永磁同步电机三维电磁场分析及电机与控制系统一体化仿真

• 作 者: 左美洋
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 永磁同步电机 电磁场分析 控制系统 电机系统 一体化仿真

风力发电机安全可靠性要求的提高，对风电主流机型之一的永磁同步电机的设计提出了更高挑战。传统的基于“磁路法”进行永磁同步电机设计已经不能满足精确性的要求，对与电磁场分析相结合的新型电机设计方法的探索和研究已成为需要。　　
本文第一部分即致力于永磁同步电机电磁场分析方法的研究。在介绍电机电磁场分析的背景和原理后，以3.6MW永磁同步风力发电机为研究对象，进行电机三维电磁场建模和仿真分析。同时，为了验证电机二维电磁场分析的可靠性，进行了二维电磁场分析和三维场分析的对比，对空载电压、负载电压和负载电流等仿真计算结果进行了比较，并结合电机设计方案对漏磁系数、齿槽转矩和端部漏抗等进行了分析，结果验证了二维仿真计算的精确性，证明了在结合准确的电机设计参数的前提下，按照二维电磁场进行简化建模的仿真计算是足够可靠的。　　
论文第二部分为试验验证，以3.6MW永磁同步风力发电机样机的空载和负载试验数据为依据，在电机空载电压、负载电压、电流和功率因数等方面将电机相应工况的电磁场仿真数据与之对比，仿真数据与试验数据误差全部在误差范围内，进一步验证了电磁场仿真分析的正确性。　　
论文第三部分进行了电机与控制系统一体化仿真的研究，实现了11kW异步电机及其矢量控制系统一体化建模，对电机在矢量控制策略下的空载起动、突变负载和调速等工况进行了仿真计算。一体化模型充分考虑了电机与控制系统的相互耦合特性，仿真分析了电机定子电流、电磁转矩和转速跟随等系统动态响应特性，同时得到了电机在相应的控制策略下任意时刻的磁力线分布、磁密云图和气隙磁密等电机电磁场瞬态特性。此外，为了验证电机与控制系统一体化仿真的准确性，本文将一体化建模的仿真结果与基于电机数学模型的控制系统电路模型仿真结果以及基于电机物理模型的电磁场仿真结果进行了比较，结果表明，一体化模型既考虑了电机外部的复杂激励条件，又考虑了在这种激励下电机内部的电磁反应，能有效地实现对电机系统的精确性能分析，为电机优化设计提供方法参考。