PMSM变频调速仿真小总结

目录

一、仿真软件简介

（一）MATLAB

（二）Simulink

二、永磁同步电动机

（一）永磁同步电动机的结构与发展

（二）永磁同步电动机的数学模型

(三)永磁同步电动机变压变频调速的原理。

（四）永磁同步电动机变频起动过程分析参考文献

一、仿真软件简介

（一）MATLAB

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，由主包、Simulink和工具箱组成。它以复数矩阵作为基本计算单元，其特点为功能强大（具有数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等功能）、界面友善（MATLAB以复数处理作为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近）、开放性强，目前已成为国际公认的最优秀的科技软件之一。

MATLAB在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。与FORTRAN，PASCALC，和C++等语言比较，利用MATLAB编程要简单的多。

MATLAB的内部函数库提供了相当丰富的函数，这些函数可以解决许多基本问题，除此之外，MATLAB还有各种工具箱：

MATLAB主工具箱

符号数学工具箱

Simulink仿真工具箱

控制系统工具箱

信号处理工具箱

图象处理工具箱

通讯工具箱

系统辨识工具箱

神经元网络工具箱

金融工具箱

MATLAB是重要的电气仿真软件，其功能十分强大，可以应用于电力电子、电力拖动控制系统、电力系统等课程中实际问题的仿真。

（二）Simulink

Simulink是The MathWorks公司开发的用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具，是MATLAB最重要的组件之一。

Simulink提供了基于MATLAB核心的数据、图形、编程功能的一个块状图界面，即提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，可通过块与块的联线和属性设置，对各种时变系统，例如通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统等，进行模型的设计、仿真、执行，并对模型进行分析和测试，从而被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真。

同时，Simulink提供了功能强大的工具可用于信号处理和通讯系统的开发，这些工具目前被广泛的应用于电子、通讯、航空航天、国防、医学医药以及其它的工业领域。

Simulink的特点有：

(1)建立动态的系统模型并进行仿真。Simulink是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，Simulink几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。

(2)以直观的方式建模。利用Simulink可视化的建模方式，可迅速地建立动态系统的框图模型。

(3)增添定制模块元件和用户代码。Simulink模块库是可制定的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块，并允许用户自己编写的C、FORTRAN、Ada代码直接植入Simulink模型中。

(4)快速、准确地进行设计模拟。Simulink的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真速度、准确地进行。

（5）分层次的表达复杂系统。Simulink的分级建模能力使得体积庞大、结构复杂的模型构建也简便易行。根据需要，各种模块可以组织成若干子系统。

（6）交互式的仿真分析。Simulink的示波器可以用动画和图像显示数据，运行中可调整模型参数进行What-if分析（假设分析，用于分析各种不确定性因素变化一定幅度时，对方案经济效果的影响程度），能够在仿真运算进行时监视仿真结果。这种交互式的特征可以帮助用户快速的评估不同的算

法，进行参数优化。

Simulink是重要的电气仿真软件，其功能十分强大，可用于电力电子、电力拖动控制系统、电力系统等课程中实际问题的仿真。

（1）电力系统仿真。MATLAB的“Simulink工具箱”里面有Sim Power System 模块，专门为电力系统提供各种仿真。特点就是操作简单，很多模型都有。如：

①利用积分器实现微分方程求解

②三相桥全控整流电路的仿真

③双环调速电流环调速系统仿真

（2）编程计算。用MATLAB编程计算进行算法设计，方便快速。

二、永磁同步电动机

由永磁体建立主磁极磁场的同步电动机称为永磁同步电动机（Permanent magnet synchronous motor，简称PMSM）。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机具有一系列优点。采用永磁磁极代替电励磁的主磁极铁心和励磁绕组后，电动机的磁极结构变得简单，减少了加工、装配费用；采用永磁磁极后，不再需要电刷和滑环，使电动机运行的可靠性显著提高；由于省去了励磁绕组，也就不存在励磁损耗，因此提高了电动机的效率[1]。

永磁同步电动机的优点：

（1）起动牵引力大；

（2）本身的功率效率高，功率密度大，以及功率因数高；

（3）直驱系统控制性能好；

（4）发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小；

（5）允许的过载电流大，可靠性显著提高；

（6）在高速范围中电机噪声明显降低；

（7）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；

（8）系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，面润滑油、免维护；

（9）内埋式交直轴电抗不同，产生结构转矩，弱磁性能好，表面贴装式弱磁性能较差；

（10）整个传动系统重量轻，单位重量的功率大；

（11）由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能10%以上[2]。

永磁同步电动机的不足主要体现在：

(1)电动机的造价较同容量的异步电动机高；

(2)弱磁能力低；

(3)转子励磁无法灵活控制；

(4)起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险；

(5)长时间运行定子绕组的电枢反应会引起永磁体失磁；

(6)永磁体所产生的磁势（或磁场）受环境温度等因素的影响而变化；

(7)他控式同步电机有失步和震荡的可能性。

(一）永磁同步电动机的结构与发展

1.永磁同步电动机的结构

永磁同步电动机仍然是由定子（电枢）、转子以及机壳等结构部件构成，如图1所示。与电励磁同步电动机在结构上的区别主要在于转子磁极采用了永磁结构，因此也就可以省去了滑环和电刷装置。

永磁同步电动机的定子（电枢）结构与电励磁同步电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。

转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料等。采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或采用钢板或硅钢片冲制后叠压而成。

2.永磁同步电动机的分类

永磁同步电动机可根据其永磁体的磁化方向，分为径向式、切向式和混合式三种类型。对于径向式磁极结构，永磁体常常做成瓦片形并贴附在转子铁心表面，因此常称为表面式结构。对于切向式和混合式结构，则需要将永磁体置入转子铁心内部，因此，也常称为内置式结构。

图2示出了两种常用的径向式（表面式）磁极结构。

（a）凸出式（b）凹入式

图2 径向式（表面式）磁极结构

1－永磁体2－转子铁心3－转轴

图2（a）的特点是永磁体凸出在转子铁心表面，其结构简单，制造成本较少，容易改善气隙磁场波形。采用这种磁极结构时，处于直轴上的磁极永磁体的磁导率与交轴空气隙的磁导率十分接近，因此，电磁设计时，可以看做是一种隐极式转子结构。适合于较低转速（1500r/min以下）和较小容量的电动机采用。

图2（b）的特点是永磁体凹入转子铁心表面，转子铁心的加工费用有所增加，主磁极的漏磁也有所增加，但转子磁极的机械强度优于（a）。由于处于直轴上的磁极永磁体的磁导率远小于交轴处铁心的磁导率，因此，这种磁极结构属于凸极式转子结构，除基本电磁转矩外，还可以因凸极效应而产生磁阻转矩，因而可以提高电动机的功率密度。

上述径向式磁极结构的缺点是无法设置笼型起动绕组，因此，这种永磁同步电动机不能利用异步起动转矩实现自启动，而只能利用变频电源在低频下起动。

图3示出了常用的切向式（内置式）磁极结构。

图3切向式（内置式）磁极结构

这类结构的漏磁系数较大，并且需采用相应的隔磁措施，电动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电动机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势便显得更为突出。此外，采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻转矩在电动机总电磁转矩中的比例可达40％，这对充分利用磁阻转矩，提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都

是很有利的。

切向式结构需要采取相应的隔磁措施，否则，主极漏磁将会很大。

内置式磁极结构的优点是可以在转子铁心外圆表面开槽，设置笼型起动绕组，因此，这种永磁同步电动机可以利用异步起动转矩实现自起动。适合于采用直接起动或降压起动而又不需要调速的永磁同步电动机。起动绕组同时作为阻尼绕组，还可以用来改善电动机的动态性能。

3.永磁同步电动机的特点

永磁同步电动机结构简单、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器件；和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比较大，定子电流和定子电阻损耗小，而且转子参数可测，控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电动机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

4.永磁同步电动机在国内外的发展现状

早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高

力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，因此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。

随着微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。这种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分（PI ）控制。PI 控制器具有结构简单，性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。

我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的贮藏量为世界其他各国总和的4倍左右，同时，稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际领先水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。

（二）永磁同步电动机的数学模型

为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦 。

A 、

B 、

C ：定子三相静止坐标系 α、β：定子两相静止坐标系 d 、q ：转子两相坐标系

s u ：定子电压 s i ：定子电流

s ψ：定子磁链矢量 f ψ：转子磁链矢量

r θ：转子角位置 δ：电机转矩角

假设： 1)忽略电动机铁心的饱和；

2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；

3)转子无阻尼绕组。

永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如下： 定子电流：dt

d i R u s s S s ψ+= 定子磁链：r j s s s s

e i L θψψ+=

电磁转矩：s s p e i n T ?=ψ2

3 永磁同步电动机在α-β坐标系中的数学模型可以表达如下：

定子电流：βαψψψs s s j +=

定子磁链：βαs s s ji i i +=

电磁转矩：()αββαψψs s s s p e i i n T -=2

3 永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q 中的数学模型可以表达如下：

定子电压：q r d d s d dt d i R u ψωψ-+

= d r q

q s q dt d i R u ψωψ-+=

定子磁链：f d d d i L ψψ+=

q q q i L =ψ 电磁转矩：()[]

q d q d q f p e i i L L i n T -+=

ψ23

（三）永磁同步电动机变压变频调速的原理

定子绕组与三相电源接通后可以产生旋转磁场，根据异性相吸原理，定子N 极（或S 极）吸住永磁转子的S 极（或N 极），使转子随着旋转磁场以同一速度旋转起来。 p f n 60=

显然，改变磁极对数P 可以实现有级调速，且P 较大时，成为低速电机；而改变f 可以实现无级平滑调速。

当极对数p 不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。

永磁同步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。

1.变频器与逆变器、斩波器

变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是永磁同步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC －AC 变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC －DC 变换）。

2.变压变频调速（VVVF ）

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。

如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由

22c o s ?I K T M T M Φ= ,(式中M T ：

电磁转矩，M Φ:主磁通，2I ：转子电流，2cos ?：转子回路功率因素，T K ：比例系数)可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。

由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。

因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。

为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable V oltage ，简称VV ）变频（Variable Frequency ，简称VF ）器，即VVVF 。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF 装置或VVVF 。

（四）永磁同步电动机变频起动过程分析

永磁同步电动机的优点：

（1）转速与电压频率严格同步；

（2）功率因数高到1.0；

存在的问题：

（1）起动困难；

（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。

解决办法：

（1）对于起动问题：通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。

（2）对于振荡和失步问题：由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。

永磁同步电动机的起动方法主要有两种，一种是由变频器供电时的变频起动，另一种是采用异步起动。根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转，完成起动。

永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转，所以应优先考虑采用变频起动。这时可给变频器预先设置一个积分时间常数，使电源频率按给定的斜坡从零频或某一低频逐渐上升，这样一来，在同步转矩的作用下，起动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，电动机转速就会平滑地逐渐上升，从而完成起动过程。

变频技术的发展与成熟不仅实现了永磁同步电动机的调速问题，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。随着变频技术的发展，永磁同步电动机变频起动的应用日益广泛。

变频起动方法是开始起动时，转子先加上励磁电流，定子边通入频率极低的三相交流电流，由于电枢磁通势转速极低，转子便开始旋转。定子边电源频率逐渐升高，转子转速也随之逐渐升高；定子边频率达额定值后，转子也达额定

转速，起动完毕。

参考文献：

[1]王益全.电动机原理与实用技术[M].科学出版社，2005

[2]刘秀君，李伟力，陈文彪. 三相异步起动永磁同步电动机起动特性[J].电机与控制学报，2006，10（3）

[3]陈俊峰.永磁电机（上、下）[M].机械工业出版社，1985

[4]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，1994

[5]徐明远，徐晟.MA TLAB仿真在电子测量中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013