永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析轉(zhuǎn)矩電流大比控制模型設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析--轉(zhuǎn)矩電流最大比控制模型畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計）作者完全了解**學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計）進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設(shè)計）在解密后適用本規(guī)^定O作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： 注意事項設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1萬字（不包括圖紙、程序清單等）文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它摘要永磁步電動機(jī)以其體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點而成為最具競爭力電機(jī)，目前已得到了廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)優(yōu)良的PMSM控制系統(tǒng)，不少學(xué)者將先進(jìn)的控制理論應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，并取得了很好的控制效果。功率因數(shù)和效率一樣，都是永磁同電動機(jī)最具實用價值的特征指標(biāo)。無論是異步起動的永磁電動機(jī)，還是調(diào)速永磁電動機(jī)，設(shè)計時都力求提高其功率因數(shù)。高功率因數(shù)是永磁同步電動機(jī)的一個突出優(yōu)點，它有利于降低定子電流和繞組銅耗，提高效率，能使永磁同步電動機(jī)擁有比異步電動機(jī)高很多的力能指標(biāo)。本文將對永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行的詳細(xì)分析，并且提出了功率因數(shù)控制策略。首先，在dq坐標(biāo)系中建立永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真分析永磁同步電動機(jī)的電源和勵磁狀況對其功率因數(shù)影響。其次，在MATLAB/SIMULIN中建立了轉(zhuǎn)矩電流最大比控制的仿真模型，通過控制定子電流矢量的角度（）來控制轉(zhuǎn)矩，并且分析了不同情況下永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)。最后，建立永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真模型，在轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)上，通過控制定子電流來實現(xiàn)功率因數(shù)的控制。關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)，功率因數(shù)，轉(zhuǎn)矩電流最大比，控制理論Permanentmagnetsynchronousmotorpowerfactorofthe

simulation--themaximumratiooftorquecurrentcontrol

modelAbstractPermanentmagnetsynchronousmotorwithitssmallsize，highefficiency，powerdensity，etc.andbecomethemostcompetitivemoto，rhasbeenwidelyused。InordertoachievegoodcontrolsystemofPMSM，manyscholarsofadvancedcontroltheoryisappliedtoservosystem,andachievedagoodresult。Powerfactorandefficiency，arebothpermanentmagnetmotorwiththecharacteristicsofthemostpracticalindicators。Bothasynchronouspermanentmagnetstartermotor,orspeedpermanentmagnetmotor,thedesignwillstrivetoimprovethepowerfactor。Highpowerfactorisaprominentpermanentmagnetsynchronousmotoradvantages,ithelpsreducethestatorcurrentandthewindingcopperloss,improveefficiency,makethepermanentmagnetsynchronousmotorasynchronousmotorhasamuchhigherthanthepowerindex。ThispaperwillmakeadetailanalysisofthepowerfactorofthepermanentmagnetsynchronousmotorandpowerfactorcontrolstrategyisproposedFirst,inthedqcoordinatesystemtoestablishthemathematicalmodelofpermanentmagnetsynchronousmotor,intheMATLAB/SIMULINKtocreatesimulationmodelofpermanentmagnetsynchronousmotorforitspowerandpowerfactorofexcitationconditions。Secondly,intheMATLAB/SIMULINKtoestablishamaximumratiooftorquecurrentcontrolsimulationmodel,bycontrollingthestatorcurrentvectorangle()tocontrolthetorque,andanalyzedunderdifferentconditionsofpermanentmagnetsynchronousmotorpowerfactorFinally,apermanentmagnetsynchronousmotorpowerfactorofthesimulationmodel,basedonthespeedcontrolbycontrollingthestatorcurrentstoachievepowerfactorcontrol。Keywords:PermanentMagnetSynchronousMotor,PowerFactor,MaximumTorqueCurrentRatio,ControlTheory目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 .I\o"CurrentDocument"Abstract V\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"1.1引言 .1永磁同步電動機(jī)的發(fā)展歷程 錯誤!未定義書簽。永磁同步電動機(jī) 1..永磁同步電動機(jī)的發(fā)展概況與趨勢 錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument".3電動機(jī)的分析方法 2..電機(jī)的分析步驟 .2運動方程的導(dǎo)出 .3\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的研究 3..\o"CurrentDocument"課題研究的主要內(nèi)容 4..\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù) 5\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的基本概念 5.\o"CurrentDocument"同步電動機(jī)的功率特性 5..\o"CurrentDocument"2.3影響功率因數(shù)的因素 ..6影響永磁同步電機(jī)功率因數(shù)的原因 ..6提高永磁電機(jī)功率因數(shù)的方法 62.4永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)分析 6電源與功率因數(shù)的仿真分析 ..6頻率與功率因數(shù)的仿真分析 ..7\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制理論 9\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 9..\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)的控制策略 1..1\o"CurrentDocument"永磁同步電動機(jī)控制策略的發(fā)展趨勢 1.2\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)矩電流最大比控制系統(tǒng)的功率因數(shù)仿真分析 1.4轉(zhuǎn)矩電流最大比控制理論 1錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)矩電流最大比控制原理 1..4\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)矩電流最大比仿真與功率因數(shù)分析 1.54.3.1.電流滯環(huán)控制方法的仿真與功率因數(shù)分析 ...15額定工作狀態(tài)下的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析 ...16變負(fù)載時的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析 184.3.43000轉(zhuǎn)時的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析…… ..19低轉(zhuǎn)速下的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析 215功率因數(shù)的仿真分析 ..24\o"CurrentDocument"5.1功率因數(shù)的控制原理 24\o"CurrentDocument"5.2功率因數(shù)的仿真分析 24521給定功率因數(shù)角為0的仿真分析 24\o"CurrentDocument"其他功率因數(shù)下的仿真分析 ...26結(jié)論 2..9..參考文獻(xiàn) 3..0..致謝 3..1..1緒論1.1引言電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。就能量轉(zhuǎn)換的功能來看，電機(jī)可以分為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩大類。其中電動機(jī)作為動力設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的工作母機(jī)，根據(jù)應(yīng)用場合的要求和電源的不同，電動機(jī)有直流電動機(jī)、交流同步電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)，以及滿足不同需求的特種電機(jī)。 20世紀(jì)70年代以后，由于大功率電力電子器件、變頻技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)取得的一系列進(jìn)展，還研制出了調(diào)速性能優(yōu)良、效率較高、能滿足不同要求的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以及有變頻器供電的一體化電機(jī)。就信號轉(zhuǎn)換功能的控制電機(jī)而言，大體上有測速電機(jī)⑵、伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)等幾種，這些電機(jī)主要用于自動控制系統(tǒng)中作為檢測、執(zhí)行、隨動和解算元件，例如機(jī)床加工的自動控制，艦船方向舵的自動控制，大炮和雷達(dá)的自動定位，飛機(jī)的飛行控制，計算機(jī)、自動記錄儀表運行的控制等。這類電機(jī)通常稱為微型電機(jī)，對精度和快速響應(yīng)的要求較高⑴。1.2永磁同步電動機(jī)的發(fā)展歷程永磁同步電動機(jī)在交、直流電機(jī)中，用永磁體來取代直流勵磁以產(chǎn)生氣隙磁場的電機(jī)，稱為永磁電機(jī)。永磁電機(jī)具有體積小、效率高、運行可靠等優(yōu)點，在許多情況下可以實現(xiàn)無刷化，因此在家用電器、醫(yī)療器械、汽車、航空和國防等各個領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用。由于永磁體的益處很多，在電機(jī)中用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勵磁繞組，已成為新型高效節(jié)能電機(jī)的一個重要發(fā)展方向?，F(xiàn)代永磁電機(jī)采用稀土永磁材料勵磁，如釤鉆(SmCo)臺金、釹鐵硼(NdFeB)臺金等，不僅使電機(jī)尺寸大大減小，重量減輕，而且使之維護(hù)方便、運行可靠、效率提高。永磁電機(jī)的種類繁多，根據(jù)電機(jī)功能大致可分為永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動機(jī)兩大類。永磁電動機(jī)又可分為永磁直流電動機(jī)和永磁交流電動機(jī)。而永磁交流電動機(jī)指的是帶有永磁轉(zhuǎn)子的多相同步電動機(jī)，所以常被稱為永磁同步電動機(jī)(PMSM)。永磁直流電動機(jī)如果按有無電刷和換向器來分，又可分為永磁有刷直流電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)(BLDCM)。永磁同步電動機(jī)發(fā)展趨勢永磁同步電機(jī)（PMSM）的研究現(xiàn)狀：雖然BLDCM的轉(zhuǎn)矩比PMSM具有控制簡單，成本低，檢測簡單等優(yōu)點，但因為BLDCM的轉(zhuǎn)矩脈動比PMSM較大鐵心損耗也較大。所以在低速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用中， PMSM的性能比BLDCM及其它交流何服電動機(jī)優(yōu)越得多。不過在發(fā)展高性能PMSM中也遇到幾個“瓶頸”問題有待于作更深入的研究和探索⑺。（1）PMSM程中會出現(xiàn)“退磁”現(xiàn)象，而且在低速時，也存在齒槽轉(zhuǎn)矩對其轉(zhuǎn)矩波動的影響。（2）測誤差對控制器調(diào)節(jié)性能有影響，發(fā)展高精度的速度及位置檢測器件和實現(xiàn)無傳感器檢測的方法均可克服這種影響。（3）以PMSM作為執(zhí)行元件構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于 PMSM本身就是具有一定非線性、強(qiáng)耦合性和時變性的“系統(tǒng)”，同時其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時易受到不同程度的干擾，因此采用先進(jìn)控制策略，先進(jìn)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式（如基于DSP控制），以從整體上提高系統(tǒng)的“智能化、數(shù)字化”水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能 PMSM伺服系統(tǒng)的一個主要的“突破口”。永磁同步電機(jī)（PMSM）的發(fā)展趨勢：PMSM伺服系統(tǒng)從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點和自身技術(shù)的發(fā)展來看，將會朝著以下兩個方向發(fā)展：一是適用于簡易教控機(jī)床、辦公自動化設(shè)備、家用電器、計算機(jī)外圍設(shè)備以及對性能要求不高的工業(yè)運動控制等領(lǐng)域的簡易、低成本PMSM伺服系統(tǒng)；另一方向則是向適用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工設(shè)備精細(xì)進(jìn)給驅(qū)動以及航空、航天用的高性能全數(shù)字化、智能化、柔性化的PMSM伺服系統(tǒng)發(fā)展［19］。而且后一個發(fā)展方向更能充分體現(xiàn)PMSM伺服系統(tǒng)優(yōu)點，今后必將成為重點發(fā)展方向。1.3電動機(jī)的分析方法電機(jī)的分析步驟電機(jī)的分析步驟，大體上可以歸納為以下四步：（1） 電機(jī)內(nèi)部物理情況分析首先是弄清電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要部件的功能，再根據(jù)電機(jī)的磁路和電路，分析空載和負(fù)載是電機(jī)內(nèi)部的磁場，初步弄清這種電機(jī)的工作原理。（2） 導(dǎo)出電機(jī)的運動方程運動方程是磁動勢方程（磁鏈方程）、電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程的總稱。（3） 求解運動方程。（4）結(jié)果分析通過對解答的分析，確定所需的運行性能（特性）和主要運行數(shù)據(jù)，如過載能力、穩(wěn)定性、效率、電壓變化率、速度變化率等。運動方程的導(dǎo)出方法運動方程的導(dǎo)出方法主要有三種：（1） 主磁通-磁通法：此法是把電機(jī)內(nèi)的磁通按其作用和分布，分為主磁通和漏磁通，然后用電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫定律列出各個繞組的電壓方程。（2） 動態(tài)電路法：此法是把電機(jī)作為一組動態(tài)電路對待，把定子、轉(zhuǎn)子之間的電磁關(guān)系用一組時變的自感和互感系數(shù)來表達(dá)，即 L=L（， ，為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。（3） 變分法：設(shè)電機(jī)系統(tǒng)的總能量為T,總勢能為V，系統(tǒng)的拉格朗日狀態(tài)函數(shù)L=T-V，I為L的積分t2I=Ldtt1變分法是通過求I的極值所得到的方程。此法的優(yōu)點是可以自動導(dǎo)出運動方程中的機(jī)電耦合項。1.4永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的研究圖I永磁同步電動機(jī)和異步電動機(jī)功率因數(shù)圖1是永磁同步電動機(jī)和異步電動機(jī)隨負(fù)載變化時的功率因數(shù)曲線?？梢钥吹?，永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)較異步電動機(jī)高[5]。尤其在輕載和空載情況下，要比異步電機(jī)高許多。這是因為永磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子中設(shè)置有磁鋼，可以不從電網(wǎng)或減少從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場，因而功率因數(shù)較高。異步電動機(jī)卻必須靠電網(wǎng)提供的無功功率建立磁場，而且當(dāng)異步電動機(jī)負(fù)載下降時，只減少電流中的有功分量，無功分量卻幾乎不變，因此功率因數(shù)低并隨著負(fù)載快速下降?？梢姡吖β室驍?shù)是永磁同步電動機(jī)的一個突出的優(yōu)點。它有利于降低定子電流和繞組銅耗，提高效率，使永磁同步電動機(jī)擁有比異步電動機(jī)高得多的力能指標(biāo)。但也必須通過合理設(shè)計的永磁電動機(jī)，才能獲得較高的功率因數(shù)。1.5課題研究的主要內(nèi)容1?在dq坐標(biāo)系中建立永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流最大比的控制理論。在電勵磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)控制方法的基礎(chǔ)上，討論永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)問題。利用電機(jī)的矢量圖，分析影響永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的因素。通.過仿真分析永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)與電源和永磁體之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩電流最大比控制系統(tǒng)⑻中永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的仿真分析。建立轉(zhuǎn)矩電流最大比控制仿真模型［4］，在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)的各參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，并著重分析了在不同情況下永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)。2永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)2.1永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的基本概念功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為 1，一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于 1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2同步電動機(jī)的功率特性同步電動機(jī)運行時，從電源吸收的電功率Pi,除一小部分消耗在電樞繞組外，其余部分都通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子。通過電磁作用傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，就是同步電動機(jī)的電磁功率Pem,再經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成輸出功率P2。同步電動機(jī)的功率方程為Pi=Pcu+PemPem=Re+P+P2J （2-1）式中Pcu定子銅耗Pfe鐵耗P 機(jī)械損耗忽略電樞電阻時，同步電動機(jī)的電磁功率為PemP1=3UI1COS （2-2）式中 電樞的功率因數(shù)角由此可知功角特性為：mE0U mu21 1Pem=0sin+mu——L—sin2xd 2xqxd（2-3）式（2-3）就是功角特性的表達(dá)式。式中第一項 Pe1= sin稱為基xdmU2 1 1本電磁功率；第二項Pe2= sin2稱為附加電磁功率。附加電磁功2xqxd率與勵磁無關(guān)，且僅當(dāng)XdXq(即交、直軸磁阻互不相等)時才存在，故也稱為磁阻功率。2.3影響功率因數(shù)的因素影響永磁同步電機(jī)功率因數(shù)的原因永磁同步電動機(jī)運行是靠定子線圈在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上磁鋼間的相互吸引，使轉(zhuǎn)子與定子氣隙磁場同步旋轉(zhuǎn)而做功。其轉(zhuǎn)子等效為電阻電路，故功率因數(shù)高。因無勵磁電流，其空載損耗小。電動機(jī)效率可達(dá) 96%左右,較三相異步電動機(jī)高。影響永磁同步電機(jī)功率因數(shù)的原因是電壓質(zhì)量(電壓幅值)和負(fù)載率。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于電動機(jī)的反電勢點時，永磁電機(jī)呈感性負(fù)載運行；反之，電動機(jī)呈容性負(fù)載運行。因此，電網(wǎng)電壓波動會造成電機(jī)的功率因數(shù)波動，補(bǔ)償困難。若電壓幅值與電動機(jī)反電勢點接近，偏差在吃％電壓范圍內(nèi)時，電機(jī)功率因數(shù)大于或等于0.9,否則，功率因數(shù)較低；另外，當(dāng)永磁同步電機(jī)的負(fù)載率低于25%時，電機(jī)功率因數(shù)也偏低。提高永磁電機(jī)功率因數(shù)的方法通過對各單井點功率因數(shù)低的原因分析，分別采取了以下方法進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實測負(fù)載率適當(dāng)調(diào)換電機(jī)，以保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載率。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，尤其是重載線路末端，電壓普遍偏低。穩(wěn)定單井電壓使其接近永磁同步電機(jī)的空載反電勢。當(dāng)運行電壓高于永磁電機(jī)的反電勢點時，可根據(jù)感性無功功率的大小，加電容補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)。⑸當(dāng)運行電壓低于永磁電機(jī)的反電勢點時，可調(diào)節(jié)變壓器分接開關(guān)，適當(dāng)提高二次電壓的幅值，使電機(jī)運行電壓在反電勢點附近，提高功率因數(shù)。(6)對于重負(fù)荷長線路，調(diào)節(jié)變壓器分接開關(guān)后，變壓器二次電壓幅值仍低于永磁電機(jī)反電勢點時，可更換永磁同步電機(jī)，采用電容柜補(bǔ)償。2.4永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)分析電源與功率因數(shù)的仿真分析在額定負(fù)載時，在電機(jī)的勵磁不變情況下，改變定子供電電壓時，通過仿真記錄多組數(shù)據(jù)，最終繪出電流幅值和功率因數(shù)角隨電壓變化的波形如圖 2-1所示。圖2-1電源與功率因數(shù)的仿真分析曲線圖中仿真曲線表明在Pem不變的情況下，隨著電壓U的增大，定子電流先減小然后增大，相位由容性變?yōu)楦行?。對于永磁同步電動機(jī)，勵磁是恒定的，但是調(diào)整外部電壓U相當(dāng)于調(diào)整勵磁電流If，U=f(la)。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載不變時，減小電樞電壓，為了保持平衡，繞組就會相應(yīng)產(chǎn)生較小的氣隙感應(yīng)電勢，由于電樞反應(yīng)，氣隙合成磁場就應(yīng)減小，又因為勵磁磁鏈不變，所以此時電樞電流應(yīng)該具有去磁的作用，即應(yīng)超前于電壓，電流呈容性，功率因數(shù)角為負(fù)值。當(dāng)增大電壓時，情況與之相反。由上可知，可以通過控制電機(jī)電源來達(dá)到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的。對于永磁同步電動機(jī)我們可以通過控制定子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)綜合磁場的效果，從而實現(xiàn)對電機(jī)功率因數(shù)的控制。242勵磁與功率因數(shù)的仿真分析永磁同步電動機(jī)的勵磁狀況對電機(jī)的性能有很大的影響，為了直觀的了解永磁體的強(qiáng)度對電機(jī)的影響，在永磁同步電動機(jī)帶額定負(fù)載、正弦電壓供電時，進(jìn)行仿真分析，可以得到相電流幅值和功率因數(shù)角與磁鏈的關(guān)系曲線， 如圖2-2所示圖2-2勵磁與功率因數(shù)的仿真分析由上述波形可知，正常勵磁時，電機(jī)的功率因數(shù)角為 0,即功率因數(shù)為1,定子電流幅值最??；在電流為感性的情況下，隨著勵磁的增大，定子相電流幅值減小，功率因數(shù)角減小，即功率因數(shù)增大；容性電流時，隨著勵磁增強(qiáng)，功率因數(shù)減小。所以在電機(jī)設(shè)計時，恰當(dāng)?shù)剡x擇永磁體對永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)是有很大的影響的。3永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制理論3.1永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型在以下條件下建立d-q坐標(biāo)系下的PMSM的數(shù)學(xué)模型：（1） 忽略磁路中鐵心的磁飽和；（2） 不計鐵心的渦流損耗與磁滯損耗；（3） 定子電樞繞組的空載電勢是正弦波；定子電壓方程：Udrsidpd rq（3-1）Uqrsiqpq rd（3-2）磁鏈方程：d Ldidf（3-3）qLqiq（3-4）電磁轉(zhuǎn)矩方程：3(Te評djq qid)= 訊fiq(LdLq)idjq（3-5）上述式中，Rs為定子繞組相電阻，d和q是定子磁鏈d軸和q軸上的分量,uq和ud是定子電壓d軸和q軸上的分量，Ld和Lq分別是d軸和q軸電感，r是轉(zhuǎn)子電角速度，f是永磁磁極產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈，P為電動機(jī)極對數(shù)。PMSM的狀態(tài)方程：PjdPjqRsLdr|drLqLdidRiqLqUdLdUqrfLq（3-6）Lq式中P為微分算子。對于PMSM來說，定義坐標(biāo)系的軸與定子A相繞組重合,軸比軸超前90度，因為軸固定在A相軸線上，因此 坐標(biāo)系為靜止坐標(biāo)系。定義

dq坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子主磁極軸線重合，q軸超前d軸90度，并且d軸與A相軸線夾角為，dq坐標(biāo)系以電角速度「一起旋轉(zhuǎn)，因此稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖3-1所示。圖3-1 /dq/abc坐標(biāo)變換圖在圖3-1中，三相靜止坐標(biāo)系下，三相電流可以為:在恒定轉(zhuǎn)速下，1i在恒定轉(zhuǎn)速下，1ia IcOS12ib1cos(1 3)2ic>cos(1 3)t，合成磁場與d軸的夾角(3-7)采用3變換，靜止坐標(biāo)系與abc的關(guān)系為：■3o12仝■3o12仝2iaibic(3-8)iaiiaibic02_3 i2 i山采用|變換，abc坐標(biāo)系與的變換關(guān)系為:(3-9)采用abc/dq變換，有:

id

iq2cossincos(sin(cos(sin(iaib(3-10id

iq2cossincos(sin(cos(sin(iaib(3-10)ic采用dq/abc變換，有:ibcoscos(cos(sinsin(sin(id3)iq(3-11)3.2永磁同步電動機(jī)的控制策略PMSM的高性能控制策略⑹主要有以下幾種：（1） 變壓變頻控制控制變量為電機(jī)的外部變量，即電壓和頻率。這種控制方法的突出優(yōu)點是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制，控制電路簡單。該控制系統(tǒng)的特點是易實現(xiàn)、價格低廉，比恒定控制方式通用性強(qiáng)，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。但是，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置或其它任何反饋信號，因此不能實時獲得電機(jī)的工作狀態(tài)，無法精確控制從而得出最佳的電磁轉(zhuǎn)矩。（2） 矢量控制由于矢量控制理論⑹需要坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換、矢量運算以及高速的數(shù)字信號處理器，所以在最初幾年里，該理論一直無法實得到證實，直到 1979年，日本首次將該技術(shù)用于異步電機(jī)驅(qū)動造紙機(jī)，僅過一年，日本又將該技術(shù)首次引入永磁同步電機(jī)驅(qū)動軋鋼機(jī)。矢量控制的核心思想是參照直流電機(jī)的控制策略， 將電機(jī)三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換，形成以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。磁場定向矢量控制的優(yōu)點是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時可實現(xiàn)全負(fù)載。矢量控制的優(yōu)點是具有精確的速度控制和良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并可實現(xiàn)零速全負(fù)載控制，具有類似于直流電機(jī)的工作特性。矢量控制的前提是獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置，通常通過安裝絕對編碼器等轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子磁場的準(zhǔn)確位置。由于矢量控制要經(jīng)過坐標(biāo)變換， 對電機(jī)參數(shù)的變化敏感、運算量大,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，使得矢量控制的快速性受到 。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制[10]矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制 ［9］。其控制思想是通過對定子磁鏈定向，實現(xiàn)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制 ［11］。（4） 轉(zhuǎn)矩電流最大比控制在交流伺服的各種控制方法中，控制定子電流 d軸電流矢量為零的磁場定向方法應(yīng)用最為普遍。但是，完全采用jd0的控制方法在某些情況下并不是最佳的［12］。因此，永磁同步電動機(jī)也采用最大轉(zhuǎn)矩控制及其他特殊控制方法。采用轉(zhuǎn)矩電流最大比控制嵌入式永磁同步電動機(jī)是可能的。在輸出同樣轉(zhuǎn)矩時的銅損耗減小。在這種情況下，系統(tǒng)對逆變器額定功率的要求降低，即可以優(yōu)化逆變器的利用效率。（5） 功率因數(shù)控制上面我們已經(jīng)討論了比較常用的矢量控制和轉(zhuǎn)矩電流最大比控制，無論是哪種控制方法都是優(yōu)缺點并存的。如果我們能夠在調(diào)速系統(tǒng)中同時實現(xiàn)對電機(jī)功率因數(shù)的控制［13］，那么就可以保證永磁同步電動機(jī)具有良好的功率因數(shù)特性。功率因數(shù)為1時永磁同步電動機(jī)就不會對電網(wǎng)造成污染，而且還可以使逆變器的容量得到充分利用。同樣如果調(diào)節(jié)功率因數(shù)超前或滯后就可以像電勵磁同步電動機(jī)那樣對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。本文下面將專門研究永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)問題，在討論電勵磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，分析永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)的相關(guān)問題，并且針對廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)分析永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)特性，最后建立仿真模型控制電機(jī)的功率因數(shù)。3.3永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以PMSM為執(zhí)行元件構(gòu)成的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)因其良好的性能， 自誕生以來，伴隨著相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展，如永磁材料、電力電子器件、微處理器、傳感器和變頻調(diào)速控制策略等，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并日漸成為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主流［14］，尤其在高性能要求的中小功率的伺服領(lǐng)域更是具有一取傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)的趨勢。從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點和PMSM伺服系統(tǒng)自身技術(shù)的發(fā)展來看，今后，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要有以下幾個方面 ：（1） 全數(shù)字化隨著高性能專用數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，使得在電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論（如人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)控制等）成為可能。實施全數(shù)字化電機(jī)控制系統(tǒng)，將原來的硬件控制變成了軟控制，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的柔韌性，降低了成本，，使得系統(tǒng)的控制精度和可靠性大大增強(qiáng)。（2） 高度集成化微電子技術(shù)的發(fā)展，CPLD、FPGA等大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膽?yīng)用，使得控制電路設(shè)計更加靈活，速度響應(yīng)更加快捷，硬件電路設(shè)計更易實現(xiàn)一體化，制系統(tǒng)的集成度更高，電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝和調(diào)試等工作更加靈活。智能化智能化是目前電機(jī)控制系統(tǒng)及工業(yè)設(shè)備所追求的實現(xiàn)目標(biāo)。智能化主要表現(xiàn)在設(shè)備不僅要有參數(shù)設(shè)置、參數(shù)記憶以及與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等功能，而且還具備一定的故障自診斷與分析功能，高檔一些的智能化設(shè)備還具有參數(shù)自整定功能?？刂葡到y(tǒng)智能化的實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了系統(tǒng)維修與調(diào)試的復(fù)雜性。模塊化和網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)及各類現(xiàn)場總線的應(yīng)用是工廠自動化工程技術(shù)的發(fā)展趨勢，各類控制器的模塊化是實現(xiàn)該控制方法的基礎(chǔ)。電機(jī)控制器 [15]作為工廠使用最為廣泛的控制單元，其模塊化的實施，不僅增強(qiáng)了電機(jī)控制單元與其它控制設(shè)備(如PLC等)的互聯(lián)能力，而且使得工廠網(wǎng)絡(luò)化的實施成為可能。當(dāng)前為進(jìn)一步提高永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，必須更深入的研究和探索幾個待解決的影響其性能的“瓶頸”問題：1、 發(fā)展高性能永磁材料及其加工技術(shù)，改進(jìn)PMSM結(jié)構(gòu)以克服PMSM在使用過程中的“退磁”問題和克服其存在齒槽轉(zhuǎn)矩對其轉(zhuǎn)矩波動尤其是低速時轉(zhuǎn)矩波動的影響。2、 改進(jìn)逆變器(含驅(qū)動電路)性能一克服其存在功率開關(guān)關(guān)斷延時對其電流跟蹤速度減慢和造成注入PMSM定子電流含有諧波成分從而使其存在轉(zhuǎn)矩脈動的影響；同時發(fā)展高精度的速度及位置檢測器件和實現(xiàn)無傳感器檢測一克服因檢測誤差對控制器調(diào)節(jié)性能的影響。3、 采用先進(jìn)控制策略一提高控制器性能尤其是其智能水平和自適應(yīng)能力以克服包含驅(qū)動器、PMSM及負(fù)載在內(nèi)的“廣義被控對象”的不確定性因素對系統(tǒng)性能造成的影響和彌補(bǔ)系統(tǒng)以“硬件形式”構(gòu)成的部件“缺陷性”。4轉(zhuǎn)矩電流最大比控制系統(tǒng)的功率因數(shù)仿真分析4.1轉(zhuǎn)矩電流最大比控制理論永磁同步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、功率因數(shù)高等優(yōu)越性能，由其組成的高性能驅(qū)動系統(tǒng)近年來受到了廣泛的關(guān)注。對于凸極永磁同步電動機(jī)LdLq，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，通過控制定子電流相位角可以控制定子電流在直軸與交軸上的分量。當(dāng)定子電流一定時，存在一個電流相位角使輸出轉(zhuǎn)矩值最大，這種控制方法可以得到最大轉(zhuǎn)矩電流比。 基于此種最大電流比控制方法，建立高性能的三電平PMSM最大轉(zhuǎn)矩電流比控制系統(tǒng)，對最大轉(zhuǎn)矩電流比控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。與傳統(tǒng)的jd=0控制在輸出轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、動態(tài)性能、算法復(fù)雜程度、對參數(shù)的魯棒性等方面進(jìn)行比較，從而闡述了其優(yōu)缺點，為永磁同步電動機(jī)控制方法選擇提供依據(jù)。經(jīng)過理論分析及仿真得出：最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的動態(tài)性能優(yōu)于 jd0控制；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩相同的情況下與jd0控制相比定子電流小，電動機(jī)銅耗小，功率因數(shù)高。所以高轉(zhuǎn)矩、大容量場合宜采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制中，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢的效果為去磁效應(yīng)，這種去磁效應(yīng)可以用來實現(xiàn)弱磁調(diào)速。但隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大功角會迅速拉大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制算法復(fù)雜，且對電機(jī)參數(shù)魯棒性不高。id0控制算法簡單、魯棒性高［佝。4.2轉(zhuǎn)矩電流最大比控制原理所謂轉(zhuǎn)矩電流最大比控制，又稱為定子電流最小控制，是指在轉(zhuǎn)矩給定的情況下，最優(yōu)配置交直軸電流分量，使定子電流最小，即單位電流下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制可以減小電機(jī)銅耗，提高運行效率，從而是整個系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。此外，由于逆變器所輸出的電流較小，對逆變器的容量要求可相對降低。上面已經(jīng)在第三章中介紹了泳池同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，即電磁轉(zhuǎn)矩方程:TeTe|P(djq|P[fiqqid)LLq)idiq可以看出凸極式永磁同步電動機(jī)，由于其交軸電感大于直軸電感，米用轉(zhuǎn)矩電流最大比控制時其直軸電流分量小于零，換句話說，是通過利用直軸電流的去磁作用來實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的。因此，實際使用時必須注意對直軸電流分量的控制，要考慮磁飽和影響和功角特性的影響。4.3轉(zhuǎn)矩電流最大比仿真與功率因數(shù)分析無論我們采用哪種控制方式，最終都是為了實現(xiàn)電機(jī)運行具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速［20］，轉(zhuǎn)矩脈動小，系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性［17］。在轉(zhuǎn)矩電流最大比控制方法中，我們?nèi)匀灰獙﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。在控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速給定信號與反饋轉(zhuǎn)速經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器運算給出電磁轉(zhuǎn)矩給定信號，電磁轉(zhuǎn)矩給定信號與實際值再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)輸出定子電流矢量幅值的給定值。有了定子電流矢量的幅值之后就可以計算出Y從而可以是計算出在此中情況下定子電流的直軸分量和交軸分量給定值。然后通過dq到abc的坐標(biāo)變換計算得到定子三相電流的給定值。定子三相電流給定值與反饋值經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器輸出 PWM調(diào)制波控制逆變器的工作狀態(tài)。下面將采用電流滯環(huán)PWM方式來建立仿真模型，在不同的條件下進(jìn)行仿真，并且詳細(xì)分析控制系統(tǒng)的性能以及電機(jī)的功率因數(shù)。電流滯環(huán)控制方式的仿真與功率因數(shù)分析電流環(huán)采用滯環(huán)控制時，在SIMULINK中建立的仿真模型如上圖4-1所圖4-1滯環(huán)控制方式模型模型中有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速給定值與反饋值經(jīng)過 ASR的PI調(diào)節(jié)，并加以限幅輸出電磁轉(zhuǎn)矩的給定值，然后與反饋電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)后輸出定子電流矢量的給定幅值 Is。CACULATE模塊是一個封裝子系統(tǒng)，它實現(xiàn)了根據(jù)定子電流幅值計算定子電流相對于交軸的相位角 丫的運算。直軸電流和交軸電流給定值可以由定子電流矢量和 丫來確定，關(guān)系如下式所示：IdIsSin|qIsCOS (4-1)直軸電流和交軸電流的給定值經(jīng)過坐標(biāo)變換模塊得到定子三相電流的給定值，它們與反饋得到的實際值經(jīng)過滯環(huán)環(huán)節(jié)輸出 PWM波控制逆變器，最終輸出永磁同步電動機(jī)所需的三相電壓。在采用電流滯環(huán)控制方法時，定子流給定值與反饋值經(jīng)過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出開關(guān)信號控制逆變器的工作。設(shè)定滯環(huán)比較器的環(huán)寬h，調(diào)節(jié)h就可以控制逆變器的開關(guān)頻率， h越小開關(guān)頻率越高，定子電流的脈動就越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會越高。圖 4-1中最后一個模塊是永磁同步電動機(jī)的封裝形式，電機(jī)的輸入信號有負(fù)載轉(zhuǎn)矩和來自逆變器的三相電源，輸出參數(shù)可以根據(jù)需要來選擇，必須要有實現(xiàn)閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流以及轉(zhuǎn)子位置的電角度信號以實現(xiàn)坐標(biāo)變換。額定工作狀態(tài)下的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)采用凸極性明顯的電機(jī)進(jìn)行仿真，先分析在額定轉(zhuǎn)速 1500rpm、額定負(fù)載為5N?m的情況下控制系統(tǒng)的控制性能以及電機(jī)的功率因數(shù)。本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器均采用PI算法，在調(diào)試過程中，我們將不同PI參數(shù)下的仿真波形加以對比可知，超出系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍時，PI參數(shù)增大都會造成振蕩次數(shù)增多，過渡過程加長，如圖4-2所示。在圖4-2中電磁轉(zhuǎn)矩的波動過程很長，而且剛性很強(qiáng)，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速在起動過程中的超調(diào)量很大，而且振蕩過程也很長。通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化PI參數(shù)，在上述仿真系統(tǒng)中，當(dāng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500rpm時，仿真結(jié)果如圖4-3所示。圖4-3中，系統(tǒng)能夠快速的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，振蕩過程縮短了，閉環(huán)控制效果很好。(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m)(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)圖4-2(a)電磁轉(zhuǎn)矩 圖4-2(b)轉(zhuǎn)速(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m) (橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)圖4-3(a)電磁轉(zhuǎn)矩 圖4-3(b)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)帶額定負(fù)載時，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行仿真分析得到波形如下圖4-4所示。(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-4(a)A相電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電壓V)圖4-4(b)A相電壓(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-4(c)直軸與交軸電流直軸電流為-2.7A，交軸電流為9.3A。因為直軸電流分量為負(fù)值，所以定子電流矢量超前于交軸，由此可以判斷定子電流矢量超前于交軸的角度為arctg(|id/iq|)= 16.2。這與仿真系統(tǒng)中CACULATE模塊根據(jù)式(5-2)輸出的仿真結(jié)果是一致的。在上述分析的基礎(chǔ)上，永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)角度如下圖 4-5所示，電機(jī)的功率因數(shù)角度穩(wěn)態(tài)時約為 1.7，比矢量控制系統(tǒng)中電機(jī)的功率因數(shù)高得(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：角度度)圖4-5(d)功率因數(shù)角變負(fù)載時的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm,負(fù)載為10N?m時，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行仿真分析得?>(q)94?(e)9—寸?(Ed」?>-B鄭蓋萬叵起->部鰹)(EJN衆(zhòng)>-B鄭蓋萬叵起->部鰹)茨更94(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-6(c)A相電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電壓V)

圖4-6(d)A相電壓（橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A）圖4-6（e）直軸和交軸電流在帶10N?m負(fù)載的情況下穩(wěn)定運行，仿真分析電機(jī)功率因數(shù)角度如下圖4-7所示。電機(jī)穩(wěn)定運行后，電機(jī)的功率因數(shù)角度為 3.1。可見在負(fù)載增大的過程中，對應(yīng)于內(nèi)功率因數(shù)角的 丫值增大，電機(jī)輸出功率增大。電機(jī)的功率因數(shù)角度有所增大。（橫坐標(biāo)：時間S,縱坐標(biāo)：角度度）

圖4-7負(fù)載為10N?m時功率因數(shù)波形時的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析在給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm時，電機(jī)負(fù)載在0.1s時由5N?m升高到10N?m時，控制系統(tǒng)的仿真波形如圖4-8所示。(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m)

圖4-8(a)電磁轉(zhuǎn)矩橫坐標(biāo)：時間s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)圖4-8(b)轉(zhuǎn)速(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-8(c)A相電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電壓V)圖4-8(d)A相電壓(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-8(e)直軸和交軸電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：角度度)圖4-8(f)3000rpm時功率因數(shù)仿真分析在3000rpm時，電源頻率為100Hz。當(dāng)負(fù)載增大瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會有所下降，閉環(huán)控制的作用就是使電磁轉(zhuǎn)矩迅速跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速下運行。在負(fù)載變化過程中，電機(jī)參數(shù)的變化情況是這樣的，交軸電流由9.3A增大到18.3A，直軸電流由-2.75A減小到-8.75A，功率因數(shù)角度由1.93到3.55。在電機(jī)運行在3000rpm時的功率因數(shù)明顯比矢量控制系統(tǒng)中要高很多。低轉(zhuǎn)速下的仿真實現(xiàn)與功率因數(shù)分析當(dāng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為750rpm時，控制系統(tǒng)的仿真波形如圖4-9所示。(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m)

圖4-9(a)電磁轉(zhuǎn)矩(橫坐標(biāo)：時間s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)

圖4-9(b)轉(zhuǎn)速(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-9(c)定子電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電壓V)

圖4-9(d)A相電壓(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖4-9(e)直軸與交軸電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：角度度)圖4-9(f)功率因數(shù)角直軸電流由-2.7A變?yōu)?8.75A，交軸電流由9.3A變?yōu)?8.3A，仿真得到的功率因數(shù)角度由1.5變?yōu)?.5。這樣電機(jī)功率因數(shù)降低，要求逆變器的輸出電壓增大。調(diào)速系統(tǒng)必須保證電機(jī)所需電源在逆變器能夠輸出的最大容量范圍內(nèi)此種控制系統(tǒng)中，電機(jī)的功率因數(shù)都比同種運行條件下矢量控制系統(tǒng)中電機(jī)的功率因數(shù)要高得多，這一點上，它是優(yōu)于傳統(tǒng)的矢量控制的。5功率因數(shù)的仿真分析5.1功率因數(shù)的控制原理功率因數(shù)是電動機(jī)運行的重要參數(shù)，在額定工作情況下運行時，電動機(jī)的功率因數(shù)一般都在0.85以上（10KW以下的低速電機(jī)稍低）。永磁同步電動機(jī)由于沒有勵磁繞組和勵磁裝置，不消耗勵磁功率，對磁極設(shè)在轉(zhuǎn)子的電機(jī)還可以省去滑環(huán)和電刷。與電勵磁電機(jī)相比， 永磁同步電動機(jī)具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等突出優(yōu)點，因此獲得廣泛的應(yīng)用。永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)矩電流最大比控制中，在負(fù)載增大時功率因數(shù)要降低 [18]，因此我們利用永磁同步電動機(jī)在dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，建立永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)控制的仿真模型。調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)電勵磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)，但是永磁同步電動機(jī)的勵磁是不可調(diào)節(jié)的，不能采用電勵磁同步電動機(jī)的控制方法，因此通過控制定子電流來實現(xiàn)功率因數(shù)控制的方法。功率因數(shù)控制原理如圖 5-1所示。5.2功率因數(shù)的仿真分析給定功率因數(shù)角為0的仿真分析給定功率因數(shù)角度為0時仿真結(jié)果如圖5-2所示。（橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m）

圖5-2（a）電磁轉(zhuǎn)矩(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)

圖5-2(b)轉(zhuǎn)速(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)

圖5-2(c)A相電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電壓V)圖5-2(d)A相電壓40 r 1 1 TOC\o"1-5"\h\z? 1■ m■]' ? >1nl ； B d卻 : : 0 0.05 0.1 015 02橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)圖5-2(e)直交軸電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：角度度)

圖5-2(f)功率因數(shù)角度由上述波形可知，在額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)帶負(fù)載為 5N?m時，控制系統(tǒng)能夠使電機(jī)在給定功率因數(shù)下穩(wěn)定運行。由圖可知，在 0.04s控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，電機(jī)的功率因數(shù)角度由矢量控制階段12.8度逐漸達(dá)到給定的功率因數(shù)角度為0度的狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差小。在此過程中，定子直軸電流分量由零變?yōu)樨?fù)值，從矢量圖上來理解，就是說定子電流矢量由原來位于交軸上變?yōu)槌坝诮惠S，并且達(dá)到與定子電壓矢量重合。其他功率因數(shù)下的仿真分析給定電機(jī)功率因數(shù)角度為30時，仿真結(jié)果如圖5-3所示。(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)矩N?m)

圖5-3(a)電磁轉(zhuǎn)矩(橫坐標(biāo)：時間s，縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速rpm)

圖5-3(b)轉(zhuǎn)速(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：電流A)圖5-3(c)直交軸電流(橫坐標(biāo)：時間s,縱坐標(biāo)：角度度)圖5-3(d