变频器驱动下永磁同步电机效率优化的方法

变频器驱动下永磁同步电机效率优化的方法

黄昭健

中冶南方都市环保工程技术股份有限公司  湖北 武汉 430200

摘要：变频器驱动下永磁同步电机的效率影响着压缩机的 运行，为了解决目前的电机的技术问题，本文针对这一问题提出了变频器驱动下永磁同步电机效率优化的方法，运用EEPROM 参数PID控制初始值，对永磁同步电机进行优化设计，降低变 频压缩机的设计难度，开拓市场的发展前景。

关键词：变频器驱动 永磁同步电机 效率优化方法

引言

永磁同步电机和常规的直流电机相比,永磁同步电机的结构简洁、尺寸小、维修简便、无机械转换器等特点，具备噪声低、转矩密度高等优点。永磁同步电机作为变频压缩机的零部件，在变频压缩机的优化设计当中就是要攻克电机效率的难关。变频器运用输出电源电压和频率的方法来进行变频调速的要求，提升永磁同步电机的工作效率，保持电机的稳定性，利用EEPROM参数的调节可以使企业降低成本、节约能源、保证压缩机运行良好。

一、变频器的概述

（一）变频控制技术的原理

变频控制技术实现变频调速的设备装置就是变频器，永磁dw同步电机运动平衡的方程式为：Te-T1=Jr/npdt在方程式中字母所代表的含义：wr 为电机的机械角速度; np 为电机转速; Te 为电磁转矩;J 为转动惯量; Tl为负载转矩。根据方程式可 以得出变频器驱动下永磁同步电机可以由电磁转柜实施调速， 永磁同步电机的电磁转柜的数学模型为Te=1.5npiq［ψf+(Ld－ Lq)id］，在公式中字母所表达的含义为：Ld为 d轴电感;ψf 为等效 d 轴永磁体磁链幅 值; ; Lq 为 q 轴电感 iq 为q轴电流; id 为 d轴电流。所以，在永磁同步电机在转子坐标系对激磁电流 和转柜电流进行分别控制，进而，实现与直流电 机相匹配的调速性能。

（二）变频器EEPROM匹配

变频器一般由一体式变频器和分体式变频器，一体式变频器主要有主控和变频驱动组成，可以同时驱动压缩机和冰箱。 一体式变频器的变频驱动软件可以用作主要参数的储存

EEPROM芯片，EEPROM存储,EEPROM存储是一种带电的擦视可编程设备的只读存储器，EEPROM芯片不仅可以重复擦写，也可以对过电压、过电流、 过功率、堵转等软件的保护，还可以输入主要的参数值。

二、永磁同步电机的发展现状

永磁同步电机的产生是人类不断进步的产物，是人类对电 机不断创新研究的结果，是电子电力产业发展的标杆，在横穿 整个交直流电气的发展历程。永磁电机也是中国历史上第一个电动机,永磁电机原本使用天然磁铁,但由于原材料的磁力功能很不好,就逐渐被电励磁电机所取代。科技不断地的发展,尤其是材料学的进步,永磁电机得到了更广泛的发展空间,永磁电机在工业和民用行业的发展已经具备了一定的影响力。永磁同步电机的开发,和它的主要原材料永磁物质有着紧密的联系,而永磁物质不但可影响永磁电动机的磁性能,还对永磁电动机的结构设计等方面都产生了重要的影响。

目前,国内对永磁同步电机控制系统的研究重点一般是在新型结构优化、气隙磁场结构优化,以及管理策略优化等多方面。目前我国对于永磁同步电机技术的研究正在逐步的成熟化,向着更高水平、高速度,更大扭矩、大功率、高效率、更智能化和微型化的长远发展趋势。而随着信息化技术的提高,微型计算机的出现以及智能化管理的进展,使永磁电机在各行各业中得到了广泛地运用。社会的迅 速发展，使企业和人们对永磁同步电机的需求越来越严格，使 永磁电动机朝着精密度高和调速范围大的要求发展。现在国家 生产技术的不断提高，使高性能的永磁材料向前迈进了一大步，致使永磁同步电机的生产成本不断地下降，逐步地被应用到生 活中的每一个角落。

电机的本体研究重点集中于永磁同步电机的永磁转子构成形式。目前中国对永磁同步电机的研发重点在如下几个方面:

（一）优化设计新型转子结构

新型的转子结构设计需要借助的稀土永磁体材料顽固性高、气隙磁密度高的特征，国家经过适当地改变转子形状结构和尺寸，进行实验研究新的转子结构,例如:halbach陈列(海尔贝克阵列是一个铁磁体构造,是系统工程中的近似理想构造,主要目标是使用最少数量的铁磁石形成最大的磁性。)等来提升功率和密度进而改善电机的性能；科学合理地选择永磁体的材料既可以对电机的性能进行满足，又可以降低永磁体原材料的使用率，增加经济效益和社会效益，降低永磁同步电机的体积。

（二）永磁同步电机的暂态过程和稳态探究

由于永磁体的产生,使得永磁同步电机的起动步骤较为复杂,因此不同于其他异步起动的永磁同步电机,启动当中的研究重点是针对电机的暂态过程,主要利用数字模拟的方法加以解决;稳态过程中各种各样的结构型式、以及各种工况下电动机的特性,主要是对转矩的深入研究。

（三）永磁同步电机的研究方法

永磁同步电机的研究方法是以上世纪80年代运用的id、iq 的研究方法为基础，运用最新发展的电子技术施行不同的控制

策略，主要利用数字控制、模拟控制以及数字模拟技术相结合，但是目前没有实际性的发展突破。

因为永磁同步电机和传统电机结构上的差异化，永磁同步 电机的研究计算方式不可以照猫画虎地运用传统电机的计算方 法进行研究；因为永磁同步电机的磁场特殊性，所以要创新完 善电机内部磁场的研究模式。

三、变频器驱动下永磁同步电机效率优化的实验和实验

结果的分析

（一）永磁同步电机的转子优化设计

永磁同步电机安装永磁体位置不同，永磁同步电机转子也

不尽相同，其形式有表贴式、内置式、表贴内置混合式等等。本次实验永磁同步电机转子运用表贴式的结构，表贴式结构包含磁瓦、铆钉、转子铁芯、下端盖以及上端盖，磁瓦和转子铁芯利用胶水进行轴向和径向的固定。表贴式结构的永磁同步电机转子的永磁原材料为铁氧体。永磁同步电机的旋转速度和输入电压的频率是相互一致的，旋转速度和电压频率在相互同步的时候，输入电压频率取决于永磁电动机自身的旋转速度，其中转速的公式是n=60f/p=20f,在方程式中字母所表示的含义:极对数f为总供电次数,n为电动机速度, p =3。

（二）永磁同步电机电路控制PID值的选择

永磁同步电机输出转矩的控制精密度和速度，与永磁电机

电路的控制性能有直接联系。永磁体的励磁磁链和交直轴电感相互连接后，通过电流闭环来控制，改变d、q轴的电流，就能够实现对输出转矩和电机转速的控制。因此，高精度的电流控制是实现永磁同步电机高效率、高水平的关键所在，变频器驱动下永磁同步电机的电流波形正弦性与电流幅值稳定性，来操控d、q轴电流最优的PID参数值。

（三）永磁同步电机的效率分析

根据权威机构的实验数据，用两款不同型号的永磁同步电机进行电机效率的优化测 验，在变频器EEPROM参数不变的情况下，改变d、p轴电流控 制PID的初始值，运用变频压缩机最高的转速作为测试，在不 同的负载转矩下分别进行测试。测试结果如下面两个表所示：

表 1第一台电机优化参数情况

表 2第二台电机优化参数情况

从结果可以看出，两台永磁同步电机在实施优化后，两台 永磁同步电机的功率因素和电机效率都有限的提高了，第一台 永磁同步电机在负载转矩为0.157Nm处改进的幅度最大，电机 效率的提高幅值范围在0.51%---0.97%之间，第二台永磁同步 电机效率在负载转矩为0.181Nm出的时候优化效果最好，电机效率提高幅值范围在1.04%--1.48%。随之得出负载转矩不断地 增加，电机功率因素提升幅值不断地减少。

四、永磁同步电机电路控制新技术

由于PID控制系统具有各种优缺点,很多发达国家进行了大量的科学研究,随着控制系统理论的进一步发展,多种先进的控制系统方式随之出现。大致可以分成下列几类:

（一）变结构的控制方法

变结构控制系统实质上是一种特殊的非线性控制系统,涉及控制器的调整、跟踪、自适应和不稳定等过程。这种控制策略的优点就是控制系统的"结构"并没有固顶,可以在动态的环境中,随着其当前情况而不断的改变,从而使得其按照既定的状态轨迹运行。变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单等优点。变构控制系统是指将N个子系统按特定的工作规则集成,以使各个子系统都有一个稳定的工作系统和适用范围,并按照控制系统当前的工作情况来确定反馈的调节律。因而,对其稳定函数和系统中所受干扰的不稳定影响有较强鲁棒性,在处理系统不稳定与非线性的整个稳定问题上,发挥着强有力的效果。其关键所在运用了指数无穷趋近于律和幂次无穷趋近于律的主要优势,以具有无穷趋近于律的滑模变结构控制系统为核心,融合了模糊控制与滑模变结构控制系统的主要优势,运用了T-S型的模糊变结构鲁棒控制,因而使控制系统的鲁棒获得了明显提高。的作用。其关键在于结合指数趋近律和幂次趋近律的主要优点，以新型趋近律的滑模变结构控制为基础，综合模糊控制和滑模变结构控制的优点，结合 T-S 模型的模糊变结构鲁棒控制，从而使系统鲁棒性得到了显著提升。

（二）自适应的控制方法

自适应控制的基本方法,即在操作流程中不断检测监控对象的特征,并通过所量测的特性信号使系统按最新的特性进行闭环最优控制,使整个系统始终获得满意的控制性能。所谓自适应,是指生物能改变自身的习惯而适应于新的生活环境中的一个特点。所以,更直观地说,自适应控制可认为是一种能够随着周围环境改变而智能调整自身特征的反馈系统,以使控制系统能够根据一些规定的标准工作或状态。根据系统的输入输出来不断在线辨识模型参数,从而使得模型准确度越来越高,是一个动态的渐变过程。其中具有代表性的是模型参考自适应控制。自适应控制并非普通的系统状态反映或系统输出反映控制设备,只是一种比较复杂的反映控制设备,由于自适应控制系统性的需要严格,实现比较复杂,而且参数变种人也经常会损害总体控制的稳定性,目前该技术还有待进一步完善提高。馈控制, 而是一种比较复杂的反馈控制, 自适应控制实时性要求严格，实现比较复杂，并且参数突变经常会破坏总体系统的稳定性，目前该技术还有待进一步完善提高。

（三）人工智能的控制方法

人工智能控制技术是人类控制蓬勃发展中的高端发展阶段,是将人工神经网络、模糊控制、模糊神经网络、遗传算法等多门学科高度交叉发展和融合的一个前沿学科,智能控制技术是指一种系统不需(或尽可能少的)人的参与,就可以独立地和主动的适应环境条件或加工对象的改变,进而更高效地驱使智能机体使对目标对象进行自动调节,也是人类智能化控制技术的最新蓬勃发展阶段。人工智能控制策略的最大优势是不特别依靠受控对象的模型,但由于计算过程及其繁琐,且运算量很大。为减少人电机参数改变对系统特性产生的影响,研究人员提出了模糊PID调控理论,将自适应模糊神经元控制器应用在该控制领域。其关键在于将神经网络与智能算法进行速度连环控制,并把神经网络与模煳控制有效的组合起来。不过目前这项研究尚有不少研发项目在做,只是很少实际使用的案例,多数发生在尖端科技行业,而且这些研究成果只是提供一些理论的模拟成果,在短期内常规控制器仍将成为工业生产的主体。神经网络智能算法用于速度环控制，从而将神经网络和模糊控制有效地结合起来。但是目前该技术还有很多研究工作要做，只有极少数实际应用的例子，均出现在尖端科技领域，并且大多数研究只给出了理论或仿真结果，在短时间内常规控制器仍将是工业生产的主力。

 结语

变频器驱动下,永磁同步电机效率优化的主要方式是通过各种形式的永磁同步电机,针对性地调整自动化变频器的EEPROM参数或PID控制初始值，提升永磁同步电机各个负载转矩下的电机功率，在设计优化压缩机整机后，提高变频压缩机转速下的量热性能，在任意结构的永磁同步电机上设计优化。在长久的将来，变频器驱动下的永磁同步电机的控制，必将会走向更宽广的领域，其发展有无限可能。

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