正弦脈寬調(diào)制逆變器與永磁同步電機(jī)的配合

    陳益廣(天津數(shù)控傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究所300110)

1  引  言

    隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)及稀土永磁材料的飛速發(fā)展，交流電機(jī)矢量控制技術(shù)日益成熟，spwm逆變器與永磁同步伺服電機(jī)組成的交流伺服控制系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，并得到廣泛的應(yīng)用。控制策略不同，逆變器的特性也不盡相同，選擇好永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間分布形式，不僅可提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，同時(shí)還會(huì)減小電機(jī)體積，節(jié)省材料。

    永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間分布形式主要有正弦分布和梯形分布兩種，梯形分布人們一般稱(chēng)作矩形分布。正弦分布的永磁轉(zhuǎn)子在定子三相繞組中感應(yīng)的電勢(shì)正弦變化，矩形分布的永磁轉(zhuǎn)子在定子三相繞組中感應(yīng)的電勢(shì)除基波分量外，還存在許多高次諧波分量。本文介紹電流型、電壓型spwm逆變器與永磁同步電機(jī)的配合。

2與電流型spwm逆變器配合

    采用矢量控制方案，并使用電流型spwm逆變器，特別是電流跟蹤型spwm逆變器，不論逆變器直流母線(xiàn)的直流電壓有無(wú)波動(dòng)及定子三相繞組感應(yīng)電勢(shì)中諧波分量幅值及頻率如何，都能保證定子電流仍按正弦規(guī)律變化和三相對(duì)稱(chēng)，諧波電流極小，且三相繞組產(chǎn)生的空間合成旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)軸線(xiàn)與永磁轉(zhuǎn)子q軸始終重合。此時(shí)控制三相定子電流的幅值即可改變電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大小，改變定子電流的頻率即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到與直流電動(dòng)機(jī)控制原理相同的特性。此時(shí)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間分布可與直流電機(jī)磁場(chǎng)分布一樣，可以是矩形分布的，而得到較大的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。

    如附圖所示，設(shè)永磁同步電機(jī)為2極，電機(jī)軸向有效長(zhǎng)為z，定子內(nèi)徑為r，q軸為空間角θ的零點(diǎn)。各物理量的空間分布見(jiàn)附圖，其中定子三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的空間合成磁勢(shì)表達(dá)式為：

    f(θ)=f_mcosθ

   

假定定子內(nèi)圓等效電流片i(θ)產(chǎn)生的合成磁勢(shì)與定子三相繞組產(chǎn)生的合成磁勢(shì)相等，則電流片空間分布可表示為：

    i(θ)=f_msinθ

    當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正弦分布時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布b₁(θ)為：

    b₁(θ)=b_msinθ

一般稀土永磁材料充磁后，****剩磁磁密b_m是相同的，則永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矩形分布時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布b₂(θ)為：

根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式：

可推出永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)兩種空間分布形式下的電磁轉(zhuǎn)矩為：

永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間矩形分布時(shí)與正弦分布時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩比為：

當(dāng)δ=π／6時(shí)，極弧系數(shù)為o．67，m2，m1=1．217，這是極易做到的。當(dāng)δ→0時(shí)

可見(jiàn)，電機(jī)體積相同時(shí)，矩形分布時(shí)比正弦分布時(shí)要多輸出20％以上的力矩，永磁磁場(chǎng)矩形分布時(shí)，磁鋼的加工、充磁、安裝緊固以及轉(zhuǎn)子軸身的加工都相對(duì)方便。因此，電流型spwm逆變器供電永磁同步伺服電磁永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布應(yīng)選為矩形分布形式，這種配合會(huì)得到較高的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。

3與電壓型spwm逆變器配合

電壓型spwm逆變器是通過(guò)脈寬調(diào)制保證三相輸出電壓濾波后極其接近正弦波。若永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正弦分布，定子感應(yīng)電勢(shì)則為正弦變化，三相定子電流也正弦變化，電機(jī)運(yùn)行特性好。若永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矩形分布，則定子感應(yīng)電勢(shì)為非正弦變化，它包含有高次諧波電勢(shì)，現(xiàn)在電機(jī)輸入電壓為正弦波，則定子電流中除基波外，也同時(shí)出現(xiàn)了大量高次諧波。雖然基波電磁轉(zhuǎn)矩增加了，但諧波電流與永磁諧波磁場(chǎng)相互作用也產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)諧波電流與永磁諧波磁場(chǎng)次數(shù)相同時(shí)，兩者相互作用產(chǎn)生發(fā)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；兩者次數(shù)不同時(shí)，相互作用產(chǎn)生周期性變化的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，電壓型spwm逆變器供電永磁同步伺服電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)應(yīng)選為空間正弦分布形式。這樣構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好。

4結(jié)話(huà)

與電流型spwm逆變器配合的永磁伺服電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)應(yīng)為矩形分布，與電壓型spwm逆變器配合的永磁伺服電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)應(yīng)為正弦分布。同時(shí)還可看出，電流