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《华中科技大学》 2010年
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多相永磁电机的理论分析及其控制研究

王晋  
【摘要】:多相永磁电机兼具多相电机和永磁电机的双重优点,在大功率电气传动领域的应用具有显著优势,应用前景良好。多相永磁电机及其调速系统是典型的学科交叉与融合的产物,已逐渐成为电机学科一个新的发展方向,受到国内外学术界广泛关注。深入研究多相永磁电机的基础理论和控制策略,对促进电机学科的发展具有重要意义。本文主要以多相永磁电机为研究对象,对多相绕组的磁动势进行了谐波分析和比较,分析了不同反电势和相电流波形对多相永磁电机电磁转矩的影响,研究了齿槽转矩及其削弱方法,探讨了多相永磁电机的精确数学建模和仿真建模方法,并对多相永磁电机调速系统方案和新型控制策略进行了探索。 利用绕组函数法,推导出了对称和不对称多相绕组磁动势的解析表达式,详细计算分析了不同相数的多相电机定子绕组磁动势谐波波谱。提出了绕组磁动势谐波的品质因数和可利用率概念,并将其作为对多相电机绕组磁动势谐波进行分析比较的准则。从绕组磁动势谐波的角度看,九相永磁电机样机采用对称九相绕组,在谐波电流注入模式下,具有最优的转矩性能,与利用解析法对比分析各种反电势和相电流波形组合产生的电磁转矩的结论一致。 针对内置式多相永磁电机,提出了一种改进的不等宽磁极组合法,通过将转子沿轴向分成具有不等宽磁极的若干段,能够在保持转子结构对称的情况下,大幅削弱齿槽转矩,该方法便于加工,且受磁极宽度误差的影响较低。 将基于有限元分析的相变量数学建模方法应用于多相永磁电机,对比分析了基于S函数和基于电路模块的两种仿真建模方法的优缺点,提出了一种改进的基于电路模块的仿真建模方法,利用样条函数和样条插值对采用有限元分析获得的数据进行预处理,建立仿真所需参数的查找表,在保证仿真精度的同时提高了仿真效率。 结合九相永磁电机样机的特点,采用对称分布的三个星接三相绕组单元结构,不考虑各绕组单元之间的互感耦合,将九相永磁电机的控制简化为对三台独立的非正弦波三相永磁电机分别进行控制。针对三相永磁电机,提出了一种新的最优参考电流控制方法,并通过有限元仿真验证了其准确性。该方法以瞬时功率理论为基础,可以在电感和空载磁链等随转子位置变化的参数已知的情况下,根据电磁转矩给定值,直接计算出最优参考电流随转子位置变化的波形。理论上,采用最优参考电流驱动永磁电机,能够获得最大转矩电流比,并且无任何转矩波动。该方法主要是在参考电流发生器环节实现三相永磁电机的转矩优化控制,适用于包括凸极式或隐极式、正弦波或非正弦等在内的任意类型三相永磁电机。 传统基于Park变换的矢量控制策略,一般将同步旋转坐标系的d轴定向于转子直轴,采用d轴电流等于零的控制方式虽然可实现近似解耦控制,但只能对正弦基波电流实现无差跟踪,且未有效利用磁阻转矩。针对非正弦波三相永磁电机,提出了一种基于广义同步旋转坐标变换的新型矢量控制策略。将广义同步旋转坐标系(简称D-Q坐标系)的Q轴定向在机电能量转换反电势矢量上,通过控制D轴电流恒为零,即可获得最大转矩电流比,’从而可以实现具有任意波形反电势的三相永磁电机的矢量控制。该方法可以涵盖传统正弦波永磁电机的矢量控制策略。精确仿真结果表明,新型矢量控制策略应用于非正弦波三相永磁电机,具有与传统矢量控制应用于正弦波永磁电机相媲美的控制性能。最后,将该新型矢量控制策略应用于九相永磁电机调速控制系统,通过仿真分析验证了其可行性。
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