CN103472391A - 一种永磁同步电机的功率模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术在电力系统中的应用领域，尤其涉及一种永磁同步电机的功率模拟方法。本发明提出了一种永磁同步电机功率模拟的新方法，根据永磁同步电机的基本特性，采用双PWM变换器结构，设计了能准确模拟永磁同步电机的模拟电机模型。其整流侧变换器按照永磁同步电机的特性控制，使其对外接口特性电压、电流、转速等信息与实际电机一致；逆变侧将能量回馈电网。本发明整体结构设计简洁，实现了对实际的永磁同步电机的静态特性和动态特性的准确模拟；模型的适应性强，只需改变模拟电机模型中的参数设置，便可模拟各种型号的永磁同步电机；采用能量回馈型电子负载结构，逆变侧将试验电能回馈电网，达到节约能量的目的。

Description

一种永磁同步电机的功率模拟方法

技术领域

本发明尤其涉及一种永磁同步电机的功率模拟方法，属于电力电子技术在电力系统中的应用领域。

背景技术

电子负载是可以模拟真实负载的电力电子装置，它能模拟各种类型的负载，并将电能反馈回电网。由于其性能灵活多变，被广泛应用于UPS、直流电源、变频电源的出厂试验。与普通负载相比，它的工作方式是利用电力电子变换技术，在完成测试功率试验后，将被测电源的输出能量循环再生利用。

近年来，国内外学者对电子负载的模拟进行了深入的研究，但现在的研究中以阻抗类负载的模拟为主，对电机类负载的模拟较少。而永磁同步电机由于结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高而在电梯、船舶电力推进、汽车等各个领域得到了广泛的应用。但目前的永磁电机控制研究中，均采用实际的永磁电机，这种研究方法成本高、能量消耗大且参数不易调整。

针对目前还没有对永磁同步电机进行模拟研究的问题。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有技术中没有对永磁同步电机进行模拟研究的问题，本发明提出了一种永磁同步电机的功率模拟方法。

该方法具有以下步骤：

步骤1：根据永磁同步电机原型为基础进行模拟永磁同步电机的结构设计，建立永磁同步电机模型，该永磁同步电机模型主要由模拟电机的数学分析模块、反dq变换模块、滞环电流控制器和输入PWM变换器依次相连组成；

步骤2：模拟电源由三相逆变器和dq变换模块相连组成；三相逆变器通过矢量控制模块与模拟电机的数学分析模块相连；三相逆变器输出的三相电压u_a、u_b、u_c经dq变换模块得到模拟永磁同步电机的交直轴电压分量输入量u_d和u_q；

步骤3：根据所要模拟的实际永磁同步电机的参数，对模拟永磁同步电机进行参数的设置，该参数包括电机的定子电阻R_S、交轴电感L_d、直轴电感L_q、转子磁链ψ_f、转动惯量J、阻尼系数F、极对数P和负载转矩T_L；

步骤4：模拟电机的数学分析模块根据设置的参数，计算得出永磁同步电机的交轴电流分量i_d和直轴电流分量i_q，电机电磁转矩T_e，电机转子机械角速度ω_r和转子角度θ方法为：通过求解以下隐式方程组：

电流状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_S}{{\text{L}}_d}{i}_d+\frac{1}{L_d}{u}_d+{\mathrm{\ω}}_e{i}_q\frac{L_q}{L_d}\\ \frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_S}{L_q}{i}_q+\frac{1}{L_q}{u}_q-{\mathrm{\ω}}_e{i}_d\frac{L_d}{L_q}-\frac{1}{L_q}{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_e\end{array}\right.;$

转矩方程：

T_e=P[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]；

运动方程：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_e-T_L-{\mathrm{F\ω}}_r;$

转子角速度方程：

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{\mathrm{\θ}}{t};$

其中，ω_e为转子电角速度；θ为转子角度；

步骤5：反dq变换模块将模拟电机的数学分析模块中的输出交轴电流分量i_d和直轴电流分量i_q进行坐标变换，得到滞环电流控制的参考电流

步骤6：滞环电流控制模块接收反dq变换模块送来的滞环控制的参考电流

和模拟电源送来的实际三相电流i_a、i_b、i_c进行滞环比较，滞环比较控制模块输出PWM脉冲信号，驱动输入PWM变换器工作，使模拟电源输出的三相电流i_a、i_b、i_c能跟踪参考电流

步骤7：利用所建立的模拟永磁同步电机，对实际的永磁同步电机进行模拟试验。

所述模拟试验为：

①电机的启动试验，或，②通过改变模拟电机的数学分析模块中的负载转矩T_L来模拟永磁同步电机的变负载运行，或，③通过改变矢量控制模块中的参考角速度ω_r ^*来模拟永磁同步电机的变频调速。

本发明的有益效果：本发明整体结构设计简洁，实现了对实际的永磁同步电机的静态特性和动态特性的准确模拟；模型的适应性强，只需改变模拟电机模型中的参数设置，便可模拟各种型号的永磁同步电机；采用能量回馈型电子负载结构，逆变侧将试验电能回馈电网，达到节约能量的目的。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的总原理框图；

图3是本发明的滞环电流控制器控制原理图；其中，(a)为本发明的滞环电流控制原理图；(b)为PWM脉冲信号产生原理图；

图4是本发明的幅相控制原理图；

图5是本发明的矢量控制原理图；

图6是本发明的直轴电流波形与实际电机直轴电流波形对比；

图7是本发明的交轴电流波形与实际电机交轴电流波形对比；

图8是本发明的转子转速波形与实际电机转子转速波形对比；

图9是本发明的转矩波形与实际电机转矩波形对比；

图10是本发明的定子电流A相波形与实际电机定子电流A相波形对比。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

附图1所示为该永磁同步电机的功率模拟方法的流程图。

附图2所示为本发明的总原理框图，本发明的装置主要由模拟电源和模拟永磁同步电机组成；该永磁同步电机模型由模拟电机的数学分析模块、反dq变换模块、滞环电流控制器和输入PWM变换器依次相连组成；模拟电源由三相逆变器和dq变换模块相连组成。

附图3(a)所示为本发明的滞环电流控制原理图。滞环电流控制模块接收反dq变换模块送来的滞环电流控制参考电流

(以a相为例)和模拟电源送来的实际三相电流i_a、i_b、i_c进行滞环比较。滞环比较控制模块输出PWM脉冲信号，驱动输入PWM变换器工作，使得模拟电源的实际三相电流i_a、i_b、i_c能跟踪参考电流。附图3(b)所示为PWM脉冲信号产生原理图，当实际电流i_a与参考电流i_a ^*的偏差超过滞环控制器的环宽ΔI时，则改变输入PWM变换器的开关状态，且当V₁导通时，电流减小，V₂导通时电流增大。如此周而复始，则模拟电源的输出电流i_a将随给定电流i_a ^*的波形作锯齿形变化，而滞环控制器的环宽ΔI则决定了锯齿形变化的范围，ΔI较小，模拟电源的输出电流跟踪给定参考电流的效果更好，但是输入PWM变换器的开关频率将提高，开关的损耗也更大。因此，选择适当的环宽是很重要的。

附图4所示为本发明的幅相控制原理图，其作用是维持直流侧电容电压的恒定，并将试验电能回馈电网，具体实现步骤如下：①根据电机的功率计算公式：

计算出模拟试验时，该模拟电机发出的功率。为了将这部分功率回馈电网，因此，根据功率平衡的条件（模拟电机发出的功率=回馈电网的功率），计算出电网侧的有功电流参考有效值I_dref，

（U为电网线电压，示例中为380V）。②为了维持直流侧电容电压的恒定，将直流电压参考值（示例中为1000V）与实际测得的直流侧电容电压U_DC相减，再经过PI环节后输出调节量

并与计算得到的有功电流参考有效值I_dref相加，其和作为输出有功电流指令信号I_d。③试验电能能回馈电网的条件是：输出PWM变换器输出的电压要与电网电压同频同幅同相（示例中电网的频率为50Hz，幅值为380V，同频条件由PWM发生器设置，同幅条件由测量的三相电网电动势峰值V_S进行反馈调节），因此，为了满足同相的条件，需计算回馈电网的功率因数角

（U、I分别为测得的实际的回馈电网的线电压线电流），根据计算得到的电网的功率因数角

给定幅相控制器的功率因数角

④计算无功电流指令信号I_q，

⑤由公式V_d=V_S-XI_q+RI_d,V_q=XI_d+RI_q得到有功、无功电压值V_d、V_q（V_S为三相电网电动势峰值，由回馈电网侧的实际测量得到，X为回馈电网侧每相电感，R为回馈电网侧每相电阻）。⑥由有功、无功电压值V_d、V_q，则可以得到参考电压的幅值和相位如下：

⑦将该参考电压作为PWM调制正弦参考电压，输入到PWM发生器中，产生6个开关管的导通、关断信号，便可得到所需要的交流电压回馈至电网。

附图5所示为本发明的矢量控制原理图。本发明的模拟电源为频率、幅值可调的三相逆变器，其控制策略采用永磁同步电机的矢量控制。矢量控制的基本思想是利用坐标变换的原理，将电机定子三相静止坐标系下的电压、电流和磁链变换到两相同步旋转坐标系下，将定子电流i_S分解为相互垂直、彼此解耦独立的励磁电流分量i_d和产生转矩的转矩电流分量i_q，然后分别控制；再经过坐标逆变换，将两相同步旋转坐标系下的控制量变换到三相静止坐标系下，得到实际的控制量。其具体实现步骤如下：①将模拟电机的数学分析模块中的输出量ω_r与给定的参考转速ω_r ^*（示例中初始为750r/min，0.4s时变为1200r/min）的差值进行PI调节，输出交轴电流参考量i_q ^*。②模拟电机的数学分析模块中的输出量i_d、i_q分别与参考电流i_d ^*（示例中为0）、i_q ^*作差，将差值进行PI调节后输出参考电压u_d、u_q。③将u_d、u_q进行坐标变换后输入到SVPWM发生器模块，便可得到6路PWM脉冲信号，驱动模拟电源（三相逆变器）运行。

根据以上原理，在MATLAB/Simulink下搭建了该永磁同步电机的仿真模型，并和Simulink库中自带的永磁同步电机进行了对比仿真。设置总仿真时间为0.7s，

电机参数如下表所示。

实施例1

①电机的启动试验。

将模拟电机的各个参数初始值都设置完成后，开始仿真，便可以模拟电机的启动。通过设置模拟电机的数学分析模块中的负载转矩T_L的初始值，可以模拟电机的空载启动（T_L=0）或带负载启动（T_L≠0）。实施例中，为带负载启动（T_L=12N/m）。如附图8所示为电机的转速波形，电机转速从0开始，逐渐上升到额定转速750r/min，则这段时间为电机的启动时间。如附图9所示为电机交轴电流大小，在电机启动过程中，可能出现启动电流较大，烧坏电机的危险，通过对该电流的检测，可以确定电机的启动电流，如果启动电流过大，则需调整电机参数或负载大小，对实际的电机启动给出参考，防止实际电机的启动过程中出现电流过大的现象。

实施例2

②通过改变模拟电机的数学分析模块中的负载转矩T_L来模拟永磁同步电机的变负载运行。

在本实施例中，电机带负载运行，初始T_L=12N/m，在0.2秒时，将T_L的值改变为16N/m，来模拟电机的带负载运行。图6-图10中，在0.2s后，可以看出电机变负载运行后，各输出量的变化，最直接的为图9所示的电机转矩波形，由12N/m变为16N/m；交轴电流也发生了相应的改变，但电机转速基本不变，直轴电流也不变，基本为0。在实际电机试验中，电机所带的负载过大，会出现温升过高，电流过大，损坏绝缘，烧毁电机等危险。通过该模拟电机的仿真，可以为实际的电机试验提供参考，以避免实际试验中发生上述危险。

实施例3

③通过改变矢量控制模块中的参考角速度ω_r ^*来模拟永磁同步电机的变频调速。

在本实施例中，给定的初始参考角速度

即电机先运行在额定转速750r/min，在0.4s时，将参考角速度

可模拟电机的变频调速。图6-图10中，在0.4s后，可以看出电机变频调速后，各输出量的变化，最直接的为图8所示的电机转速波形，由750r/min变为1200r/min；变频的特点从图10可以清楚的看出，0.4s后，电机的定子电流的频率发生了明显的变化。从以上图中可以看出电机变频调速后，各输出量的大小，为实际的电机操作提供参考。

如附图6所示为两种电机的直轴电流波形对比。横坐标表示运行时间，纵坐标表示直轴电流大小。由于在矢量控制的原理中，给定的参考值i_d ^*=0，因此，实际电机与模拟电机的直轴电流均在0附近波动。

如附图7所示为两种电机的交轴电流波形对比。横坐标表示运行时间，纵坐标表示交轴电流大小。由矢量控制的原理可知，交轴电流用以产生转矩，因此，交轴电流的变化与电机的转矩的变化一致。其具体关系可由转矩方程T_e=P[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]得到。

如附图8所示为两种电机的转子转速波形对比。横坐标表示运行时间，纵坐标表示转子转速。由图可以看出，二者的转速都较好的跟踪了给定值ω_r ^*（示例中初始为750r/min，0.4s时变为1200r/min）。

如附图9所示为两种电机的转矩波形对比。横坐标表示运行时间，纵坐标表示转矩。由图可以看出，电机转矩始终与负载转矩平衡（示例中初始负载转矩为12N/m，在0.2s时负载转矩变为16N/m），只有在电机转速发生变化时，电机的转矩出现短时的增大，电机转矩大于负载转矩，使电机转速升高，当电机转速升高到给定值时，电机转矩与负载转矩重新平衡，即变负载运行试验。

如附图10所示为两种电机的定子电流A相波形对比。横坐标表示运行时间，纵坐标表示定子电流A相的大小。由图可以看出，在0.2s负载变大时，定子电流变大，电机输出的功率变大，以拖动更大的负载，但电流的频率不变；在0.4s电机的转速提高时，电流频率变大，即变频调速，此时，由于电机转速提高，输出的功率变大，因此电流也变大。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机的功率模拟方法，其特征在于该方法具有以下步骤：

步骤1：建立永磁同步电机模型，该永磁同步电机模型由模拟电机的数学分析模块、反dq变换模块、滞环电流控制器和输入PWM变换器依次相连组成；

步骤2：模拟电源由三相逆变器和dq变换模块相连组成；三相逆变器通过矢量控制模块与模拟电机的数学分析模块相连；三相逆变器输出的三相电压u_a、u_b、u_c经dq变换模块得到模拟永磁同步电机的交直轴电压分量输入量u_d和u_q；

步骤3：根据所要模拟的实际永磁同步电机的参数，对模拟永磁同步电机进行参数的设置，该参数包括电机的定子电阻R_S、交轴电感L_d、直轴电感L_q、转子磁链ψ_f、转动惯量J、阻尼系数F、极对数P和负载转矩T_L；

步骤4：模拟电机的数学分析模块根据设置的参数，计算得出永磁同步电机的交轴电流分量i_d和直轴电流分量i_q，电机电磁转矩T_e，电机转子机械角速度ω_r和转子角度θ方法为：通过求解以下隐式方程组：

电流状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_S}{{\text{L}}_d}{i}_d+\frac{1}{L_d}{u}_d+{\mathrm{\ω}}_e{i}_q\frac{L_q}{L_d}\\ \frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_S}{L_q}{i}_q+\frac{1}{L_q}{u}_q-{\mathrm{\ω}}_e{i}_d\frac{L_d}{L_q}-\frac{1}{L_q}{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_e\end{array}\right.;$

转矩方程：

T_e=P[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]；

运动方程：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_e-T_L-{\mathrm{F\ω}}_r;$

转子角速度方程：

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{\mathrm{\θ}}{t};$

其中，ω_e为转子电角速度；θ为转子角度；

步骤5：反dq变换模块将模拟电机的数学分析模块中的输出交轴电流分量i_d和直轴电流分量i_q进行坐标变换，得到滞环电流控制的参考电流

步骤6：滞环电流控制模块接收反dq变换模块送来的滞环控制的参考电流

和模拟电源送来的实际三相电流i_a、i_b、i_c进行滞环比较，滞环比较控制模块输出PWM脉冲信号，驱动输入PWM变换器工作，使模拟电源输出的三相电流i_a、i_b、i_c能跟踪参考电流

步骤7：利用所建立的模拟永磁同步电机，对实际的永磁同步电机进行模拟试验。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的功率模拟方法，其特征在于，所述模拟试验为：

①电机的启动试验，或，②通过改变模拟电机的数学分析模块中的负载转矩T_L来模拟永磁同步电机的变负载运行，或，③通过改变矢量控制模块中的参考角速度ω_r ^*来模拟永磁同步电机的变频调速。

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