永磁同步电机能效最优控制策略研究

发布时间：2020-08-27 21:31

【摘要】：电能的利用在现代社会不可或缺,对电能的高效利用是现代科技的重要研究方向之一。国内外均不断推崇并提高节能环保理念在人们心中的地位,政府在倡导节能减排的同时也制定了相关政策。尤其近年来,电动汽车的迅猛发展更是体现了人们对能源与环保的重视。电机作为能源消耗的关键组件之一,电机的效率提升有着极为重要的研究和实用价值。各种类型电机中,永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Motor,PMSM)在功率密度、效率、可靠性与可维护性等多方面有着难以替代的优势。永磁同步电机效率优化策略大多针对电机铜损、电机铜损和铁损及针对控制系统稳态时输入功率,但是电机运行与控制器密不可分,应将电机及控制器作为整体研究其控制系统优化策略。如何提高电机及控制器系统的总效率,对系统效率进行动态寻优控制,以实现系统效率最优是本文研究的主要内容。文章分析了现有的最大转矩电流比(Maximum Torqueper Ampere,MTPA)控制策略、基于铁损等效模型的电机最小损耗控制策略、最小输入功率控制策略三类效率优化策略的基本原理和实现方法,并定性分析了PMSM控制系统中各损耗的来源、死区效应及其对效率的影响。分析结果表明:三类优化策略主要针对与损耗相关的单一指标进行优化,在改指标得到优化时会影响系统整体效率,并不能实现系统整体效率最优。针对该问题,提出了直接计算PMSM系统效率并对其进行极大值寻优的控制策略,结合矢量控制原理实现PMSM控制系统的能效最优控制。为了提高计算效率,减小计算开销,论文提出了将电压矢量分布于三个扇区计算空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPMW)的计算方法,以简化计算过程减少计算量。通过Matlab搭建仿真模型,对MTPA控制策略和论文提出的系统效率最优控制策略进行仿真验证,对仿真结果进行对比分析。仿真结果表明本文提出的系统效率最优控制策略相比于MTPA控制策略效率有所提高;通过实物硬件对提出的控制策略进行了实验验证,系统可以稳定运行,实际测量输出功率约42W时,系统效率最优控制策略相比于MTPA控制策略效率提高0.7%。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341
【图文】：

永磁体,安装方式

体材料多为铁氧体、稀土钴或铷铁硼等。铁氧体的矫顽力相对较弱，稀土钴磁能积较大，有利于提高电机的功率密度，但是成本较高；铷积和矫顽力都比较可观，已更为广泛的应用于各类永磁电机。PMSM 永磁体的排列方式主要分为两大类：表面贴装式、内嵌式。表电机永磁体易于安装，磁路对称，电气特性表现为直轴电感和交轴电等，磁阻转矩很小，转矩关于交轴电流的线性度好，控制策略直轴和闭环几乎不存在耦合，控制简单。由于永磁体贴装于转子表面，离心，且安装紧固程度有限，电机峰值转速及峰值转矩均受到限制。内嵌步电机(IPMSM)根据永磁体嵌入方式不同及充磁形式不同分为表面嵌入式、切向磁场内嵌式。永磁体表面嵌入式特性接近表面贴装式，其磁程度较低，固定方式较牢靠。永磁体内埋式磁路不对称程度较高，由离心半径小且外部充分固定，可以做到很高的转速。切向磁场内置式磁通密度很高，磁能积很大，同等功率其效率更高，但其需要消耗的量更大，同等转速需要控制器电压等级更高，系统成本高。

旋转坐标系,坐标系,磁饱和,电枢绕组

程、磁链方程都是基于旋转坐标系。在研究 PM输出电压极限及电机能承受的电流极限，会在路。制造技术及工艺，电机的理论模型一般与实物数与模型做以下处理：通密度在气隙中应按照正弦分布，实际 PMSM限制、永磁体安装工艺、转子磁路的非均匀性存在谐波。在使用电机电压电流及磁链方程时波；绕组电流较大时，电枢绕组发生磁饱和时，表电机模型计算时暂不考虑因电枢绕组磁饱和引组漏感及铁心损耗、转子阻尼损耗可通过参数究的数学模型坐标系如图 2-2，其中三相坐标旋转坐标系以 d 轴与α轴对齐时为初始角度。

脉冲宽度调制,闭环策略,三相交流电压,幅值

电流和电枢电流。由于电机三相中性点为引出，矢量控制原理中在脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)调制上普遍采用空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)。SVPWM 最显著的优点是电压利用率较 SPWM 高约 15%，其中性点参考直流母线处于变化状态。PMSM 控制器中，控制逆变桥通过 SVPWM 技术生成电压幅值、频率及相位完全可控的三相交流电压。闭环策略可实现电流幅值、频率及相位的完全控制。矢量控制原理如图 2-3。

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