v型永磁同步電機起動過程的研究

v型永磁同步電機起動過程的研究

1采用正交試驗來求解全負荷中的代動力學模型分階段動態(tài)永興機在結(jié)構(gòu)上集成了感應(yīng)機和永磁電機，并集上了穩(wěn)定運行時的效率和功率。然而，動動電氣的電影強度是復(fù)雜的，不僅具有電傳感器結(jié)構(gòu)的鼠籠旋轉(zhuǎn)漩渦場的功能，還具有動態(tài)磁體的功能。由于磁路飽和作用，使得定子交、直軸電樞反應(yīng)電抗在起動過程中是一個變量，這樣在采用集中參數(shù)等值電路結(jié)合有限元計算中，迭代量必須包含交、直軸電樞反應(yīng)電抗。異步起動永磁同步電機的起動過程研究通常采用的方法包括：磁路結(jié)合狀態(tài)方程法、有限差分法及有限元法。其中仿真結(jié)果最為準確的是有限元法。有限元法中采用較多的是場路結(jié)合法，這種方法又分為：準動態(tài)參數(shù)法（quasi-dynamicmethod）和動態(tài)參數(shù)法(dynamicmethod)。準動態(tài)參數(shù)法是假設(shè)忽略機械暫態(tài)，只考慮電磁暫態(tài)過程，將起動過程看作是在不同滑差S下的一個個穩(wěn)態(tài)過程進行計算，對于非線性問題選取一些系數(shù)來進行修正。這樣計算的優(yōu)點是：整個起動過程的物理過程清晰可見，但一些暫態(tài)過程被忽略掉了，對計算精度有一定影響。第二種方法是動態(tài)方法，即同時考慮機械暫態(tài)和電磁暫態(tài)過程，該方法更為精確地描述整個起動過程中的電磁關(guān)系。起動過程中最為重要的是求解以輸入電壓為已知量的二維非線性渦流場，其計算量非常大而且過程復(fù)雜。因此本文采用基于動態(tài)模型的場路結(jié)合法，這種方法具有機時少、精度高的特點。2參數(shù)動態(tài)模型的構(gòu)建2.1轉(zhuǎn)子勵磁優(yōu)化動態(tài)模型(Dynamicmodel)是基于Park變換而得到的。坐標變換原理圖如圖1所示。首先將電機定、轉(zhuǎn)子繞組進行坐標變換，從而得到d、q軸兩相坐標系下的參數(shù)。圖中D、Q表示轉(zhuǎn)子短路繞組，d、q表示定子進行變換后的兩相繞組。if、Ψf代表用線圈表示的轉(zhuǎn)子永磁體勵磁電流和磁鏈。三相定子繞組端電壓變換在dq0坐標系中可以寫成式(1)，其中θr為d軸與A相軸線的夾角：由集中參數(shù)模型得到的電壓方程可以寫成式中L為對稱的電感矩陣；G為不對稱的電感矩陣。式中d、q軸為定子繞組軸線；D、Q為轉(zhuǎn)子勵磁繞組等效成勵磁線圈后的軸線；E0為永磁體的空載電勢；式(7)給出了等效成集中線圈后的永磁體模型。電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為2.2機械電磁暫態(tài)過程結(jié)合狀態(tài)方程，可以得出動態(tài)模型。這樣可以同時考慮機械和電磁暫態(tài)過程，可列運動方程如下式中TL為負載轉(zhuǎn)矩；B為摩擦系數(shù)；p為時間微分；J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)子電角速度。3時間向量法的原理起動過程中，由于主要起作用的是鼠籠條的異步轉(zhuǎn)矩，而永磁體的同步制動轉(zhuǎn)矩也應(yīng)被考慮在內(nèi)。這里采用分別對待的方法：即首先只考慮產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩的渦流場，然后將永磁磁場的矢量磁位值與渦流場的磁位疊加，渦流場計算方法描述如下。由于本文采用二維有限元法進行計算，轉(zhuǎn)子端環(huán)電阻可以通過修正轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電阻率來計及、端環(huán)漏磁鏈可通過端環(huán)漏電感來計及；計算中時間向量的引入使有限元獨立于時間變量。但是，時間向量法要求在整個時間周期里磁阻率為常數(shù)，事實上，磁阻率是隨著磁密變化而非線性變化的。這里等效磁阻率被應(yīng)用于解決磁場等效能量計算的困難問題。采用文中給出的公式作為電壓源，電流密度在磁場未解時是未知數(shù)。通常情況下，在假設(shè)的電流下，感應(yīng)電勢與阻抗壓降之和與端電壓不等，這種不等的差值可以作為第二次預(yù)估的電流初值。一個橫截面積為SC的線圈的感應(yīng)電動勢的平均值為式中SC為雙層繞組槽面積的一半。A相繞組中的感應(yīng)電勢為式中ADT={dA1,dA2,…,dAn}為A相繞組在剖分區(qū)域內(nèi)的面積矢量，其中dAK=E∑k?ke,?ke為每個單元的面積，k為節(jié)點數(shù)，EKe為=1所有單元數(shù)。作為電動機慣例，端電壓與感應(yīng)電勢之間的關(guān)系可以描述為式中Z為式(2)中得出的阻抗矩陣，該阻抗是包含除了槽漏抗、齒頂漏抗、諧波漏抗外的所有阻抗，其中包括端部電抗。而另外幾部分漏抗在渦流場的計算中已經(jīng)計算出來并包含在電動勢Ei中。這里需要注意的是，由于擠流效應(yīng)及磁路飽和等帶來的非線性因素，使在起動過程中，電機的各個阻抗參數(shù)隨著滑差和位置在發(fā)生變化，如果采用電流為迭代量，在進行每次迭代時，都要重新計算各個參數(shù)，即所謂的雙重迭代法。4電機相關(guān)系數(shù)仿真現(xiàn)以一臺250W、380V的異步起動永磁同步電機為例計算其滿載起動過程。電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用“V”型混合磁極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以保證在滿足一定的槽深前提下盡量增加永磁體的橫截面積，以滿足一定的氣隙磁通值。定子沖片和繞組直接采用同功率的感應(yīng)電機定子。在用有限元程序仿真出整個起動過程后，抽取其中幾種比較具有代表性的狀態(tài)進行分析。圖2、圖3分別給出了在帶額定負載起動后0.1s時的等磁位線和一對極下的氣隙磁密分布曲線。在該時刻，滑差頻率高，由于擠流效應(yīng)的作用，使槽部漏磁通增加，從圖2可知，漏磁通明顯增加。圖3中可以看出，氣隙中平均磁密很低。當電機經(jīng)過0.4s左右牽入同步后,異步轉(zhuǎn)矩消失,只剩下永磁體同步轉(zhuǎn)矩。牽入同步后等磁位線分布圖和氣隙磁密分布圖分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，氣隙磁密明顯加大，電機進入同步運行狀態(tài)。此時由于負載場的電樞反應(yīng)作用，使磁場分布出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。即出現(xiàn)一個磁極尖磁密加大而另一個磁極尖磁密削弱的現(xiàn)象。5浮動特性分析有限元建模之后，在模型繞組中通以50Hz的正弦交流電，軸上加載1.5N?m。由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致三相電流不對稱，起動過程中電流隨時間變化如圖6(c)中所示，引起轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波動分別如圖6(a)、(b)所示。起動過程開始時，滑差為零，這時轉(zhuǎn)子可以被認為是開路狀態(tài)，這樣可以直接計算出Xmd、Xmq,這些可以被當作是初始條件，而后可以依次計算出不同滑差下的Xmd、Xmq，然后將這些參數(shù)代入渦流場計算方程中，對場進行求解，可以得到瞬時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值，進而作出起動特性曲線。首先要進行等值電路中端部電抗的計算，采用的是磁路近似公式的方法。該例中，定子的端部電阻為32.9125?,端部電感為0.0148917H;轉(zhuǎn)子相鄰導(dǎo)條的端部電阻為3.69143×10-6?,相鄰導(dǎo)條的端部電感為1.16689×10-9H;轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為0.00052786kg?m2。渦流場時步法計算步長為0.001s。若忽略其風摩轉(zhuǎn)矩，計算結(jié)果如圖6、圖7所示。圖7給出了該電機在起動過程中轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，曲線可以分成三部分：起動過程、牽入過程、穩(wěn)定運行。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速為0～800r/min為起動過程，這時，電機要克服同步制動轉(zhuǎn)矩的最大值，也是決定能否起動的關(guān)鍵時刻，在這一段經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速在800～1400r/min之間為一個相對穩(wěn)定區(qū)域。在(1450±3%)r/min為牽入?yún)^(qū)域。牽入同步能力的大小取決于負載轉(zhuǎn)動慣量、磁鋼厚度等因素,圖8給出了實測電流隨時間變化曲線，與圖6(c)比較結(jié)果可知，誤差在5%以內(nèi)。6動態(tài)阻抗參數(shù)采用二維時變渦流場來計算異步起動永磁同步電動機的起動過程問題，可以直接運用輸入的端電壓作為已知量，結(jié)合集中參數(shù)等值電路模型，而集中參數(shù)等值電路中的參數(shù)是隨著起動過程中時間的變化而變化的，即定、轉(zhuǎn)子各阻抗參數(shù)是時