永磁电动机速度调节控制设计毕业设计论文(编辑修改稿)

永磁电动机速度调节控制设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

，在未来也必将发挥更为重要的作用。 1． 2 课题研究的目的和意义 每年我过的电动机的耗电量占了全国总耗电量的 60%，而这其中三相异步电动机又是耗电量最大的耗电大户，由于经济的发展迅速，人民群众对于生活的水平也日渐提高，各种用电设备的使用，使得对电能的需求也越来越高，因此每一个电机设计者都应该义不容辞参与到高性能电机的开发中来。 20世纪 70年代初期出现一种新型永磁电机 —— 永磁同步电动机。 由于永磁体具有高矫顽力和高磁能积，使得永磁同步电动机具有效率高、体积小、重量轻、特性好等诸多列优点，成为了新型电机的重要的发展方向之一 [5]。 永磁体钕铁硼(NdFeB)的出现，其低廉的价格和优越的磁性能，展示出了永磁同步电机广阔的民用开发前景。 在民用中，国外已经有一些开始使用永磁同步电机代替原来的异步交流电机的领域，如很多电梯驱动用电电梯就已经使用永磁同步电机代替了原来的异步电机。 没有去庞大的齿轮箱而是将轿厢直接用曳引轮拖动，明显的使系统的噪声和震动减小了 [6]。 特别值得一提的是取消了 齿轮箱，就没有了复杂的润滑系统，彻底的将漏油造成的环境污染解决了，真正的达到了环保要求，可减小电梯空间，省去机房，降低电梯成本。 永磁同步电机研制成功，不但加快了电梯行业的前进步伐，还使电动机发展水平上了一个新的台阶。 1． 永磁同步电机调速技术的发展概况 由于直流电机具有效率高、性能好、速度快等许多优点，所以从其诞生之日起，就一直受到人们的关注，并广泛应用于工业和生活。 然而，随着不断发展的生产技术，对设备的要求也越来越高，直流拖动许多的弊端逐渐显露出来。 直流电机由于换向器的问题，使维护的工作量增加， 单机容量、最大速度和使用的环境也受到了局限，因此人们开始研究运行稳定可靠、结构简单、维护方便、成本也比较低的异步电机。 但是，电力电子器件的发展还比较落后，很多性能不能满足交流电机调速技术的要求，因此，交流调速技术的发展是缓慢的。 在相当长的时期内，直流电动机具有优良的性能，其技术一直领先于交流调速， 70年代后期 以来，随着电力电子技术和控制理论的迅速发展，交流调速系统的性能也得到了飞速的发展，性能可与直流调速系统相媲美，竞争。 目前，交流调速已经慢慢地取代直流调速。 从十九年代起，人们开始研究同步电机的速 度控制问题。 1964德国学者率先把通信系统中的调制技术应用推广到了变频调速里面，并首先提出了用于交流传动系统中的脉宽调制也就是 PWM技术。 从根源上解决了方波逆变器中一直存在的问题。 已经过去了四十多年，这项技术已经在工业生产过程中取得了巨大的经济效益，并且在最基础的调制原理上提出了规则采样、自然采样、低次谐波消去等优化调制方法。 1969年，英国广播公司成功研制了世界上第一台 6400kw的交 交变频同步电机传动装置。 在 1971年德国的西门子的 ，它就广泛的受到了人 们的关注，并在理论 [8]。 应用等各个方面进行了深入的研究和讨论。 世界上第一台 4220kw交 交变频同步电机调速系统式 1981年由西门子公司研制的，并且最早用于矿井的提升机传动。 交流调速有很多的算法，但是最主流的为以下几种： (1)正弦脉宽调制技术 SPWM。 SPWM法是为克服直流脉宽调制（ PWM）的缺点（其输出电压中含较大的谐波分量）而发展起来的。 它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相正弦波电源。 SPWM在通用变频器中日趋成熟，并且在高压变频器领域里面也占主导的地位。 (2)空间矢 量脉宽调制技术 SVPWM。 矢量控制是设法在普通的三相交流电机上模拟直流电机转矩的控制的规律，我们在磁场的坐标上，通过矢量变换将三相交流电机的定子的电流分解，把他们分解为转矩电流分量和励磁电流分量，然后对两个分量相互垂直，彼此之间相互独立，然后在分别进行调节。 SVPWM觉有噪声低、电流谐波少、转矩脉动小等优点，而且相对于常规的 SPWM直流电压利用率能够提高大约 15%。 1． 永磁同步电机国内外研究热点 磁势的计算、比较好的计算机仿真模型的建立、自动化仿真问题中的精度、算法、非线性的处理等等一直 都是永磁同步电机的的热点研究问题。 目前国内外对永磁同步电机的研究和设计主要集中于两个方面： 1．结构设计和研究 永磁同步电机的永磁体具有很高的矫顽力，所以充磁方向非常薄的永磁铁提供很高的磁势赫尔气隙磁密。 因此，径向磁路结构比较传统的除外，当极数非常 少的时候，还可以采用混合结构或切向磁路的结构。 国内外的永磁同步电动机转子的研究形状，提高功率效率和密度的准则都是磁通的增加、减弱电枢的应对或者高速的运行来实现的。 2．优化设计 稀土材料的价格相当的昂贵，在这种情况下，如果将永磁体工作的的点选择合适，使它在 能够满足电动机性能各项的指标这个前提下，使要用的材料最少，也就是要电机的成本还有体积最小。 优化设计都是用计算机来完成的，在设计之中，目标函数一般都是选择永磁体的体积。 由于永磁体的尺寸直接影响着电动机的各种指标，因而可以选择永磁体的形状和尺寸作为设计的变量，然后其他的尺寸都可以用这个变量表示。 在所有的约定条件之中，定子齿部、电抗参数和轭部磁密、起动电流、定子电密以及槽满率等都应限定在一定的范围，而功率因素、效率和启动转矩等都要大于某一个给定的值。 尽管国内外的永磁同步电机的研究设计已经做了大量的工作，但是到今天 为止，永磁同步电机在我们国家都还没有得到全面的推广。 这是有很多原因的。 其中一个就是永磁同步电机的成本高昂，但是这个问题随着永磁材料的发展，永磁同步电机的成本必然降低，而且如何采用最适合的量完成永磁同步电机，是之成本下降已经成为了一个重点。 此外，永磁同步电机之中的铁损耗的计算也相当的复杂，如何准备的去分析、计算这是高性能的永磁同步电机的关键点。 永磁同步电机的启动过程研究和稳定性研究一直是国内外专家们分析的焦点。 随着社会的发展，永磁同步电机显的愈渐重要。 第二章 电梯的概述及 主要电气设备 电梯的 概述 (1)人们对于电梯的速度要求越来越高，高速电梯的数量逐年增加。 (2)电梯的拖动技术已有较大的发展，由于直流电梯维修量大、能耗大等缺点。 正逐渐的被交流电梯所取代，液压电梯由于其机房位置灵活，运行平稳，使得其在低楼层场合得到非常广泛的应用。 与此同时交流拖动电梯更是得到较迅速的发展，己由之前的变级调速发展成为调频调压调速及调压调速，使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加满足人们心理的预期要求，电梯的舒适度也得到极大地改善。 (3)电梯逻辑控制己由过去简单的 继电器 — 接触器式控制发展为可编程序控制和微机控制，控制方式也由原有的信号控制、手柄控制发展为并联控制、集选控制、群控等多种方式，电梯可靠性大大提高。 (4)电梯的管理功能不断得到加强，以不断满足用户的使用要求。 如消防员专用、紧急停车操作、防捣乱系统等。 (5)智能群控管理得到更加广泛应用。 (6)机械传动方面，由于国际上机械加工工艺水平的不断提高，使行星齿轮和斜齿传动传动在电梯上的应用普遍开来，使得电梯的传动形式多样化。 电梯的的控制部分主要电气设备 电机是机械和电器一体 工作的大型的复杂产品，其中机械就相当于我们人的身躯，电器部分就相当于我们的神经，将机械和电器结合起来，就变成了我们现代科学的综合产品 —— 电梯。 就电梯的结构来说，比较传统的分发是分为机械部分和电器部分，但是用功能系统来描述更加能够反映电梯的特点，下面介绍一下电梯机械部分的结构： 曳引电动机 曳引电动机具有提升机构，由电磁制动器（也称电磁抱闸）、驱动电动机、减速器及曳引轮组成。 自动门机 完成电梯的开门与关门：电梯的门有轿门（中有一个）和厅门（每层站一个）。 只有电梯停靠在某层站时，此层厅 门才允许开启；同时也只有当厅门、轿门全部关闭时才允许启动运行。 层楼指示 层楼指示又叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅和轿门的上方；现多由 LED 点阵结或数码管构组成，与运行方向指示、呼梯盒做成一体结构。 呼梯盒 呼梯盒用以在每层召唤电梯。 安装在地面 1 米左右的墙面上。 基站与顶站有一个按钮，中间层站由上呼与下呼组成。 按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯号已被接收并被记忆；当电梯满足呼梯要求而停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。 基站的呼梯盒上常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。 操纵箱 操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。 操纵箱上没有与电梯经层站数相同的内选层按钮，上下层启动按钮，开关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关，照明等控制开关。 平层及开门装置 平层及开门装置由磁铁板和上、下平层感应器组成，上行时，上层首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至下层插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，下层首先插入隔磁铁板，发出减速信号至上层插入隔磁铁板时，发出停车及开门的信号。 停车装置 电梯的井道内每层 站装有一只磁铁板，当轿厢运行到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电梯所处位置和平层信号。 开关装置 安全窗及其开关，安全钳及其开关，上、下限位开关，上、下强迫停止开关，极限开关。 第三章 永磁同步电机数学模型分析 3． 1 永磁同步电机的结构简介 电机是一种用来进行机械能和电能之间的互相转换的电磁机械，而他们之间的能量的转换主要依赖于电机转子和定子之间的气隙磁场。 不同的建立磁场的方式就形成了不同类型的电机。 而永磁同 步电机则由转子、定子和端盖等部件构成。 永磁同步电机的转子磁场由永磁体产生，定子磁场则是由三相交流或者多项交流电形成的。 可以把转子铁心做成实心的，也可以是由硅钢片叠压型成功率。 定子则是与普通的感应电机基本一样，也采用硅钢片叠压结构，以减小电机运行时的铁耗。 图。 电枢绕组可以采用分布短距绕组和非常规绕组，也可以采用集中整距绕组。 其中，采用分布式短距绕组，产生的是正弦波电动势。 采用整距绕组，产生梯形波反电动势。 图 大大的减少绕组端部的均长，以此使电动机轴向长度 减小，让电机排布更加合理，能够让电机的体积大幅度降低，而且使电气损耗减小。 想要让电动机杂散损耗降低，定子绕组在大功率的永磁电机上基本都是用的星形接法。 图 永磁同步电机截面示意图 1—— 电子铁心 2—— 定子绕组 3—— 转轴 4—— 稀土材料永磁体 5—— 转子铁心 为使 为了让转子磁场与定子磁场它们是相对静止的，定子的交流电频率必须与转子磁场的旋转速度之间必须严格同步。 因此转子的旋转速度必须完全是由定子转子磁场极数和电源频率决定。 图 永磁同步电机挂极绕组的结构示意图 3． 2 永磁同步电机的运行原理 永磁同步电机的调速系统中，最主要的问题是实现电动机的瞬时转矩高性能控制。 我们对于永磁电动机的要求可以归纳为：精度高、响应快、转矩脉动小、系统功率因数和效率高等 [9]。 从前面分析永磁同步电机的模型可以知道，通过对直轴电流和交轴电流的控制就可以实现对永磁同步电机的输出转矩实现控制。 交、直轴电流不同组合，会影响控制系统的功率因数、效率和转矩输出能力等。 怎样根据所给转矩来确定的直轴电流和交轴电流，其实就是对定子电 流矢量控制的问题。 矢量控制在实际上来说就是对电动机定子电流矢量幅值和相位的控制。 当永磁体的交、直轴电感和励磁磁链确定以后，电动机的的转矩就由定子电流的空间矢量 is决定，而 id和 iq又决定了 is的相位和大小，也就是说控制电动机的转矩就必须要控制 id和 iq。 一定的转矩和转速对应于一定的 i* q和 i* d，通过这两个电流的控制，使实际 iq和 id跟踪指令值 i* q和 i* d，便实现了电动机转速和转矩的控制 [4]。 由于实际上馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流 iA、 iB、 iC，因此，三相电流的指令值 i* A、 i* B、 i* C必须由下面的变换从 i* q和 i* d得到 )32s i n ()32s i n ()32()32(s i n32*****iiiiiqdCBAC O SC O SC O S () 上式中，电动机非负载端轴伸上的位置、速度传感器提供给了电动机转子的位置信号θ。 然后通过电流的控制环让电动机输入的三相相电流 iA、 iB、 iC和指令给我们的 i* A。