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基于永磁同步电机驱动系统的效率优化
Waleed Hassan and Bingsen Wang
电气与计算机工程系
密歇根州立大学
2120建设工程
东兰辛，MI48824
邮箱：hassanwa@msu.edu; bingsen@egr.msu.edu
摘要：该文提出的是一种结合计算和分析的方法能够使用较少的执行时间和足够的精度计算永磁同步电机（PMSM）的任何操作点，无论是在电机反相器损失中基波还是谐波的损失都被建模，使得该反相器的电动机效率可以在不同的情况下测试。磁场定向控制的数值模拟已经被推断和总结出包括电流，调制因素，功率因数，开关频率和在驱动系统中所有的变量。此外，最大效率控制策略已经被选择作为使得驱动系统可以在所有工作点中最有效的工作条件中工作这工作建议在基于永磁同步电机的驱动系统上下呈现。但是，提出的方法可以拓展到所有使用永磁同步电机感应驱动系统来控制反相器的输出电压。
Ⅰ .引言
损失建模和高性能电机驱动系统已经引起显著的研究关注[1]-[4]。这些减少系统损失不仅可以可以转化为更高分效率，降低运行成本，还可以减各种组件或子系统上的热应力，而且作为回报可以提高整个系统的可靠性。由于提高了可靠性降低看生命周期的成本是在许多电驱动系统的敏感价值应用中有巨大的现实意义。
永磁同步电机的效率和功率密度已经被几个文献作者研究了[2]，[4] - [6]。他已经显示永磁同步电机在可调速驱动器使用时可以明显实现比异步电机更高的效率。用于估计表面式永磁同步电机损失的分析方法已经在文献[5]中提出。一些研究人员已经使用永磁同步电机的电气模式，包括并行阻力在高性能使用中占了核心损耗[2]，[4]。可以得出结论，铜和磁芯的损耗需要被占用在分析和控制高性能的电机驱动。磁芯消耗是由于基波和谐波的激励.。
现有的驱动系统的优化方法集中在电机的基本损失。尽管反相器损失已经被知道，但是反相器的损失往往不能最优化的计算处理[7]。对变压器的谐波损耗的研究已经被报道[8]。本文提出了一种完整的方法来优化驱动器的效率，这包括反相器的开关的基本损失和损耗。
本文的其他部分安排如下。第二部分提供永磁同步电机基于由当前定子绕组的三相产生的电枢反作用场的谐波损耗分析模型。自然采样正弦脉宽调制（SPWM）的双傅里叶级数已被用于评估和分析。第三部分提出的由SPWM控制的三相反相器的损失计算的数值分析方法。最有效率的控制策略在第四部分出现，结果和结论在第五部分介绍。
Ⅱ 永磁同步电机谐波耗损模拟
在电机中的磁芯损耗由两部分组成，即使滞后和涡流损耗，这两种损耗都是由于在芯中的磁通密度随时间的变化，该磁芯损耗完整的表达式为：
其中是涡流损耗系数,是磁滞损耗系数，是n阶的峰值磁通密度，是施加的电压的基波角频率。
A 谐波磁通密度
在本节分析模型表面式永磁同步电机的谐波损耗，他的研发是根据已经公布的由定子绕组产生的电枢反作用场进行预测，三相定子绕组所产生的电枢反作用场的公式是：
其中= 是电转子角速度，单位是[rad s-1],磁通密度取决于n的幅值。
电枢反应电流由下式确定：
B. 涡流损耗
一旦该磁通密度的最大振幅被确定。其中从当前电枢空间适量引起，找到准确的模拟铁芯损耗的方法出示在下面的公式中：
将（3）代入（4）和经过损失评价限定体积，对涡流的铁芯损耗的表达式见下面的公式：
钢芯材料的质量密度是公斤每立方米；V是钢芯的体积[]，他们的乘积就是钢芯的质量，的定义如下：
C.磁滞损耗
按照最后一部分相同的程序，滞后损失可以表达为：
其中被定义为：
最终铁损的表达式为下式，单位是[W]。
和详细检测表明他们一直是电机给定的设计，因为他们都取决于电机的尺寸。
D. SPWM谐波分析
如果从（7）中排除与基本相关的损失，核心谐波损耗可以表示为：
很显然在电机谐波的损失可以充分被评估，如果我们可以确定电流谐波的幅度。
对于有两个级相的三相反相器，三相反相器的线-线输出电压的平衡装置已经被得到了除非他的参照物已经被转动120度，在这样的条件下，这些线电压可以通过以下公式自然采样至SPWM：
主要显著的边带谐波是在频率。
在表面式永磁同步电机的可以被分析为一个由串联阻抗和d轴和q轴的阻抗相同的反电动势组成的单相电路。在谐波频率3,6,9定子电阻和反电动势可以被忽略使得电动机建模是只有电感同步，电机的相电流可以有相电压和定子绕组的同步电感。随着星型联接的永磁同步电机的假设，所述相电流的公式由下式给出：
将公式九代入公式十得到谐波的定子电流，一旦定子电流是确定的，谐波损耗就很容易计算了。
Ⅲ 反相器的电压损耗
多数有PWM的载波频率引起电机的谐波损耗都可以通过增加反相器的开关频率来最小化。尽管如此，反相器开关的损耗将随之增加，他的详细解释在随后的部分展示。因此为了获得该系统的全球最优化，需要确定频率损耗变频器损耗一起的最小电机谐波的值。他的目的是为在永磁同步电机驱动器中使用基于IGBTD 电压源反相器功率损耗计算提供分析模型。半在反相器中半导体开关的反相器参数已经被从FAIRCHILD，RURG5060和G30N60A4模块数据表中提取。
许多不同的方法已经被提出用来评估电压源反相器的损耗。首先是基于对集成或并行运行的损失甲酸特定的模拟程序来进行完整数值模拟，第二是计算基于行为分析模型的电气性能[7]。对于在短暂时间的损失准确的估计和所有操作情况下，一种混合模型已经研制成功。在这种模型中，由于电机驱动系统的数值模所造成的操作条件已经被用于分析模型。功率开关器件的损耗包括传导损耗，开关损耗和关断状态的阻塞损耗。
- VSI的交换损失
VIS的正弦交流线路的电流和IGBT开关器件的开关损耗的方程式由下式给出：
其中是VIS的开关频率，是直流线路的电压，是假设正弦曲线的ac线电流的峰值，和是IGBT的能量的断开和连通。是断开由于反向恢复电流产生的功率二极管的能量。
- VSI的传导损耗
与开关损耗相反，传导损耗是直接依赖于调制功能，作为PWM模型的载体，IGBT的传导损耗和二极管可以表示为：
其中M是调和指数，是基本调制功能与负载电流之间的夹角。不同运行点的总的反相器损耗将在下一节进行分析。
C．VSI的总损耗
VSI的总损耗已经表Ⅰ上参数的基础上进行了评估。
一个范围内的开关频率的开关损耗已经在表1中列出。显然，开关损耗是正比于开关频率并且为一个给定的负载电流和开关频率保持恒定。传导损耗取决于载荷位移角，调制指数和负荷电流。表二图解了在不同载荷条件下不同载荷位移角的传导损耗的变化对传导损耗的影响。传导损耗的公式表明当位移角为零时损耗为最大，并且随着位移角总零变大或者变小而降低。在变速传动系统中的磁场定向控制，对于给定了速度指令，控制器将分配成比例的电压给那些调制装置一定的速度。但是增加电机的速度需要更高的线电压还会引起电机为恒定的负载转矩产生更高的电流。换句话说，增加电机的速度会增加反相器的损耗，调制指数会高。
Ⅳ.损耗最小控制策略
合并铜损和铁的基本损耗可以通过[4]开发的控制策略来最小化。可控的损耗可以通过适当的电枢电流矢量的选择来最小化。设置电流为零时一种很常见的设置方法。结果是，电枢电流矢量及反电动势的相被应用。另外不可逆的永磁磁铁的退磁可以被避免。这种永磁磁铁的最近的发展带来了具有较高矫顽力和高剩磁力的材料。因此，若干控制方法已经被提出用来提高PM电机驱动器的性能。这样的控制方法电枢电流的d轴的分量是根据操作速度和负载主动控制的。在下一小节中，电机模型的基本方程需要被开发控制算法。
- 永磁同步电机电机的建模基本损耗
永磁同步电机的稳态d,q模型在图三中展示，
基本铁损耗包括磁滞损耗和涡流电流损耗。此处，这两个损耗分量集中带一个单一的量中，这就是有磁芯损耗电阻R表示。像图三中展示的，永磁同步电机电压的方程如下式表示：
其中
电枢电流，末端电压，转矩表达为：
铜损和铁损由下式确定：
B．最小损耗的条件
总的电功率的损耗可以表示为，和的函数，在稳态下，电损耗是由于.因而，对于表面式永磁同步电机的，因此，简单的表达可以产生。通过相对于对的分化，这种控制I最低损耗的的条件被发现：
在定向控制系统中损耗最小化算法已经在图4中，模拟结果将在下一节中呈现。
Ⅴ.仿真结果与讨论
表面式永磁同步电机的机械参数已经在表Ⅱ中列出，该定向控制系统包括在Matlab / Simulink中实现的最小损耗。电机电机谐波损耗有MATLAB方框使用从SIMULINK不同的工作条件中获得的变量计算得到。转换器的损耗是直接通过使用SIMULINK系统通过FOC子系统产生参数进行计算的。结果和讨论将在第三部分呈现。在最小损耗的控制策略（LMCS）下的FOC。VSI电机的根本性损耗和VIS电机的谐波损耗。
- FOC的损耗最小化控制
在额定条件下电流，速度，转矩的动态响应分别显示在图5和6中。该系统接近稳态状态在响应接近0.14秒的参数在表Ⅱ中列出。电流和转速控制器设计是通过在[4]中展示的解决的最佳方法。在磁芯损耗电阻的计算中，需要电机在额定转速和正弦电源产生扭矩运行，使得不会产生高次谐波损失。基本铁损P是通过减去总输出功率中的机械损耗和铁损。该铁损电阻R可以从磁芯损耗（18）中得到，其中所测量的R在额定输出功率中为铁损电阻，几乎可以说R是取决于操作状况。然而，我们假设踏实一直存在的。
图7显示出表面式永磁同步电机的效率相对两种控制策略的速度。零I的的控制策略和LMC的控制策略。很显然，在最大效率的控制策略下电机是效率是比在零的控制策略要高。但是，效率上的不同并不像安装了永磁同步电机那样显著作为内部永磁同步电机，有以下几个原因。内部永磁同步电机的负d轴电流产生一种正磁阻转矩，这是由于显著性，因此定子电流和铜损相比较控制更小。此外，这两种类型的永磁同步电机的负d轴电流降低了磁通量。因此，电压V，铁损相对于策略是比较小的[4]。由于表面式永磁同步电机无显著没有磁阻转矩。但是，降低交链磁通和施加电压的影响仍然是有效的。
- 变速指示器和永磁同步电机的基本亏损
由于在三部分提出，变速指示器的损耗可以被分为导通损耗和开关损耗。由于开关损耗正比于开关频率和电机的相电流，开关损耗增大或减小负载转矩和参考速度的增大或减小。此外，导通损耗正比电机的相电流，调制指数和位移因子。调制指数受负载和速度的控制，因此负载和速度的增加需要更高的电流，需要一个更高的电压。因此，调制指数增加也要求提供所需电压的增加。关于位移角，他对导通损耗的影响在第三部分讨论过。
图8（a）表达了电机基本损失和I在损失控制战略最小化之间的关系。该曲线的凸点是在表Ⅱ最小损失点————。图八（b）展示了反相器损失和I之间的关系。
这个结果可以解释如下：相电流的有效值是，当=0时，很显然相电流具有最小值。然而，它解释为大多数逆变器损失是由电流控制的。当相电流是最小时，逆变器的损失也将最小。图8（c）显示出电机损失的总和与逆变器（itd）之间的关系。这个关系表明电机和逆变器的最小损失值是根据损失最小化算法得到的介于0和最优之间的一个点。
在所有负荷和转速的条件下，可以观察到逆变器最小损失值发生在0，并且由损失最小化算法生成的在相同条件下总是不同的。此外，合并后的最低耗损值将仅位于0和损失最小化算法得到的之间的区域。
C 电压源逆变器和永磁同步电机的谐波耗损
在任何工作点的电机谐波耗损可进行如下计算。首先，该机在额定转速和正弦电源的扭矩关闭下进行工作。然后测量输入功率并计算铜耗损和输出功率，这些用于电机效率和基本磁芯的耗损。重复除了在相同扭矩和转速的条件下电动机正弦脉宽调制-变速驱动控制器提供的相同步骤。磁芯损耗是在输出功率中计算出正弦脉宽调制代表的基波和谐波损失的总和。在一定的扭矩和转速时，从SPWM磁芯损耗产生的谐波电机损耗中减去正弦磁芯损耗。在=6N*m和N=4500rpm时，计算出谐波损失为90.8445W。然而，开关具有PWM-变速驱动控制器正弦电源时，电动机效率从92.68减少到90％。在永磁同步电机损失非常的小，可以忽略不计。在这项工作里的失去值被假定为总谐波损失5％的。
下一阶段计算和：
计算的结果是=3.8729*10^8和=0.0013，在任何操作状态下谐波损耗是：
图9中表明
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