变速永磁同步发电机PWM整流器具有发电机电流谐波分量小、功率因数可调、直流电压波动小、能量可双向流动等特点,可广泛应用于特种车辆供电、船舶供电、混合动力汽车、新能源发电等领域。本文以变速永磁同步发电系统为研究对象,采用理论分析、软件仿真以及实验验证相结合的研究方法,主要在PWM变流器控制下永磁发电机的设计与优化、变速永磁同步发电系统的控制策略、永磁同步发电机谐波分析与抑制等方面进行了研究,具体内容如下:首先,本文介绍了变速永磁同步发电系统的基本结构,阐述了发电机和变流器的基本工作原理,建立了永磁同步发电机和PWM整流器的数学模型,为后续各章节的研究工作奠定基础。研究了变速永磁同步发电机在变流器控制条件下的运行特性,对PWM变流器isd=0矢量控制条件下永磁发电机的定子电压平衡方程、直流母线电压与定子电压之间的约束关系进行了推导;对永磁发电机定子电压和功率因数会随电磁功率变化而改变的规律进行了研究,阐明了变速永磁同步发电系统有功功率调节的基本原理;对变速永磁同步发电系统机侧变流器在isd=0矢量控制条件下的重要运行特点进行了提炼。其次,本文对PWM变流器控制下永磁发电机的设计与优化进行了深入研究。永磁同步发电机(PMSG)与变流器构成可控发电系统后,其定子侧接入电压不再是幅值恒定的连续正弦波,而是包含多种谐波的脉宽调制波。因此永磁发电机的电压、电流以及运行特性都受到PWM变流器的控制方法、器件参数等因素约束,传统直接并网的同步发电机设计与分析模型不再适用于变速永磁同步发电机中。本文将经典电机设计理论中的“磁路计算”和“参数计算”方法与变速永磁同步发电机的矢量控制基本原理相结合,提出了一种变速永磁同步发电机的设计分析模型。基于该模型,运用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)对840kW的永磁同步发电机进行了以效率最优为目标的优化设计,对电机的主要尺寸、槽型进行了进一步优化,得到了电机更加理想的运行效率。最后运用有限元方法和MATLAB仿真分析,对840kW永磁同步发电机进行了空载有限元仿真和负载情况下的运行仿真,通过仿真结果验证了本文所提出的优化设计方法具有工程使用价值。再次,本文对变速永磁同步发电系统PWM变流器控制策略进行了研究。在PMSG-PWM相量图和数学模型的基础上,对变流器isd=0、恒端电压和单位功率因数三种控制策略进行了研究,理论分析并推导了变速永磁同步发电机在不同控制策略下的稳态运行特性,总结了发电机定子相电压、相电流、功率因数和极限功率的变化规律。并且基于这三种控制策略,提出了一种适用于变速永磁同步发电系统的复合控制策略,使永磁同步发电机可以适用不同负载不同转速时的各种工况,提高了发电机的运行效率。文章在分析了永磁同步发电机模型的基础上,提出一种基于估算电流模型的无速度传感器控制方法,该方法根据已知的参数得到等效电机模型推算出估算电流值,以检测到的实际电流值和估算电流值之间的误差来校正估算速度,再对估算速度积分得到转子位置。该方法在高速运行时非常稳定,最大速度误差低于0.2%,低速运行带载能力强,这大大扩展了永磁同步发电机的运行范围,克服了传统算法适用范围有限、鲁棒性差、与其他算法结合存在状态切换导致不稳定的缺点。然后,本文对永磁同步发电机谐波分析与抑制进行了研究。在变速永磁同步发电机中,由于电机铁心开槽引起的气隙磁导不均匀和定子绕组空间分布不均匀会产生空间谐波磁场,并且永磁同步发电机和PWM变流器相连,变流器的调制使定子电流含有时间谐波而产生的磁场,从而产生谐波损耗。因此,对变速永磁同步发电系统中的谐波产生机理进行分析显得尤为重要。本文对永磁同步发电机的空间谐波磁动势进行了分析,并且针对整流器常用的SVPWM调制方法,分析了基于矢量控制的SVPWM调制策略下,调制比与载波频率对永磁同步发电机各区域损耗的影响,并应用Ansoft联合仿真对SVPWM调制策略下调制比与载波频率对永磁同步发电机谐波损耗影响的规律进行研究。最后,本文对变速永磁同步发电系统进行了实验研究。完成了840kW交流永磁发电系统样机的设计和制造,搭建了840kW永磁同步发电机整流器的实验平台,论文介绍了样机的系统组成,然后,对系统部分硬件电路及控制软件进行了设计,最后通过实验样机进行实验,对本文提出的电机分析和设计理论及PWM整流器的控制策略进行了实验验证,对实验数据进行了处理,对实验结果及实验波形进行了分析。实验结果验证了本文相关理论分析和所提设计方法的正确性和有效性。