毕业设计开题报告电气工程及其自动化永磁同步电动机功率因数的仿真分析---矢量控制系统模型1前言部分由于电力电子器件的发展不断加快，和稀土永磁材料的性能的不断提高，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。

永磁同步电动机是一个利用永磁体建立磁场的小功率的同步电动机。

它的定子可以产生旋转磁场，转子是用永磁材料制成的。

永磁同步电动机具有较高的功率因数和效率，同时具备着不同于其他的异步起动能力。

在控制系统模型上，永磁同步电动机和感应电动机基本上相似。

通过给定转速与实际电机转速比较的PI调节闭环控制，从而实现转速与给定无偏差[1]。

电力网中的电力负荷有电动机、变压器等等，它们是电感性负载。

电感性负载的电压和电流相量之间存在着相位差，用余弦cosφ来表示。

而cosφ就被称作功率因数。

功率因数和效率一样，都是永磁同步电动机里有实用价值的特征指标。

功率因数显示各个用户的用电设备的使用情况是否合理，它说明利用电能的最大程度，是用电管理水平的一项标准规则。

如果功率因数比较低，就得用很大的电流来维持电器的正常运作，与此同时输电线路上的输电电流增大，这会导致线路上的电能损失增大，所以提高该功率因数对于永磁同步电机和整个系统都扮演着非常重要的角色。

为了减小电子控制器的容量，在设计永磁同步电动机时要求提高功率因数。

永磁同步电动机调速系统中，最主要的问题就是怎样实现电动机瞬时转矩的高性能控制。

而如何根据给定的转矩来计算出交轴电流和直轴电流，这就是矢量控制的问题。

矢量控制就是对电动机中定子电流的矢量相位和幅值进行控制。

1.永磁同步电动机的结构和模型永磁同步电动机的定子与传统的感应电动机定子结构基本相同，有空间对称分布的A、B、C三相绕组，以A相绕组的轴线作为空间的参考轴线as。

如上所述,在A、B、C坐标系中，永磁同步电动机的模型是稳定的，分析正弦波电流控制的永磁同步电动机的方法有dq数学模型，可以用它来分析电动机的瞬态性能。

PMSM 在两相d-q 坐标系下的定子电压方程和磁链方程分别为：ψψ-+=q d d P R i u ω1d (1)()θ∆+=ψψs L f i co d d (2)上式中，θ∆为d 轴和转子永磁体轴线间的夹角；L 为自感系数平均值。

各电磁量的矢量关系如图1所示[2]。

图1 PMSM 的矢量关系图永磁同步电动机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。

永磁体可以安装在转子表面或是嵌入到转子内部。

但是在PMSM 中小电感也有不好的地方，小电感会发生弱磁控制。

因此通常用的永磁体，如铁氧体和稀土永磁很难打造成功，这样也会造成永磁体的结构形成花费，增加额外的费用。

按照永磁体在转子上位置安装的不同,永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为3种：表面式,内置式和爪极式。

异步起动永磁同步电动机的转子磁路结构多采用内置式。

内置式结构又可分为：切向式、径向式和混和式[3]。

2、永磁同步电机功率因数的原理大多数的用电设备都是根据电磁感应原理工作的，比方说配电变压器和电动机，它们都是依靠交变磁场的相互作用，才能进行能量的转换和传递。

在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们想要的是功率因数越大越好。

这样电路中的无功功率可以降低到最小，从而提高电能输送的功率。

永磁同步电动机的转子磁钢的形状各式各样，使得转子磁场在空间的分布也分为两种：正弦波和梯形波。

接着，当转子旋转时，则其在定子上产生的反电动势的波形可以有两种，即一种是正弦波；另一种是梯形波。

由此而产成两种同步电动机，它们在原理、模型及控制方法上有很大的不同，为了能区分出由它们组成的永磁同步电动机的交流调速系统，通常又把正弦波式的永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机调速系统；而由梯形波永磁同步电动机组成的调速系统，则被称为无刷直流电动机调速系统。

永磁同步电动机采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统[10]。

对于PMSM，因为它的转子是永久磁铁而且磁场为不可控，所以只能通过调节电枢电压U来改变电动机的值。

当功率因数cosφ=1错误!未找到引用源。

时，电动机效率最高。

所以，采用功率因数调节输出电压，改变电动机电枢电流，使其变化量的绝对值小于0.5A，来实现频率的调节[4]。

高功率因数是永磁同步电动机的最大优点，它可以用来降低定子电流和绕组中的铜耗，提高电动机的效率，使永磁同步电动机拥有较高的指标。

由于永磁电动机的转子中设置有磁钢，可以不从电网或减少从电网吸收无功电流来建立磁场，因而功率因数较异步电动机高，如下图2所示[5]：图2永磁同步电动机和异步电动机动率因数功率因数的特点: （1）空载反电势（2）临界反电势, 每台永磁同步电动机都有一个不同的空载反电势，而在临界反电势下无功功率很小。

永磁同步电动机在不同额定电压等级（380、660和1140V）、不同额定功率（22、30KW）和不同转r）下的功率因数是不同的[6]。

目前我们大量使用的电能，功速（750、1000m in率因数将是重中之重。

3.矢量控制技术的应用目前，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。

永磁同步电动机控制的理论基础,即矢量控制技术已经发展到了一定的阶段，矢量控制理论是交流调速系统中的一个主要突破。

为PMSM控制系统的设计与实现提供了很好的技术支持。

永磁同步电动机被广泛应用于中小功率机床的主轴驱动、位置控制等伺服驱动系统。

通过采用矢量控制，可以分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，使得输出性能得到较大的改善，同时过载能力和控制性能可以达到直流调速系统的水平。

目前矢量控制系统中矢量控制首先应用于异步电动机中，之后被引入到PMSM 中。

PMSM 的矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样，都是一种基于磁场定向的控制策略[7]。

矢量控制的基本思想是通过定转子的三相ABC 静止坐标到两相静止坐标，再到两相同步旋转dq 坐标的变换，按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立起来的。

控制d 、q 轴的电流，即方便地实现电机的磁场和转矩的控制。

基于转子磁场定向的矢量控制是交流伺服调速系统中使用较广泛的一种控制方式[1]。

PMSM 的模型可以很方便地在d-q 轴中表示。

矢量控制系统的优点是转矩响应快，和精确地速度控制。

PMSM 的矢量控制通常被称为0d i 控制，因为这种控制方式能使PMSM 的磁阻转矩为零，电磁转矩直接与q 轴定子电流i q 成正比。

同步电动机采用定子磁链定向和气隙磁链定向控制的同步电动机功率因数高，可以实现单位功率因数运行，负载增加时，定子电压幅值维持不变，有利于提高大容量同步电动机的利用率，减小变流装置及变压器的容量[8]。

永磁同步电机的q 轴电抗和d 轴电抗随电动机磁路饱和等因素的变化而变化，进而影响了输出力矩的磁阻力矩分量。

永磁同步电机对参数的变化比无刷直流机更敏感，但当永磁同步电机工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，此时永磁同步电机矢量控制系统对参数变化的敏感性与无刷直流机基本相同。

然而当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。

而永磁同步电机能够采用弱磁控制，所以具有较大的调速范围。

2主题部分1.永磁同步电机的现状随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。

面对现今的能源危机，在不断开发新能源的同时，注重开发高效节能的电机已成为许多国家的共识。

稀土永磁高效节能的电动机，它的节电效果十分显著。

稀土永磁同步电动机减少了原来定子边绕组的励磁电流及其转子边的铜、铁损耗，大幅度减少了无功电流，提高了功率因数与效率，降低了电机的温升及配电设备容量[3]。

现代的PMSM运动控制系统中，它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得与直流电动机一样优良的转矩控制特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。

永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。

目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制以及直接转矩控制。

PMSM应用范围广、可靠性高，在仪器仪表、化工、轻纺、等领域都获得应用。

2.永磁同步电机的国内外发展历史四开关三相永磁同步电动机的矢量控制系统通过采样绕组电流，利用坐标变换理论，实现同步旋转坐标系下的电流闭环调节；速度环调节输出作为交轴电流的给定值, 以实现对电机转矩的控制[9]。

直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型高性能交流调速技术。

它的思路是运用电压空间矢量，取代基本空间电压矢量，通过控制其大小，合成当前位置的定子电压矢量，进而调节磁链旋转速度和幅值[10]。

西门子工程师首次提出了矢量控制理论的观点。

又因为它的控制结构简单，控制软件实现较容易，已经被广泛地应用到调速系统中。

矢量控制的优点在于调速范围宽，动态性能较好。

不足的地方在于它是按转子磁链定向，会受到电动机参数变化影响而造成失真，从而降低了系统的调速性能。

而后，某教授提出了高性能交流电机的控制策略，采用定子磁场定向，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

近几年日本对永磁同步电动机的研究开发有了新的进展，永磁式同步电动机100系列是指异步起动，加速后牵入同步的永磁式同步电动机。

无旋转传感器的方式可以得到高精度的旋转速度，因数台电动机可以同步运转，而广泛应用于产业各领域[11]。

3.永磁同步电动机调速系统的发展趋势电力电子技术的发展为经济又快又好发展起到重要的作用，同时它的发展也带来一系列诸如能量损耗、能源污染等问题。

电压空间矢量调制技术SVPWM具有直流电压利用率高、谐波含量低等显著特点。

SVPWM技术的引入对很多诸如串级调速、太阳能并网发电的逆变器提出了积极的探索，为一种改良的思路和方法[12]。

以往电动机几乎用掉了很多国家工业用电的2/3，考虑到节能和环保，包括我国在内的很多国家对电动机系统的节能都给予了高度的重视[16]。

因为PMSM 无需用电网中的电流来建立气隙磁场，因此显著地提高了功率因数和效率，是将来最有发展前途的电动机。

PMSM系统满足了从机械到电气的转化。

电梯中使用的直接驱动的永磁同步电机是低速直接驱动伺服电动机的典型例子。

这新一代曳引机采用磁场定向的PMSM，直接驱动电梯，它具有体积小、重量轻、损耗低、效率高、功率因数高、起制动性能好和良好的动态特性，并使传动效率和可靠性大为提高[14]。

到2005年6月胜利油田在4个采油厂推广应用永磁同步电动机2024台，累计节约电量5500万千瓦时，平均功率因数大于0.9,且大部分呈容性[6]。