永磁同步电机高精度控制及高效节能控制技术研究目录永磁同步电机高精度控制及高效节能控制技术研究 01．基本情况 (2)1.1背景 (2)1.2技术特征 (2)1.3 主要技术成熟程度 (3)1.4对社会经济和科技进步的意义 (6)2 主要研究方案及关键技术 (7)2.1 技术方案论证 (7)2.2总体性能指标 (10)2.3 关键技术 (11)3永磁同步电机调速方法的研究 (12)3.1 永磁同步电机数学模型的研究 (12)3.2 永磁同步电机直接转矩控制技术 (20)3.3 无速度传感控制技术 (34)3.4 电机保护、远程监控技术研究 (38)4 智能化电机系统节能方法的研究 (53)4.1普通高效电机用在泵类负载节能技术研究 (53)4.2 泵类负载系统的变频调速节能调速范围研究 (62)4.3 典型电机系统节能措施研究 (73)5 项目推广应用的前景和社会效益 (89)1．基本情况1.1背景我国已经越来越重视对电动机系统节能技术的研究和项目的开展，但我国电动机系统节能技术与装备水平距离节能目标相差很远，与国际相比有一定差距。

我国电机系统由于系统设计最大化、选型和设备采购等原因，导致电机系统大都运行在“大马拉小车”状态下，能源浪费严重。

目前用户采用最多的变频调速技术，虽然常常达到了一定的节能效果，但并没有挖掘出系统存在的全部节能潜力。

全国电机系统运行效率比国外先进水平低10－30个百分点，相当于国际20世纪七、八十年代的水平,由此产生的电能浪费达到2000多亿千瓦时每年，可见我国电机系统节能潜力巨大。

我国政府机关以及相关部门已经提出相关法规政策来推进电机系统节能发展进程，十六届五中全会提出“十一五”期间“单位生产总值能耗应比…十五‟降低20%左右”；国家发展和改革委员会启动了“十一五”国家十大重点节能工程，电机系统节能工程是其中之一；同时2008年1月颁布了电动机“能效标识”管理办法，并于2008年6月1日开始实施，这些政策和标准的实施将进一步促进电机系统节能工程的快速发展，也说明了我国对电机系统节能的迫切需求。

1.2技术特征永磁同步电动机调速方法及系统节能方法的技术特征如下：（1）永磁同步电机调速方法的先进性对永磁同步电动机的数学模型和控制理论进行全面、深入研究，采用了目前最为先进的直接转矩控制（DTC）；在永磁同步电动机的转矩观测器、直接转矩控制和无传感器等先进调速控制理论方面等做大量的研究，并通过仿真证明其控制方式的先进性，系统的稳定性和有效性。

（2）永磁同步电机系统的智能化开发了基于GSM公网SMS短消息业务的远程监控电机保护系统及变频器供电的电动机轴承电流保护系统，大大提高了永磁同步电机系统的技术含量和智能化水平。

（3）电机系统节的能采取根据不同工况及特性应用相应的节能措施——“量体裁衣、对症下药”，较简单的将高效电机及设备、变频设备等更能使电机与其驱动设备及系统的良好匹配，更深入挖掘了电机系统节能潜力，提高了电机系统能源利用率，对电机系统节能工程实施提供重要指导支撑。

1.3 主要技术成熟程度（1）永磁同步电动机调速控制技术随着电力电子器件的发展，交流调速系统的控制策略也得到了发展。

交流异步电动机的控制策略有恒压频比控制(VVVF)、滑差频率控制、矢量控制、直接转矩控制。

技术的成熟使得这些调速控制技术逐步应用到永磁同步电机控制系统中，使得相关技术变的成熟，在相关控制方面得到了广泛的应用。

其中矢量控制和直接转矩控制为闭环控制，控制性能较高，但是需要对电压、电流、转子位置和转速等进行测量并形成反馈。

一般需要在电机转子上安装机械传感器来测量电机转子位置和转速。

机械传感器增加了电机体积和成本，复杂的连线增加了系统的复杂度，降低了可靠性。

理论上只要知道电机绕组电压和电流就可以计算出转子位置，因此无机械传感器的控制方法逐渐成为研究的一个方面。

以下对调速控制策略技术发展进行相关分析与说明：★恒压频比控制(VVVF)VVVF控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过在控制过程中始终保持V/F 为常数，来保证定子磁链的恒定。

然而VVVF控制是一种开环控制，速度动态特性很差，电机转矩利用率低，控制参数还需要根据负载的不同来做相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器电力电子器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。

恒压频比控制是一种低成本的开环无位置传感器控制方法，但是由于不能保证电流矢量方向和转子磁链矢量垂直，所以功率因数和效率都会降低，一般用于对性能特别是低速性能要求不高的调速系统中，如风机、水泵等。

在电压幅值、频率和电机负载不匹配时容易出现不稳定现象。

如果转子带阻尼绕组，则阻尼绕组可以保证电机的同步和稳定，但是对于无法安装阻尼绕组的电机，如表面贴式永磁同步电机，在恒压频比控制下的稳定性就成为一个问题。

利用有功电流信息来提高系统稳定性并利用无功信息来获得更高效率的恒压频比控制方法，可以获得更高的转矩响应速度，并且不需要前馈控制，但是需要测量电机定子绕组两相电流，硬件成本比较高。

★矢量控制矢量控制最早是在1971年由Blashke等人针对异步电动机提出的，其基本思想源于对直流电机的严格模拟。

直流电机本身具有良好的解耦性，可以分别控制其电枢电流和励磁电流达到控制电机转矩的目的。

矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能，而最终实施仍需落实到对定子电流的控制上。

矢量控制通过磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量分别加以控制，从而获得良好的解祸特性。

因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制电流的相位。

在永磁同步电动机矢量控制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率。

直接转矩控制在20世纪80年代中期，专家提出基于六边形定子磁链和基于圆形磁链的直接转矩控制理论。

这是一种全新的交流电机控制技术，它摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，采用空间电压矢量分析方法，在定子坐标系下进行磁通、转矩计算，通过检测定子电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。

此方法无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，易于实现全数字化、智能化。

（2）电机保护、远程监控技术电动机作为电力拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。

全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数100亿元左右，造成停工停产损失竟达数100亿元。

目前，国内外电机保护器品种繁多，功能不一。

大多数保护控制装置厂家对电机试验方法、烧毁原因不甚了解，常常出现保护装置厂家不了解电机的运行和故障时的很多参数，经常出现保护装置电机范围小，功能不完善，误差大等缺陷，无法适应用户的需要。

多数智能电机保护器虽然具有通讯功能，但多采用总线技术，其互换性差、系统复杂、系统造价及维护费用高昂，不适合于广泛应用。

因此，电动机保护器作为电动机各种故障状态的保护装置，有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义，是实现智能化电机系统节能控制系统中不可或缺的重要技术及装置，市场前景相当广阔。

1.4对社会经济和科技进步的意义永磁同步电机的控制技术发展及调速控制的精确应用，对社会经济和科技进步具有重大的意义，具体体现在以下几个重点领域：★高精度位置或转速控制系统，如伺服系统等。

主要用于航空航天器、军工武器系统、数控机床、纺织机、电梯、信息系统等。

这一类系统对电机位置和转速的控制精度、稳定性、转矩脉动、响应速度、速度平稳性、低速性能、宽范围运行能力等方面有非常高的要求。

★大容量系统如舰船推进系统等，在舰船推进系统中使用永磁同步电机可以灵活布置船上大型机械设备，便于操控和航行，螺旋桨等机械的震动和噪声较小，使船舶航行起来更加隐蔽。

如果电动机可以低速运行，并直接与推进轴连接，那么可以省去机械的减速齿轮;与常规的机械推进比较，电力推进系统的重量和体积大大减小。

★电动汽车等牵引系统，使用永磁同步电机可以减轻汽车重量、缩小体积、提高效率。

在电动汽车驱动系统中，高速运行区域需要进行弱磁控制。

为了降低成本和体积，提高系统可靠性等，无机械传感器技术的应用也是研究的重点，控制方式主要采用矢量控制和直接转矩控制。

★高效节能速度控制系统,如风机、水泵、压缩机、家电、汽车辅助系统等，这一类系统主要运行在中高速区域，或者是有减速机构，对电机转速和位置的控制性能要求比较低。

★直驱式风力发电系统，风力机轮直接驱动永磁同步机的多磁极转子，而电机的定子则通过逆变器同电网相连接，就构成直驱式风力发电系统。

该系统不需要增速传动机构，转速低、机械损耗小、便于维护;另外该系统不需要外部励磁，在低风速下可以高效率发电;采用永磁发电机系统另外一个优点是易于实现电网故障下发电机系统的不间断运行。

同时由于机舱重量减轻并改善了传动系统各部件的受力状况，可使风机的支撑结构减轻，基础费用等也可降低，运行维护费用也较低。

2 主要研究方案及关键技术2.1 技术方案论证（1）永磁同步电机传动控制系统设计技术主要采用直接转矩控制方式对永磁同步电动机进行调速控制。

直接转矩控制是一种瞬时转差控制方案，具有快速动态响应、对参数依赖小、控制结构简单等优点，可以有效的提高系统的整体性能。

通过对比分析论证了技术方案的可行性，并与矢量控制进行比较，阐述了直接转矩的优点和可行性。

1）直接转矩控制与矢量控制联系从永磁同步电机空间矢量关系可以得知，在稳态下，定了磁链矢量和转子磁链都是以同步速度旋转，负载角是不变的，但在瞬态情况下，很短时间，若能使定子磁链矢量的旋转速度超出转子速度时候，其负载角就会变大，在此过程中保持定子磁链矢量幅值不变，那么电磁转矩的励磁转矩就会增大，反之，负载角就会减小，励磁转矩就会减小。

由于PMSM 定子的电气时间常数比转子的机械时间常数小的多，应此定子磁链矢量相对转子的励磁磁链的旋转速度是容易改变的。

通常负载角的变化由下面的关系获得。

一是定子磁链旋转角度的改变s δ∆，二是转子磁链旋转角度的改变r δ∆，前者可以用定子空间电压矢量强迫定子磁链旋转，而获得较大的s δ∆。

后者依赖于转子的转速r ω，来改变r δ∆。

它们的关系式：s r δδδ∆=∆-∆ 实际的额定电机负载角通常在30°-45°。

当PMSM 施加零电压矢量时，定子磁链停止转动，即s δ∆为零。

而转子磁链在一个采样周期内转过的角度r δ∆，与δ相比很小，近似为零，即d 基本保持不变，转矩基本不变，这与异步电机可以通过零电压矢量来减小转矩有很大区别。