ansoft计算交直轴电感

1、基于有限元方法的永磁同步电动机等效电路参数计算与试验的研究张宝强 韩雪岩 唐任远(沈阳工业大学 ,沈阳 110023摘要本文主要研究永磁同步电动机等效电路参数中稳态电抗参数计算与试验验 证。首先 ,说明计算等效电路参数的意义、求解等效电路参数的原理 ,然后与试验结 果比较验证。再根据不同气隙长度的电抗参数 ,在数值上的比较得到相应的规律。关键词 :等效电路 ;参数 ;有限元法The Research of Equivalent Circuit Parameter of the Permanent Magnet Synchronous Motor by Finite-element Method

2、Zhang Baoqiang Han Xueyan Tang Renyuan(Shenyang University of Technology, Shenyang110023Abstract The topic of this paper is the research of the calculation of the equivalent circuit parameter in the permanent magnet synchronous motor and the proving through the experiment. First, the meaning of calc

3、ulate the equivalent circuit parameter and the theory of the calculation of the parameter of equivalent circuit will be explain. Then, compare with the result of experiment, the rule of parameter of equivalent circuit will be acquire through compare with the length of gap.Key words:equivalent circui

4、t;parameter;finite-element method1引言永磁同步电动机由于具有体积小、高效节能等优点 ,近年来得到了广泛的应 用。但是永磁同步电机也存在一些不同于电励磁电动机的问题,其中 ,电抗参数的准 确计算就是重要问题之一 1 。永磁电机的磁极结构往往设计得较为复杂 ,电机的磁 路很饱和 ,导致电机的电抗参数随磁路的饱和情况而变化 2, 因此永磁同步电动机电 抗参数的求取比较困难。等效电路是研究电机性能的一种有效手段 ,对于等效电路参数的计算可以采用 场化路的方法 ,这种方法在电励磁电机中获得广泛应用 ,但永磁电机内部磁路复杂 ,利 用传统的磁路方法对有些情况处理不够准确

5、,原因是场化路的方法将实际分布的电 磁场等效成磁路 ,但对于永磁电机 ,等效之后忽略了很多 ,影响了精度 ,近年来 ,在求取 电机内部电磁场的方法中 ,有限元方法是一种非常有效的方法 ,现在国内外对电磁场 分析大多采用有限元方法 ,文献 1中采用时变场有限元算法来求取永磁同步电动机 的电抗参数 1。文献 3应用修正 r的二维有限元法计算电抗参数 3。本文提出一种计算电抗参数的方法 ,通过计算值与试验值的比较 ,证明这是一种 行之有效的方法。本文采用 Ansoft 软件来进行计算。2利用有限元方法计算电枢反应电抗2.1概述本文提出一种计算电抗参数的方法 ,通过计算值与试验值的比较 ,证明这是一种

6、 行之有效的方法。本文中将永磁同步电动机的运行状态分解为等效直轴状态和等效 交轴状态这两种状态。等效直轴状态就是电枢绕组电流只有直轴分量而没有交轴分 量的状态。等效交轴状态就是电枢绕组电流只有交轴分量而没有直轴分量的状态。2008年第 4 期 112008年第 4 期12 0d ad q aqcos sin cos sin E E I X E I X I I I I? =-=?=? =? (1 根据公式 (1,为了得到电机电流的直轴分量和交轴分量 ,需要知道 角。根据相量图 1 中的关系可以得到电机中功率角 为功率因数角 ? 和内功率因数角 之和,即 =?+。dE 1j I ?图 1 永磁同步

7、电动机相量图通过大量的试验与计算验证 ,内置式永磁同步电动机功率角 的范围为 5055, 表面式永磁同步电动机功率角 的范围为 3035,而永磁电动机的功率因数一般在 0.95左右,即20?所,以可以得到内置式永磁同步电动机的 角为 3035,表面式 永磁同步电动机的 角为 1015。本文计算时 ,内置式永磁同步电动机的 角选择 为 35,表面式永磁同步电动机的 角选择为 15。为了验证 角选择的合理性 , 又对 角在5范围变化时的电抗参数值进行了校核 ,结果表明 ,参数值的误差范围均在 1%以内。将有限元法应用于工程设计和研究时 ,要解决前处理技术、电磁场计算、对场 计算结果进行再处理等问题

8、 4 。计算时的有限元分析是在 Ansoft 软件平台上进行 的。2.2 直轴电枢反应电抗的计算电机稳定运行时 ,三相电流的关系如下? += -=120cos(120cos(cos m C m B m A t I I t I I t I I (2 根据电机学原理三相电流经过 dq0等效变换之后,得到电流关系如下? += + -+-= + -+=3/3/120sin(120sin(sin 23/120cos(120cos(cos 2C B A 0C B A q C B A d I I I I I I I I I I I I在式(2中,令(03t = 得到式 (3 中的电流关系? - =2m C

9、B mA I I I I I (4 以 A 相轴线为原点 ,将永磁体的 d 轴与 A 相轴线重合 ,当 0=时,这 时的 dq 轴电流如下I I I =? =? (5等效的直轴状态的电流 I m 是指电机额定电流的直轴分量 ,永磁同步电动机的 这种运行状态就是等效直轴状态 ,因为交轴电流为零 ,没有交轴电枢反应 ,则此时的电 机气隙反电势即为直轴电动势 ,即 E =E d根 , 据电机学原理电枢反应电动势由式E ad =E 0-E d 来得到 ,此时刻的相量图为图 3E .dE图 2 等效直轴状态的相量图?dI ?E图3由于等效直轴状态下 ,利用 Ansoft 计算出气隙电动势 E 就是直轴电

10、动势 E d , 而 E d 、E 0和 E ad 在同一轴线上 ,因此可以利用式 E ad =E 0-E d 所示的方程可方 便地求取直轴电枢反应电抗 ad X ,即ad d E E X I -= 2.3 交轴电枢反应电抗的计算等效交轴状态是在式 (4 中电流关系下以 A 相轴线为原点 ,令 90=则永磁体的 q 轴与 A 相轴线重合 ,这时 dq 轴电流如下式0I I I =?=? (7 在此处 I m 是指电机额定电流的交轴分量 ,根据 在等效直轴状态得到的 角来求取 ,这就是永磁同 2008年第 4 期 13步电动机的等效交轴状态。等效交轴状态因为直轴电流为零 ,故没有直轴电枢反应。与

11、等效直轴状态不同 , 此时的气隙反电势不等于交轴反电动势 ,即 E E 气q ,隙电动势 E 励,磁电动势 E 0 以及交轴电动势 E aq 三者之间关系 ,如图 3所示。图 3中电机等效交轴状态 E 与 图 1 中电机额定状态的 E 磁场饱和程度不相同 ,为了使二者饱和程度相同 , 应使等 效交轴状态的的励磁电动势 E 0与等效直轴状态的直轴电动势 E d 相等,从而满足磁 场饱和程度相同 ,可以通过将修改等效交轴状态下的永磁体的剩磁 B r 和矫顽力 H c 使等效交轴状态励磁电动势 E 0 所对应气隙磁通密度 B 1与等效直轴状态直轴电 动势 E d 所对应的气隙磁通密度 B 2相等来得

12、到。图 4 交轴电枢反应和空载磁通密度波形利用 Ansoft 软件平台在等效交轴状态下可以方便地计算出曲线 1 和曲线 2,进 而方便地分离出曲线 3。即分离出交轴电枢反应 ,因而计算出交轴电枢反应电动势 E aq ,从而计算出交轴电枢反应电抗aq aq q3 电抗参数的测试与误差及影响因素本文对永磁同步电动机通过大量的试验 ,对几种主要测试方法 (伏安法、电压积 分法、负载法进行了对比试验分析也与参数计算方法进行了对比分析,得到了一些有意义的结论。伏安法测量原理如图 5 所示 ,永磁同步电动机的直轴同步电感 ,交轴同步电感 ,零 轴电感,这三个电感可分别用电机在 ABC 固定轴线下电枢绕组自

13、感、互感的平均值 (L s0、M s0及其 2次分量幅值 (L s 2来表示,即d s0s0s2q s0s020s0s032322s L L M L L L M L L L M =+-=+=- (9利用伏安法测定直轴和交轴同步电感参数时按图 5 接线图 5 伏安法测定参数时的绕组接线和测量原理电压积分法测量原理如图 6 所示图 6 电压积分法测量原理图由公式 I L =只, 要测得电感中流过的电流及其产生的磁链 ,就能得到稀土永磁同步电动机的交直轴电感值 ,为了测出电感中 的磁链,将电感通过 电阻 R 放电。从而有udt Ridt=所以u d tL I =这里 0I 为电流初始值 ,u 为回路

14、中电阻上的电压值 ,这样电感的测量可以转化为 对电压的积分 ,这就是称其为电压积分法的原因 5对于纯电感负载法 ,当永磁同步电动机作发电机运行 ,且定子接三相纯电感负载 永磁同步发电机的运行相量图如图 8 所示 ,由该相量图得到dd I U E X -=0Ud j X I ?图 7 永磁同步发电机纯电感负载相量图2008年第 4 期14通过改变纯电感负载的大小得到不同去磁电流所对应的直轴电抗d X 2 。电压积分法的优点是测量结果不受与被测绕组耦合的其他无源闭合线圈的影响 并且容易处理饱和问题 ,缺点是热效应产生的电阻温漂使电桥不容易达到平衡 6 。 伏安法是一种简便的测量方法 ,对于表面式永

15、磁同步电机很适用 ,但对于内置式永磁 同步电机结果不理想 ,有待于进一步研究 ,纯电感负载法对于测量直轴电抗结果理想 但只能测量直轴电抗 ,测试时必须考虑是否可以忽略电阻 ,以及测试时纯电感负载发 热的问题。从计算数据和试验数据可以看出 : 内置式结构永磁同步电动机适合采用电压 积分法来求取电抗参数 ;表面式更适合采用伏安法来求取电抗参数。表 1 内置径向式数据比较 ( 误差以试验值为基值计算结果 试验结果 误差对比 (%功率 /kWX qX dX qX dX q0.12 0.128 0.398 0.1370.316 6.32 -26 0.25 0.115 0.311 0.1220.313 5

16、.3 0.68 0.370.133 0.33 0.1420.351 6.48 5.92 0.55 0.227 0.435 0.2220.49 -2.68 11.2 0.75 0.253 0.4880.2240.501 -13.1 2.46 2.5 0.4 0.663 0.3810.656 -5.2 -0.99表 2 表面式数据比较计算结果 试验结果误差对比 (%功率/kWX dX qX dX qX dX q 0.9(36槽 0.188 0.189 0.182 0.182 -3.17-3.810.9(48槽 0.177 0.181 0.172 0.231 -2.8421.61.0 0.139 0

17、.144 0.144 0.146 4.05 1.821.50.112 0.113 0.114 0.115 1.43 1.78通过比较表 1、表 2,可以发现计算值与试验值数值上比较接近 ,证明这种计算方 法可以满足工程需要。考虑相同条件下气隙长度对电抗参数的影响如下 (以 0.75kW 电机为例 :在图 8 中下面的曲线为直轴电抗 ,上面的曲线为交轴电抗 ,可以看出随着气隙长度的变化电 抗参数在数值呈下降趋势 ,见图 8,气隙长度对凸极率影响见图 9。图 8 气隙长度对电抗参数影响图 9 气隙长度对凸极率影响4 结论本文讨论永磁同步电动机电抗参数的计算与试验方法 ,计算方法中利用了 Ansoft 软件进行有限元分析 ,通过比较计算值与试验 值 ,证明这是一种行之有效的计算方法 ,在此基础上 ,总结出气隙长度的增大电抗参数 的数值呈略有下降 ,而凸极率总体上呈上升的趋势。当磁化方向长度增大时 ,电抗参 数呈下降趋势 ,而凸极率总体上也呈上升的趋势 ,对于提高永磁同步电动机的性能有 一定的实际意义和应用价值。参考文献1 刘长红, 姚若萍, 刘彤彦. 变频调速