M在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。

用计算机对永磁同步电动机的动态过程进行仿真可以从理论上揭示其瞬态运行的特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。它可以为构成更完备的电机控制和调节系统方案提供直接的依据,为改善电机的运行状况,更好地满足生产需要提供了新的手段。

M A T LA B语言是目前国际上流行的一种仿真工具语言,它具有强大的矩阵分析和运算功能。建模仿真可视化功能SI M U LI NK是M A T LA B五大通用功能之一,它是基于M A T LA B语言环境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境,具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点,可大大提高系统仿真的效率和可靠性。SI M U LI NK提供了丰富的模型库供系统仿真使用,另外用户也可根据自己的需要开发所需的模型,并通过封装扩充现有的模型库。

本文介绍一种利用SI MU LI NK功能建立永磁同步电动机PW M调速模型及仿真方法,并通过实例仿真,验证仿真模型的正确性。

2　PW M技术

从上世纪70年代开始至80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般最高不超过5kH z,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善,随机PW M方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此,即使在IG BT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PW M仍然有其特殊的价值;另一方面,也说明消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,因为随机PW M技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

PW M控制技术一直是变频技术的核心技术之一。任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PW M 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PW M控制方案就不下十几种,PW M控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止,还有新的方案不断提出。由于PW M可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点,因此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。PW M控制技术大致可以分为三类,正弦PW M(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PW M方案,多重PW M也应归于此类),优化PW M及随机PW M。正弦PW M已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PW M技术在大功率变频器中有其独特的优势;优化PW M所追求的则是实现电流谐波畸变率(TH D)最小,电压利用率最高,效率最优,转矩脉动最小,以及其它特定优化目标。

3　永磁同步电动机PW M变频调速系统的仿真Mathw orks公司的MAT LAB仿真软件能很好地实现各类电机的各种控制方案的仿真。SI MU LI NK 是MAT LAB程序的扩展,是一个开放的编程环境。SI MU LI NK提供了十分丰富的模型库,大大缩短了整个控制系统的建模与仿真时间。

对一个复杂的控制系统,若仅用SI MU LI NK提供的基本模块来构造模型,相当费时费力。如用基本模块和电气系统模块库中的模块共同构成仿真模型,则方便得多。电气系统模块库中有6个子模块库:电源、基本电气元件、电力电子器件、电机、连接和测量子模块库。如PW M变频调速系统的仿真模型中,逆变器和电机就可以采用电气系统模块。但电气系统模块和常规SI MU LI NK模块必竟是两类本质不同的模块,对于同时使用两类模块的仿真模型,

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计算机与自动控制 电机电器技术 2004年第4期