永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)

永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)WANGYingchun;LIXiangcheng;CHAIQunkang;FENGLu【摘要】通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)(PMSM)穩(wěn)態(tài)短路工況中短路電流和短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論分析，得到了PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式.結(jié)合二維有限元法對(duì)某型號(hào)180kWPMSM短路工況下的短路電流和短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真分析計(jì)算,確定PMSM在穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)時(shí)短路電流、短路轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律.采用1臺(tái)PMSM進(jìn)行三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)驗(yàn)證，記錄了短路試驗(yàn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的短路電流和短路轉(zhuǎn)矩.對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與理論分析、仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了短路電流、短路轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律.【期刊名稱】《電機(jī)與控制應(yīng)用》【年(卷)，期】2019(046)004【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P82-86,114)【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī);穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn);短路電流;短路轉(zhuǎn)矩;有限元【作者】WANGYingchun;LIXiangcheng;CHAIQunkang;FENGLu【作者單位】【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM3510引言永磁同步電機(jī)(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、弱磁調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在牽引電機(jī)行業(yè)應(yīng)用廣泛［1］。PMSM的電氣性能穩(wěn)定性取決于永磁材料。永磁材料在過(guò)高溫度、沖擊電流電樞反應(yīng)或劇烈的機(jī)械振動(dòng)作用下，都可能發(fā)生不可逆退磁，使電機(jī)的性能下降，甚至無(wú)法使用［2］。永磁電機(jī)在三相短路時(shí)，短路電流產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)永磁體去磁，在三相突然短路時(shí)去磁能力最強(qiáng)。為了避免永磁體在發(fā)電機(jī)短路過(guò)程中發(fā)生不可逆退磁，設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行最大去磁工作點(diǎn)校核計(jì)算，應(yīng)保證此工作點(diǎn)在最高工作溫度時(shí)回復(fù)線的線性段，或者說(shuō)高于回復(fù)線的拐點(diǎn)。研究三相短路特性有助于完善和補(bǔ)充電機(jī)在線檢測(cè)理論，為失磁電機(jī)的檢測(cè)提供依據(jù)［3］。同時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路是進(jìn)行永磁電機(jī)負(fù)載電流試驗(yàn)的重要方法之一。穩(wěn)態(tài)短路電流和短路轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算，是試驗(yàn)線路和試驗(yàn)設(shè)備選擇的前提條件［4-5］。突然短路電流通常大于穩(wěn)態(tài)短路電流，計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，試驗(yàn)具有破壞性，難以檢驗(yàn)，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)由暫態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間非常短。工程上根據(jù)穩(wěn)態(tài)短路特性，再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)修正后評(píng)估突然短路特性［1］。因此穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)后的短路電流為進(jìn)行電機(jī)突然短路時(shí)的失磁能力驗(yàn)證試驗(yàn)提供了必要的理論依據(jù)。文獻(xiàn)［6-7］通過(guò)場(chǎng)路耦合有限元法和研究突然短路時(shí)電樞繞組磁鏈變化的方法給出了不同的短路電流計(jì)算方法，但并未分析短路電流隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，未對(duì)短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行論證。本文采用正弦波PMSMdq軸數(shù)學(xué)模型對(duì)PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和穩(wěn)態(tài)短路轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了理論分析，得到PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式。結(jié)合二維有限元法對(duì)某型號(hào)永磁電機(jī)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證了PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流、穩(wěn)態(tài)短路轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。1短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩dq軸數(shù)學(xué)模型是分析正弦波PMSM最常用的方法之一，不僅可以分析正弦波PMSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，還可以用來(lái)分析PMSM瞬態(tài)運(yùn)行性能。根據(jù)正弦波PMSMdq軸數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程如下［1］:Ud=Rsid-3eLqiq(1)Uq=Rsiq+3eLdid+3epm(2)⑶式中：Ud d軸定子電壓分量；Rs——定子相電阻；id d軸定子電流分量；3e 電角速度；Lq q軸電感分量；iq q軸定子電流分量；Uq——q軸定子電壓分量；Ld——d軸電感分量；pm——永磁體磁鏈；Te——電磁轉(zhuǎn)矩；p——極對(duì)數(shù)。永磁電機(jī)三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，Ud=0,Uq=0，其電壓方程和穩(wěn)態(tài)電流為式中:Ik——穩(wěn)態(tài)短路電流。根據(jù)式(4)、式(5)，可得穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的d、q軸電流分量為⑺(8)將式(7)、式(8)代入式(3)和式(6)，可得穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩和短路電流為⑼(10)電角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為(11)式中:n 轉(zhuǎn)速。將式(11)代入式(9)，并令可得最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速為(12)由式(9)和式(12)可知，永磁電機(jī)三相短路時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，且發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的速度點(diǎn)與永磁體磁鏈無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)速在區(qū)間時(shí)，制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在超過(guò)最大電磁轉(zhuǎn)矩點(diǎn)后制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小。對(duì)于內(nèi)置式PMSM，由于Lq>Ld,由式(10)和式(11)可知，則函數(shù)Ik為單調(diào)遞增函數(shù)。短路電流隨速度升高迅速增大至最大值并趨于穩(wěn)定，最大電流值為(13)永磁電機(jī)三相短路時(shí)，穩(wěn)態(tài)電流隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，增大到最大點(diǎn)后電流趨于穩(wěn)定。由式(13)可知，最大電流值僅與永磁磁鏈pm和d軸電感分量Ld有關(guān)。2工程實(shí)例分析本文研究的某型號(hào)180kWPMSM參數(shù)如表1所示。表1PMSM參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值額定功率/kW180額定電壓/V1000額定電流/A116額定轉(zhuǎn)速/(r-min-1)2000額定頻率/Hz133極對(duì)數(shù)4定子相電阻^0.0348永磁磁鏈/Wb0.93直軸電感/mH2.75交軸電感/mH6.75將電機(jī)的定子相電阻、永磁磁鏈、直軸電感、交軸電感值代入式(9)和式(12)可得永磁電機(jī)三相短路時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線，如圖1所示。將電機(jī)參數(shù)代入式(10)和式(12)可得永磁電機(jī)三相短路時(shí)的短路電流隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線，如圖2所示。圖1電磁轉(zhuǎn)矩Te隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線圖2短路電流Ik隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線由圖1可知，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速小于25r/min時(shí)，短路電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大而增大，轉(zhuǎn)速大于25r/min時(shí)，短路電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大而減小。由圖2可知，穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于110r/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流趨于穩(wěn)定，最大短路電流為240A。3仿真分析為了驗(yàn)證上述理論推導(dǎo)的正確性，對(duì)上述型號(hào)的180kWPMSM進(jìn)行建模分析。電機(jī)的1/8模型如圖3所示。圖3電機(jī)的1/8模型圖對(duì)電機(jī)進(jìn)行三相穩(wěn)態(tài)短路分析。永磁電機(jī)在轉(zhuǎn)速為65r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電流如圖4所示，電磁轉(zhuǎn)矩如圖5所示。由分析可知，在轉(zhuǎn)速為65r/min穩(wěn)態(tài)短路時(shí)電流有效值為234A，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩平均值為-1016N-mo圖465r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電流圖565r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，可得電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，如圖6所示，電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖7所示。圖6短路電流隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖7電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線由圖6可知，穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速增大而增大，轉(zhuǎn)速大于110r/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流趨近于穩(wěn)定，最大短路電流為248A。由圖7可知，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，短路制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大先增大后減小。4試驗(yàn)驗(yàn)證采用上述PMSM，在電機(jī)冷態(tài)下，將電機(jī)三相引出線短接，采用WT1600功率分析儀測(cè)量電機(jī)三相引線端電參數(shù)，采用NJ3-5000扭矩儀測(cè)量電機(jī)的輸入扭矩。扭矩儀安裝在永磁電機(jī)輸入端，電機(jī)在拖動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下由靜止開始運(yùn)行，轉(zhuǎn)速不斷升高，測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下PMSM的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速為65r/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)電流如圖8所示，電磁轉(zhuǎn)矩如圖9所示。圖865r/min穩(wěn)態(tài)短路電流圖965r/min電磁轉(zhuǎn)矩冷態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩如表2所示。表2冷態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速/(r-min-1)電流/A電磁轉(zhuǎn)矩/(N?m)1040-3503075-161045105-140565120-1220100180-998200251-596323266-345370268-292500268-232800269-1631000269-1401500268-1002015268-83對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)與理論分析和有限元分析(FEA)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。短路電流對(duì)比如圖10所示，電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖11所示。圖10短路電流實(shí)測(cè)值與FEA和理論計(jì)算值對(duì)比圖11電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算對(duì)比由圖10可知，穩(wěn)態(tài)短路電流試驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值和FEA計(jì)算值基本吻合；試驗(yàn)測(cè)量值比理論計(jì)算值偏高，是由于理論計(jì)算的永磁磁鏈、直軸電感分量等參數(shù)與電機(jī)實(shí)際值間存在一定的誤差。由圖11可知電磁轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值和FEA計(jì)算值基本吻合；試驗(yàn)測(cè)量值比理論計(jì)算值偏高，是由于理論計(jì)算時(shí)未考慮電機(jī)的軸承摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子風(fēng)摩擦轉(zhuǎn)矩等因素。電機(jī)完成溫升試驗(yàn)后，在熱態(tài)下重新進(jìn)行上述短路試驗(yàn)，測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流和制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。表3熱態(tài)下不同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速/(r-min-1)電流/A電磁轉(zhuǎn)矩/(N?m)1015-1893048-14194575-14296597-1347100148-1140200238688323253-405370253-345500253-271800253-1881000253-1601500253-1132015253-93將電機(jī)冷態(tài)與熱態(tài)穩(wěn)態(tài)的短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。短路電流對(duì)比如圖12所示，電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖13所示。圖12熱態(tài)和冷態(tài)短路電流實(shí)測(cè)值對(duì)比圖13熱態(tài)和冷態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)值對(duì)比由圖12可知，在同一轉(zhuǎn)速下，熱態(tài)時(shí)實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流值比冷態(tài)時(shí)小。這是由于熱態(tài)時(shí)永磁體磁鏈pm比冷態(tài)時(shí)小，定子相電阻Rs比冷態(tài)時(shí)大。由圖13可知，隨著轉(zhuǎn)速升高，在達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩前，熱態(tài)短路電磁轉(zhuǎn)矩值小于冷態(tài)值，達(dá)到最大電磁轉(zhuǎn)矩后，隨著轉(zhuǎn)速升高，熱態(tài)短路電磁轉(zhuǎn)矩值大于冷態(tài)值。最大短路轉(zhuǎn)矩點(diǎn)發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速比冷態(tài)時(shí)大，是由定子相電阻Rs比冷態(tài)時(shí)大而弓I起的。5結(jié)語(yǔ)對(duì)PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論分析，得到PMSM穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式。對(duì)180kWPMSM的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有限元仿真分析，然后對(duì)PMSM進(jìn)行三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩。最后對(duì)測(cè)量值、理論計(jì)算值和FEA計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值、FEA計(jì)算值基本吻合，驗(yàn)證了理論分析的正確性。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，永磁電機(jī)三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速增大而增大，增大到最大點(diǎn)后電流趨于穩(wěn)定，最大電流值僅與永磁磁鏈pm和d軸電感分量Ld有關(guān)。永磁電機(jī)短路電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，且發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的速度點(diǎn)與永磁體磁鏈無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)速在區(qū)間時(shí)，制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大而增大，超過(guò)最大電磁轉(zhuǎn)矩點(diǎn)后電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小。本文的研究對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)以及工程應(yīng)用中穩(wěn)態(tài)短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算具有一定的參考意義?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)：理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.暴杰，趙慧超,董秀輝，等.電動(dò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