正弦脈寬調制逆變器與永磁同步電機的配合
陳益廣(天津數控傳動技術應用研究所300110)
1 引 言
隨著微電子技術、電力電子技術及稀土永磁材料的飛速發展，交流電機矢量控制技術日益成熟，spwm逆變器與永磁同步伺服電機組成的交流伺服控制系統不斷出現，并得到廣泛的應用。控制策略不同，逆變器的特性也不盡相同，選擇好永磁轉子磁場空間分布形式，不僅可提高系統的性能指標，同時還會減小電機體積，節省材料。
永磁轉子磁場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作矩形分布。正弦分布的永磁轉子在定子三相繞組中感應的電勢正弦變化，矩形分布的永磁轉子在定子三相繞組中感應的電勢除基波分量外，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的直流電壓有無波動及定子三相繞組感應電勢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律變化和三相對稱，諧波電流極小，且三相繞組產生的空間合成旋轉磁勢軸線與永磁轉子q軸始終重合。此時控制三相定子電流的幅值即可改變電機電磁轉矩大小，改變定子電流的頻率即可改變電機的轉速，得到與直流電動機控制原理相同的特性。此時永磁轉子磁場空間分布可與直流電機磁場分布一樣，可以是矩形分布的，而得到較大的電磁轉矩輸出。
如附圖所示，設永磁同步電機為2極，電機軸向有效長為z，定子內徑為r，q軸為空間角θ的零點。各物理量的空間分布見附圖，其中定子三相對稱電流產生的空間合成磁勢表達式為：
f(θ)=fmcosθ
假定定子內圓等效電流片i(θ)產生的合成磁勢與定子三相繞組產生的合成磁勢相等，則電流片空間分布可表示為：
i(θ)=fmsinθ
當永磁轉子磁場正弦分布時，磁感應強度空間分布b1(θ)為：
b1(θ)=bmsinθ
一般稀土永磁材料充磁后，****剩磁磁密bm是相同的，則永磁轉子磁場矩形分布時，其磁感應強度空間分布b2(θ)為：
根據電機電磁轉矩公式：
可推出永磁轉子磁場兩種空間分布形式下的電磁轉矩為：
永磁轉子磁場空間矩形分布時與正弦分布時電磁轉矩比為：
當δ=π／6時，極弧系數為o．67，m2，m1=1．217，這是極易做到的。當δ→0時
可見，電機體積相同時，矩形分布時比正弦分布時要多輸出20％以上的力矩，永磁磁場矩形分布時，磁鋼的加工、充磁、安裝緊固以及轉子軸身的加工都相對方便。因此，電流型spwm逆變器供電永磁同步伺服電磁永磁轉子磁場分布應選為矩形分布形式，這種配合會得到較高的電磁轉矩輸出。
3與電壓型spwm逆變器配合
電壓型spwm逆變器是通過脈寬調制保證三相輸出電壓濾波后極其接近正弦波。若永磁轉子磁場正弦分布，定子感應電勢則為正弦變化，三相定子電流也正弦變化，電機運行特性好。若永磁轉子磁場矩形分布，則定子感應電勢為非正弦變化，它包含有高次諧波電勢，現在電機輸入電壓為正弦波，則定子電流中除基波外，也同時出現了大量高次諧波。雖然基波電磁轉矩增加了，但諧波電流與永磁諧波磁場相互作用也產生電磁轉矩，當諧波電流與永磁諧波磁場次數相同時，兩者相互作用產生發電機制動轉矩；兩者次數不同時，相互作用產生周期性變化的電磁轉矩。因此，電壓型spwm逆變器供電永磁同步伺服電機永磁轉子磁場應選為空間正弦分布形式。這樣構成的交流伺服系統動態性能好。
4結話
與電流型spwm逆變器配合的永磁伺服電機的永磁轉子磁場應為矩形分布，與電壓型spwm逆變器配合的永磁伺服電機的永磁轉子磁場應為正弦分布。同時還可看出，電流 |
