交流永磁同步发电机变频控制
基于变频器容量的永磁同步风力发电机最大功率控制的研究
ｍｉ ｉ ｍ ｅ ｈ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｓ ｓ ｔｏ ｈ ｘ ｍｕ ｐ ｗｅ ｏ ｎ ｒ ｃ ｉ ｇ （ ＰＰ ｎ ｍｕ ｗｈ ｎ ｔ ｅ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｏ ｒ ｐ ｉ ｔｔ ａ ｋ ｎ Ｍ Ｔ）ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｔ ｏ
张 震 。 根 忠 吴
（ 江 工 业 大 学 信 息 工 程 学 院 ， 江 杭 州 ３０ ３ ） 浙 浙 力发 电 系统 的基 本 结 构 ， 述 了风 力发 电 系统 中风 机 最 大风 能捕 获 的基 介 论 本原理， 并提 出一种 采 用 永磁 同 步 电机 作 风 力 发 电机 实 现 最 大功 率 输 出 的控 制 系统 ． 过 建 立 通 考 虑铜 耗 和 铁 耗 的 电机 损 耗模 型 ， 得 了 电机 损 耗 与 定 子 电流 之 间 的 关 系． 此 基 础 上 提 出永 获 在
和 实 用性 ．
关 键词 ： 永磁 同步 电机 ； 最优 定子 电流 矢量控 制 ； 最佳 效 率控 制 ； 耗 损
中图分 类号 ： ＴＭ９ １ ５ ２ ．
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ６４ ０ （ ０ ０ ０ —０ ９０ １ ０ —３ ３ ２ １ ） １０ ４ — ５
Ｔｈ ｔ ｄ ｎ ｍ ａ ｉ ｕ ｅ ｓｕ ｙ ｏ ｘ ｍ ｍ ｏ ｒ ｃ ｎｔ ｏ ｎ ｐｅ ｍ ａ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ｗｅ ｏ ｒ ｌｉ ｒ ｎｅ ｔｍ ｇ ｅ ｓ ｎｃ ｒ ｎ ｕ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｔ ｒ ｃ ｐ ｃ ｔ ｙ ｈ ｏ ｏ ｓ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎｖ ｒ ｅ ａ ａ ｉｙ
ＺＨ ＡＮＧ Ｚｈｅ ｎ。Ｗ Ｕ ｎ ｚ ｎｇ Ｇｅ — ｈｏ
（ ｏ ｌ ｅｏ ｎｏ ｍａｉｎ Ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ Ｚ ｅｉｎ ｉｅ ｓ ｙｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｆｒ ｔ ｎ ｉｅ ｒｎ ， ｈ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｈａ ｇ ｈ ｕ ３ ０ ３ ，Ｃ ｉａ ｅ Ｉ ｏ ａ ｔ ｎ ｚ ｏ １ ０ ２ ｈｎ ）
永磁同步风力发电系统的组成、工作原理及控制机理
永磁同步风⼒发电系统的组成、⼯作原理及控制机理永磁同步风⼒发电系统的系统基本组成、⼯作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风⼒发电系统主要采⽤如下结构组成：风⼒机（这⾥概括为：叶⽚、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。
其中全功率变流器⼜可分为发电机侧整流器、直流环节和电⽹侧逆变器。
就空间位置⽽⾔，变流器和风机总控系统⼀般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。
2.⼯作原理：系统中能量传递和转换路径为：风⼒机把捕获的流动空⽓的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风⼒机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化⽽变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电⽹同步的可控电能并馈⼊电⽹，从⽽最终实现直驱系统的发电并⽹控制。
3.控制模式：风⼒发电机组的控制系统是综合性控制系统。
它不仅要监视电⽹、风况和机组运⾏参数，对机组运⾏进⾏控制。
⽽且还要根据风速与风向的变化，对机组进⾏优化控制，以提⾼机组的运⾏效率和发电量。
风⼒发电控制系统的基本⽬标分为三个层次：分别为保证风⼒发电机组安全可靠运⾏，获取最⼤能量，提供良好的电⼒质量。
控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运⾏主控制器、功率输出单元、⽆功补偿单元、并⽹控制单元、安全保护单元、通讯接⼝电路、监控单元。
具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、⾃动最⼤功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、⾃动解缆、并⽹和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
⼀、系统运⾏时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个⽅⾯：⾃动对风、⾃动解缆和风轮保护。
1)⾃动对风正常运⾏时偏航控制系统⾃动对风，即当机舱偏离风向⼀定⾓度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，⾃动对风停⽌。
2)⾃动解缆当机舱向同⼀⽅向累计偏转2~3圈后，若此时风速⼩于风电机组启动风速且⽆功率输出，则停机，控制系统使机舱反⽅向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不⾃动解绕；若机舱继续向同⼀⽅向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障⾃动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，⾃动停机，等待⼈⼯解缆操作。
永磁同步风力发电系统控制研究
永磁同步风力发电系统控制研究随着气候变化和环境保护意识的日益增强，可再生能源的研究与应用变得越来越重要。
风能作为一种广泛分布且可再生的能源资源，被广泛应用于发电领域。
在风能发电系统中，永磁同步发电机系统因其高效率、高性能和简洁结构而备受关注。
为实现对永磁同步风力发电系统的控制，研究控制策略和算法变得至关重要。
永磁同步风力发电系统的控制是确保发电效率和系统稳定运行的关键。
因此，研究人员们对于系统的控制策略进行了广泛研究，以提高发电系统的性能和可靠性。
首先，针对永磁同步发电机系统的控制，矢量控制是最常用和有效的控制策略之一。
矢量控制通过监测永磁发电机的电流和转速，控制它们的大小和方向，以确保系统的稳定性和高效性。
矢量控制策略采用PI控制器来实现闭环控制，根据当前状态进行动态调整，以使输出电压和转速保持在一个可接受的范围内。
其次，为了提高永磁同步发电机系统的效率和性能，一些高级控制算法被引入。
例如，模糊控制策略能够根据设定的规则和输入参数来自适应地调整系统的控制策略。
这种方法可以提高系统的鲁棒性和适应性，使其能够在不同的工况下具有良好的性能。
另外，基于神经网络的控制算法也被广泛应用于永磁同步风力发电系统的控制中。
神经网络是一种模拟人类神经系统的计算模型，其具有自学习和适应性的能力。
通过训练和优化神经网络模型，可以根据风能发电系统的输入和输出数据，实现系统的自动控制和优化。
神经网络控制具有较高的灵活性和适应性，可以处理复杂的非线性系统。
此外，针对永磁同步风力发电系统控制中的低频振荡问题，一些控制策略也被提出。
例如，采用模型参考自适应控制（MRAC）策略可以有效地抑制低频振荡，提高系统的稳定性和准确性。
MRAC策略通过调整系统的控制参数，根据系统的数学模型来实现对系统的控制。
综上所述，永磁同步风力发电系统控制的研究是提高发电效率和系统性能的关键。
矢量控制、模糊控制、神经网络控制和MRAC策略等多种控制策略和算法被应用于系统的控制中，以提高系统的鲁棒性和适应性。
永磁同步电机的设计与控制
永磁同步电机的设计与控制第一章：绪论永磁同步电机是一种新型的高效率、高功率密度的电机，已经在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域得到了广泛的应用。
本文将详细介绍永磁同步电机的设计和控制方法。
第二章：永磁同步电机的结构及原理永磁同步电机分为表面永磁式和内置永磁式两种结构，本文主要介绍表面永磁式永磁同步电机。
表面永磁式永磁同步电机由定子、转子和永磁体三个部分组成。
其中，定子装有三个相位的绕组，电流流经绕组时产生旋转磁场。
转子则由带有永磁体的铁芯构成，永磁体的磁场与定子旋转磁场形成磁矩，从而产生转矩。
第三章：永磁同步电机的设计永磁同步电机的设计包括选型、计算和仿真三个方面。
选型时需要根据具体的应用场景，选择合适的功率、转速等参数。
计算方面需要根据电机的结构参数，如磁极数、绕组匝数等，计算电机的性能参数，如转子电感、定子电阻等。
仿真则是通过电机仿真软件进行的，可以进行电机性能模拟、相位电流控制仿真等。
第四章：永磁同步电机的控制永磁同步电机的控制包括电压源控制和电流源控制两种方式。
电压源控制是通过控制电机的电网侧电压，控制电机的转速和转矩，需要控制电机的反电动势。
电流源控制则是通过控制电机的电机侧电流，控制电机的转速和转矩。
电流源控制不需要控制反电动势，可以提高电机的控制精度。
第五章：永磁同步电机的应用永磁同步电机在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域得到了广泛应用。
在电动汽车中，永磁同步电机具有高效率、高功率密度、质量轻等优点。
在风力发电机中，永磁同步电机可以通过尽可能地提高风力机的利用率，提高风力发电机的发电效率。
在工业自动化中，永磁同步电机可以被应用于各种机械传动系统中，提高传动效率，降低能耗。
第六章：结论永磁同步电机是一种新型的高效率、高功率密度的电机，在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域有广泛的应用前景。
掌握永磁同步电机的设计和控制方法，对于电机的工程应用具有重要的意义。
同步电机的变频调速系统
图2-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
2.4
为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。
同步发电机励磁控制系统及特性分析
第二节 同步发电机的励磁控制系统
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
300MW及以上机组励磁系统一般采用
发电机
无刷励磁和自并励方式。
TA
IEF
G ~
静止励磁系统(发电机自并励系统)中
一、直流励磁机系统
采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机电 流，从而改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功 的目的。
主要问题： （1）直流励磁机受换向器所限，其制造容量不大。 （2）整流子、电刷及滑环磨损，降低绝缘水平，运行维护麻烦。 （3）励磁调节速度慢，可靠性低。 按照励磁机励磁绕组的供电方式不同，可分为自励式和他励式两种。
负荷的无功电流是造成 E 与U 数值差的主要原因，
q
G
发电机的无功电流越大 ，差值越大。
第一节 概述
同步发电机的外特性必然是下降的，当励磁电流一定时，发电机端电压随无 功负荷增大而下降，必须通过不断的调节励磁电流来维持机端电压维持在给 定水平。
第一节 概述
(二)控制无功功率的分配
1.同步发电机与无穷大系统母线并联运行问题
第二节 同步发电机的励磁控制系统
同步发电机励磁控制系统的分类：
（1）直流励磁机系统：自励式直流励磁机系统、他励式直 流励磁机系统。 （2）交流励磁机系统：他励可控整流式交流励磁机系统、 自励式交流励磁机系统、具有副励磁机交流励磁机系统、 无刷励磁系统； （3）静止励磁系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第四章 同步发电机励磁控制系统及特性分析
第一节：概 述:励磁控制系统的作用（重点） 第二节：同步发电机的励磁控制系统 第三节：励磁调节器 第四节：同步发电转子磁场的强励与灭磁
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
永磁同步电机发电机组的说明书
永磁同步电机发电机组的说明书谨阅此手册前，请确保您已仔细阅读并理解了本电机发电机组的操作与维护要求。
本手册将为您提供本机组的技术参数、使用方法、操作流程、常见问题及其解决办法等内容。
如遇到问题，请您及时联系我们，我们将竭诚为您服务。
一、产品概述本发电机组使用永磁同步电机（PMSG）直接驱动，不需要增加复杂电路与控制系统，使用简便。
PMSG具有高效、高功率因数、高可靠性、强自适应性等诸多优点。
二、技术参数1. 额定功率：100kW2. 额定电压：220V/380V3. 电机类型：永磁同步电机4. 额定频率：50Hz5. 发电机类型：三相同步发电机6. 电机转速：1500r/min7. 额定电流：180A8. 整机效率：≥92%9. 环境温度：-25℃ ~ +55℃三、使用方法1. 连接电源线路：将机组的交流输出线路连接到负载端，再将交流输入线路连接到电源端。
请确保连接正确无误，以防烧毁设备。
2. 操作：打开机组电源开关，等待机组启动并达到额定转速。
3. 控制：本机组自带电子控制器，可控制无功功率、有功功率等输出。
由于本机组的控制器采用可编程控制器，因此您可以根据需要向控制器上传不同的程序并实现不同功能。
4. 注意事项：当机组工作过程中出现异常情况时，应立即停机检查原因，并在技术人员的指导下进行必要的修理或更换。
四、常见问题及解决办法1. 机组无法正常启动：请检查电源连接是否正确，机组的主开关是否打开，按钮是否损坏。
2. 机组运行过程中出现异常震动：请检查机组的基础或支撑是否牢固，机组旋转部分是否有异物。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供 电的系统。
• 自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器 提供的转子位置信号来控制变压变频装置 换相时刻的系统。
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思考：哪个是凸极式哪个是隐极式？
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项目5 数控机床的进给伺服系统
工作原理： 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N0极（或S0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。
60 f n p
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。
项目5 数控机床的进给伺服系统
项目6 数控机床的伺服驱动系统
任务6.7 交流永磁同步电机的变频控制系统
按磁场定向的矢量控制系统（了解）
永磁同步电动机的他控 变频调速系统
永磁同步电动机的自控 变频调速系统
梯形波永磁同步电动机（无刷直流 电动机）的自控系统（掌握） 正弦波永磁同步电动机的自控系统 （掌握）
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项目5 数控机床的进给伺服系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
正弦波永磁同步电动机的自控变频系统
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 由电机转子上的位置检测装置测的转子位置角θ， 经正弦信号发生器得到三个正弦波位置信号分别为： a=sinθ b=sin(θ-1200) c=sin(θ+1200) • 速度指令Un*与反馈指令Un比较后,通过速度调节器 ASR输出转矩指令T*，T*与电流I*成正比，在乘法 器中与a、b、c相乘得到三相电流信号
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项目5 数控机床的进给伺服系统
永磁同步电机的优缺点
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；
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项目5 数控机床的进给伺服系统
问题解决思路
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。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
2、正弦波永磁同步电动机的自控变频
• 首先，交流永磁同步电动机的转距表达式 T= KT IΦ 式中 KT是比例系数 I是定子电流幅值 Φ是转子磁链 • 由于KT是常数，Φ是转子磁链，对于同一电机来说 认为是常数。因此电机的输出转矩与正比于定子 电流幅值，控制定子电流幅值就能很好地控制转 矩，和直流电动机完全一样。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
(a) 图6-7-2
(b)
(c)
(a) α=0°; (b) 0°＜α＜90°; (c) α=90°
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转 速n虽然不变， α却相应增大。如果负载转矩超 过最大同步转矩（α>900) ，电动机就会带不动 负载，转速便会下降即而出现所谓的失步现象， 直到转速下降为零。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 每60度时,V1~V6 导通状态改变一 次,定子三相绕 组中电流状态改 变一次,定子磁 场转动60度，转 子也步进60度。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 无刷直流电动机的转速控制是无刷直流电动机在 恒转矩调速状态下，根据速度给定指令的大小， 经速度和电流调节，通过PWM控制，换向逻辑控制 电路输出的基极驱动脉冲频率发生变化，从而使 逆变器输出的方波电流频率也随之变化，最终实 现调速的目的。 • 和直流电动机改变电枢电压极性从而改变转向的 控制不同，无刷直流电动机的转向控制是根据速 度给定指令中的方向信号，经逻辑换向控制，使 逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变， 从而改变三相通电顺序，使定子磁场的转向改变， 实现电动机的转向控制。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
二、他控变频调速系统
按转子磁场定向的矢量控制系统 基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过 坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再 模仿直流电动机的控制方法进行控制。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
三、自控变频调速系统
1、无刷直流电动机的方波电流驱动 无刷直流电动机的驱动原理和直流电动机是等效的。 无刷直流电动机采用电子逆变器和转子位置检测 器，用静止的电子换向电路代替了机械式的电刷 和换向器。 • 在无刷直流电动机中，三相绕组通入的方波驱动 电流具有双极性、方波宽度为120。角度、三相电 流相位差120。电角度的特性。三相绕组方波电流 由V1～V6大功率晶体管组的逆变器生成。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
一、交流永磁同步电机
永磁式同步电机 同步电机 反应式同步电机 磁滞式同步电机 永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，结构 形式可以是凸极式，也可以是隐极式。 隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，但凸极 效应能产生平均转矩。
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项目5 数控机床的进给伺服系统
图6-7-1
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项目5 数控机床的进给伺服系统
• 同步电动机电磁转矩的大小与定、 转子磁场轴 线之间的夹角α的大小有关。 • 如图6-7-2所示。对于磁极对数p=1的隐极式转子 的永磁式同步电动机来说： 当α=0°时，转子只受到径向力的作用，不会 形成电磁转矩。 当 0°＜ α ＜ 90°时，转子受到的作用力可以 分解为一个径向分量和一个切向分量，其中切向 分量产生电磁转矩。 当 α=90°时转子只受到切向力的作用，电磁 转矩最大，称为最大同步转矩。
iU*= Isinθ iV*= Isin(θ-1200) iW*= Isin(θ-1200)
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项目5 数控机床的进给伺服系统
•
三相电流指令i*U、i*V、i*W 在与电流检测反馈 信号iU、iV、iW比较后，通过电流调节器ACR得 到正弦波控制信号，然后经SPWM控制及驱动电 路获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制 主电路中的六个大功率晶体管的导通和截止， 输出U、V、W三相正弦波电流控制电动机运行。