调速高效永磁同步电动机及其驱动系统的研究

论文摘要

在国家“十五”科技攻关计划“稀土永磁材料在高性能电机应用的共性关键技术”及辽宁省科学技术计划“高性能钕铁硼永磁电机的研制”的资助下，本文对中型调速高效永磁同步电动机及其驱动系统进行了系统、深入的研究。本文的内容可分为以下几个部分：首先，通过分析通用变频器驱动永磁同步电动机开环运行时出现的各种问题及其原因，采取相应的改进措施：在通用变频器方面合理增加电抗器来提高系统的功率因数；通过仿真设定适合泵类负载的U/f曲线以保证整个运行范围内变频器和电动机的匹配。实际应用结果表明所采取的措施有一定实用价值。其次，针对泵类负载的运行特点，为满足调速高效PMSM系统效率优化的要求，提出新的效率优化控制策略，其核心是动态过程中损耗模型算法和稳态过程中模糊逻辑变步长梯度搜索算法的结合；开发了基于TMS320LF2407A DSP的调速高效PMSM效率优化控制系统，给出了逆变器硬件和软件设计方案；对调速高效PMSM控制系统进行了整体性能试验，试验结果表明系统运行可靠，整体效率有明显提高。再次，在实现专用驱动系统时，对驱动系统的速度控制器和定子电流滞环控制器进行了优化，提出一种基于SVPWM和电流滞环控制的脉宽调制算法；开发了基于DSP和CPLD的调速高效PMSM数字化控制逆变器，给出了硬件和软件设计方案；对PMSM样机及逆变器与通用变频器进行了性能对比实验，前者系统性能有较大改善。第四，给出了泵类负载下调速高效PMSM性能参数设计指标和电磁设计特点；应用三维电磁场分析了不同转子结构和电机尺寸对电动机性能参数的影响，确定了调速高效PMSM转子磁路结构；给出提高系统功率因数和效率在电动机设计方面所采取的措施。研究了调速高效PMSM的场路结合设计方法，对样机进行优化设计。第五，鉴于所设计调速高效永磁同步电动机在通风系统方面的改造，本文对改造后永磁同步电动机的通风结构进行研究。首先应用流体场分析几种方案的优缺点；然后应用有限元数值计算方法对转子上轴向通风孔的位置进行了设计；最后应用三维温度场对电机的温度场进行校核。最后，在上述研究工作基础上，研究开发了三台调速高效PMSM样机，并对样机进行了全面的性能试验测试和节能效益分析。结果表明样机性能达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状和趋势
• 1.2.1 高效永磁同步电动机的发展现状
• 1.2.2 永磁同步电动机控制策略的现状和水平
• 1.2.3 永磁同步电动机驱动系统效率优化技术
• 1.2.4 定子电流波形控制的研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 通用变频器的问题及改善其性能的措施
• 2.1 通用变频器驱动永磁同步电动机的问题及原因
• 2.1.1 通用变频器输出SPWM正弦脉宽调制电压
• 2.1.2 永磁同步电动机反电动势波形非正弦
• 2.1.3 通用变频器U/f曲线设置的限制
• 2.2 通用变频器两侧功率因数的提高措施
• 2.2.1 交流电抗器的谐波抑制作用
• 2.2.2 直流电抗器的谐波抑制作用
• 2.2.3 谐波抑制测试结果
• 2.3 变频器U/f曲线的设定
• 2.4 本章小结
• 第三章 调速高效永磁同步电动机效率优化研究
• 3.1 泵类负载效率优化策略的研究
• 3.1.1 动态过程中的效率优化策略
• 3.1.2 稳态过程中的效率优化策略
• 3.2 效率优化系统的实现
• 3.2.1 硬件与软件设计
• 3.2.2 效率优化实测结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 调速高效永磁同步电动机专用控制系统的研究
• 4.1 调速高效PMSM系统PI速度控制器设计
• 4.2 基于 SVPWM的电流滞环控制器设计
• 4.3 PMSM控制系统的设计实现
• 4.3.1 控制系统硬件结构
• 4.3.2 PMSM控制系统软件设计
• 4.4 调速高效永磁同步电动机专用控制器性能测试
• 4.4.1 两种调制方式系统谐波对比分析
• 4.4.2 专用控制系统整体性能试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 调速高效永磁同步电动机的电磁设计
• 5.1 调速高效永磁同步电动机设计指标和电磁设计难点
• 5.2 调速高效PMSM参数的电磁场分析
• 5.2.1 两种内置式转子结构
• 5.2.2 永磁同步电动机漏磁系数的计算
• 5.2.3 两种磁路结构电枢反应电抗参数分析
• 5.3 提高电动机功率因数的措施
• 0与功率因数的关系'>5.3.1 空载损耗和反电动势E₀与功率因数的关系
• 5.3.2 交、直轴电抗和凸极率对功率因数的影响
• 5.3.3 气隙长度对功率因数的影响
• 5.4 电动机效率的提高措施
• 5.5 永磁同步电动机的电磁设计
• 5.5.1 空载永磁磁链和交直轴电抗的设计
• 5.5.2 定、转子槽尺寸对电机性能的影响
• 5.5.3 永磁材料的选择和永磁体尺寸的确定
• 5.5.4 磁路结构的选用原则
• 5.6 本章小结
• 第六章 调速高效永磁同步电动机通风系统设计
• 6.1 永磁电动机在通风系统方面设计的难点
• 6.2 几种通风方案的比较
• 6.2.1 具体的风扇方案
• 6.2.2 通风结构的流体场有限元分析
• 6.3 通风孔的位置对电机磁场的影响
• 6.4 温度场三维有限元分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 样机的研制及测试结果
• 7.1 中型变频调速高效PMSM样机的研制
• 7.2 样机性能测试结果
• 7.2.1 样机空载试验
• 7.2.2 样机负载性能试验
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢