基于MATLAB的永磁同步電機變頻調速系統的仿真及研究

胡雪琳 齊向東 張媛

【摘要】變頻調速技術是同步電機的研究熱點之一;基于永磁同步電機變頻調速理論，采用MATLAB建立了三相同步電動機啟動、制動和變頻調速的仿真模型;通過動態仿真研究了這三種過程中單相的電磁功率、電樞電流、功率角及轉速的變化規律，為同步電機變頻調速的研究提供了研究方法和技術參考。

【關鍵詞】MATLAB;永磁同步電機;變頻調速;系統仿真

Study on simulation of frequency control system of permanent magnet synchronous motor based on MATLAB

HU Xuelin，QI Xiangdong，ZHANG Yuan

（School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

Abstract：Frequency control technology is one of the research focuses of permanent magnet synchronous motor.Based on the frequency control theory of permanent magnet synchronous motor，the frequency control of the starting，braking and simulation model of three-phase synchronous motor were built by MATLAB.The change of the armature current，power Angle and speed of single-phase were studied by dynamic simulation.The research method and technical reference of frequency control of permanent magnet synchronous motor were provided in this study.

Key words：MATLAB;permanent magnet synchronous motor;frequency control;system simulation

1.引言

隨著電子元器件制造技術和永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機的開發和應用向著微型化、大功率化和高效率化的方向不斷發展。永磁電動機是在永磁磁場上通過電磁原理實現機電信號和能量轉換的電機。新型永磁材料的出現，使得同步電動機具有高功率密度和優良的動靜態品質。由于永磁同步電機本身具有時變、非線性、強耦合等特性，所以使它具有更好的調速性能是永磁同步電機的研究難點。本文利用MATLAB軟件建立一種同步電機變頻調速系統的仿真模型，模擬了現實情況下該系統的運行狀況，采集和分析了各性能指標的變化情況，并對系統進行調整，使其具備更好的變頻調速性能。

2.永磁同步電動機拓撲結構及工作特點

同步電機具有電源頻率與轉速保持嚴格同步的特性，當電源頻率保持恒定，電機的轉速也保持恒定，自控式永磁同步電機拓撲結構如圖1所示。同步電機有單獨的勵磁，可以通過控制勵磁電流來調節它的輸入功率因數，使得功率因數達到1.0，甚至超前。

同步電機轉差恒為零，屬于轉差功率不變型調速系統。同步電機變頻調速的基本方法、原理及變壓變頻裝置都和異步電機基本相同。但由于同步電機在轉子側有獨立的直流勵磁，在極低頻率下也能運行。因此，在相同條件下，同步電機的調速范圍比異步電機更寬。除直流勵磁繞組（或永久磁鐵）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。當同步電機恒頻運行時，阻尼繞組有助于抑制重載時容易發生的振蕩和失步;當同步電機在轉速閉環下變頻調速時，阻尼繞組有助于加快動態響應和抑制變頻器引起的諧波影響。而且，相比異步電機，同步電機對轉矩擾動具有更強的承載力和更快的響應。

圖1 自控式永磁同步電動機的拓撲結構

3.建模與MATLAB仿真

3.1 建模

永磁同步電動機的電磁轉矩基本上取決于定子交軸電流分量和直軸電流分量，在永磁同步電機中，由于轉子磁鏈恒定不變，故采用轉子磁鏈定向方式來控制永磁同步電機。假設電機是線性的，參數不隨溫度等變量變化;且忽略磁滯、渦流損耗，那么基于轉子坐標系的電機磁鏈方程為：

（1）

（2）

式中，——轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈;

Ld、Lq——永磁同步電動機的直、交軸分量;

id、iq——定子電流矢量的直、交軸主電流。

電機定子電壓方程為：

（3）

（4）

式中，Ud、Uq——定子電壓矢量U的d、q軸分量;

——轉子角頻率。

電機的轉矩方程為：

（5）

式中，np——電機的極對數。

根據永磁同步電機的不同用途，可采用不同的電流矢量的控制方法，如：id=0控制、控制、弱磁控制、恒磁鏈控制和最大輸出功率控制等。其中，id=0最為簡單，可降低與之匹配的逆變器的容量，恒磁鏈控制可增大電動機的最大輸出轉矩。本文采用id=0控制方式，電磁轉矩為：

（6）

由上式可知只要控制iq就可以控制電磁轉矩，從而控制同步電機的轉速。

自控變頻同步電動機調速系統的特點是在電機軸端裝有轉子位置檢測器BQ，如圖2所示，由它發出的信號控制逆變器UI換相，從而改變同步電動機的供電頻率，保證轉子轉速與供電頻率同步。調速時，由脈寬調制或外部信號控制逆變器的輸入直流電壓。

圖2 自控變頻同步電動機調速系統結構原理框圖

大型同步電動機轉子上一般都有勵磁繞組，通過集電環由交流勵磁發電機經過整流器供電，或由直流勵磁電源供電。對于經常高速運行的機械設備，定子常用交-直-交電流型變頻器供電，其逆變器比給異步電動機供電時更簡單，可以省去強迫換相電路，利用同步電動機定子中感應電動勢的波形實現換相，圖3為該系統的原理圖。

圖3 由交-直-交電流型負載換相變壓變頻器供電的

同步電動機調速系統

圖4 永磁同步電機變頻調速控制系統原理圖

圖4為永磁同步電機變頻調速控制系統原理圖，圖中的控制系統可以分成兩部分，虛線框內為控制系統的硬件部分，其余為控制系統的軟件部分。

3.2 MATLAB/Simulink仿真

3.2.1 三相同步電動機的啟動仿真

圖5 三相同步電動機異步啟動仿真模型

圖6 三相同步電動機異步啟動仿真結果

用MATLAB/Simulink建立三相同步電動機異步啟動仿真模型，如圖5所示。異步啟動實質是依靠電機轉子上阻尼繞組進行啟動。因此，在啟動開始時不能給勵磁繞組施加電流，只有當轉速達到同步轉速時，再施加電流，進入同步。模型中主要有同步電動機、測量信號模塊、三相交流電源、示波器、勵磁電流施加控制等模塊。仿真實驗監測了整個啟動過程，示波器顯示同步電動機異步啟動過程的A相電樞電流、電磁功率、轉速和功率角的變化曲線。由圖6可知，在電機的異步啟動過程中A相電樞電流逐漸趨向于0，電磁功率經過小幅度的振蕩最終也趨于0，轉速趨于穩定，功率角在不斷的變化。

3.2.2 三相同步電動機的能耗制動仿真

用MATLAB/Simulink建立三相凸極同步電動機能耗制動仿真模型，如圖7所示。該仿真模型在同步電動機起動仿真模型的基礎上增加了能耗制動部分，采用兩個三相斷路器，其中一個三相斷路器用于異步起動時接通三相交流電壓源，另一個三相斷路器用于同步電動機從正常運行進入能耗制動的控制。仿真實驗監測了整個制動過程，示波器顯示同步電動機能耗制動過程的A相電樞電流、電磁功率、轉速和功率角的變化曲線。

由圖8可知，在電機的能耗制動過程中A相電樞電流逐漸趨向于0，但還有一些微小的波動，電磁功率逐漸趨于0，轉速趨于穩定，功率角呈規律性變化。

圖7 三相同步電動機能耗制動仿真模型

圖8 三相同步電動機能耗制動仿真結果

圖9 三相同步電動機變頻調速仿真模型

3.2.3 三相同步電動機的變頻調速仿真

用MATLAB/Simulink建立三相同步電動機變頻調速仿真模型，如圖9所示。為了獲得可控頻率電壓源實現變頻調速，本文構建了由外部斜坡源信號控制的三個正弦信號源，以控制電壓源的頻率，模型如圖10所示。在30s時刻給一個初始值為1、斜率為0.001的斜坡信號，限幅參數設置為1.01。仿真實驗監測了整個調速過程，示波器顯示同步電動機變頻調速過程的A相電樞電流、電磁功率、轉速和功率角的變化曲線。由圖11可知，在電機的變頻調速過程中A相電樞電流在零點附近不斷振蕩，電磁功率為0，轉速平穩上升，功率角為0。

圖10 三相可控頻率電壓源模塊結構

圖11 三相同步電動機變頻調速仿真結果

4.結論

利用MATLAB/Simulink建立三相同步電動機啟動、制動和變頻調速的仿真模型，獲得了三種過程中單相的電磁功率、電樞電流、功率角及轉速的變化規律：在啟動過程中A相電樞電流趨向于0，電磁功率經小幅度振蕩后趨于0，轉速趨于穩定，功率角不斷變化;在能耗制動過程中A相電樞電流趨向于0，但有微小的波動，電磁功率趨于0，轉速趨于穩定，功率角呈規律性變化;在變頻調速過程中A相電樞電流在零點附近不斷振蕩，電磁功率為0，轉速平穩上升，功率角為0。本文可以為同步電動機變頻調速系統的理論研究和實際應用提供一定的技術支撐。

參考文獻

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]朱南，張理兵，葉衛川，等.基于MATLAB的單相PWM逆變電路的仿真研究[J].電子世界，2012，4（7）：70-72.

[3]呂偉鵬.無刷直流電機雙閉環串級控制系統仿真研究[J].電子設計工程，2011（24）：30-34.

[4]王秀和，楊玉波，朱常青.異步啟動永磁同步電動機——理論、設計與測試[M].北京：機械工業出版社，2009.

[5]張承慧，崔納新，李珂.交流電機變頻調速及其應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]黃斌，潘云蛟.MATLAB/SIMULINK永磁同步電機無傳感器矢量控制系統仿真[J].電子世界，2013，11（21）：30-32.

[7]顧春雷，陳中.電力拖動自動控制系統與MATLAB仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

作者簡介：胡雪琳（1989—），女，碩士研究生，主要研究方向：電氣控制及裝備技術。