v型永磁同步电机起动过程的研究

v型永磁同步电机起动过程的研究

1采用正交试验来求解全负荷中的代动力学模型分阶段动态永兴机在结构上集成了感应机和永磁电机，并集上了稳定运行时的效率和功率。然而，动动电气的电影强度是复杂的，不仅具有电传感器结构的鼠笼旋转漩涡场的功能，还具有动态磁体的功能。由于磁路饱和作用，使得定子交、直轴电枢反应电抗在起动过程中是一个变量，这样在采用集中参数等值电路结合有限元计算中，迭代量必须包含交、直轴电枢反应电抗。异步起动永磁同步电机的起动过程研究通常采用的方法包括：磁路结合状态方程法、有限差分法及有限元法。其中仿真结果最为准确的是有限元法。有限元法中采用较多的是场路结合法，这种方法又分为：准动态参数法（quasi-dynamicmethod）和动态参数法(dynamicmethod)。准动态参数法是假设忽略机械暂态，只考虑电磁暂态过程，将起动过程看作是在不同滑差S下的一个个稳态过程进行计算，对于非线性问题选取一些系数来进行修正。这样计算的优点是：整个起动过程的物理过程清晰可见，但一些暂态过程被忽略掉了，对计算精度有一定影响。第二种方法是动态方法，即同时考虑机械暂态和电磁暂态过程，该方法更为精确地描述整个起动过程中的电磁关系。起动过程中最为重要的是求解以输入电压为已知量的二维非线性涡流场，其计算量非常大而且过程复杂。因此本文采用基于动态模型的场路结合法，这种方法具有机时少、精度高的特点。2参数动态模型的构建2.1转子励磁优化动态模型(Dynamicmodel)是基于Park变换而得到的。坐标变换原理图如图1所示。首先将电机定、转子绕组进行坐标变换，从而得到d、q轴两相坐标系下的参数。图中D、Q表示转子短路绕组，d、q表示定子进行变换后的两相绕组。if、Ψf代表用线圈表示的转子永磁体励磁电流和磁链。三相定子绕组端电压变换在dq0坐标系中可以写成式(1)，其中θr为d轴与A相轴线的夹角：由集中参数模型得到的电压方程可以写成式中L为对称的电感矩阵；G为不对称的电感矩阵。式中d、q轴为定子绕组轴线；D、Q为转子励磁绕组等效成励磁线圈后的轴线；E0为永磁体的空载电势；式(7)给出了等效成集中线圈后的永磁体模型。电磁转矩可以表示为2.2机械电磁暂态过程结合状态方程，可以得出动态模型。这样可以同时考虑机械和电磁暂态过程，可列运动方程如下式中TL为负载转矩；B为摩擦系数；p为时间微分；J为转动惯量；ω为转子电角速度。3时间向量法的原理起动过程中，由于主要起作用的是鼠笼条的异步转矩，而永磁体的同步制动转矩也应被考虑在内。这里采用分别对待的方法：即首先只考虑产生异步转矩的涡流场，然后将永磁磁场的矢量磁位值与涡流场的磁位叠加，涡流场计算方法描述如下。由于本文采用二维有限元法进行计算，转子端环电阻可以通过修正转子导条的电阻率来计及、端环漏磁链可通过端环漏电感来计及；计算中时间向量的引入使有限元独立于时间变量。但是，时间向量法要求在整个时间周期里磁阻率为常数，事实上，磁阻率是随着磁密变化而非线性变化的。这里等效磁阻率被应用于解决磁场等效能量计算的困难问题。采用文中给出的公式作为电压源，电流密度在磁场未解时是未知数。通常情况下，在假设的电流下，感应电势与阻抗压降之和与端电压不等，这种不等的差值可以作为第二次预估的电流初值。一个横截面积为SC的线圈的感应电动势的平均值为式中SC为双层绕组槽面积的一半。A相绕组中的感应电势为式中ADT={dA1,dA2,…,dAn}为A相绕组在剖分区域内的面积矢量，其中dAK=E∑k∆ke,∆ke为每个单元的面积，k为节点数，EKe为=1所有单元数。作为电动机惯例，端电压与感应电势之间的关系可以描述为式中Z为式(2)中得出的阻抗矩阵，该阻抗是包含除了槽漏抗、齿顶漏抗、谐波漏抗外的所有阻抗，其中包括端部电抗。而另外几部分漏抗在涡流场的计算中已经计算出来并包含在电动势Ei中。这里需要注意的是，由于挤流效应及磁路饱和等带来的非线性因素，使在起动过程中，电机的各个阻抗参数随着滑差和位置在发生变化，如果采用电流为迭代量，在进行每次迭代时，都要重新计算各个参数，即所谓的双重迭代法。4电机相关系数仿真现以一台250W、380V的异步起动永磁同步电机为例计算其满载起动过程。电机转子结构采用“V”型混合磁极结构，这种结构可以保证在满足一定的槽深前提下尽量增加永磁体的横截面积，以满足一定的气隙磁通值。定子冲片和绕组直接采用同功率的感应电机定子。在用有限元程序仿真出整个起动过程后，抽取其中几种比较具有代表性的状态进行分析。图2、图3分别给出了在带额定负载起动后0.1s时的等磁位线和一对极下的气隙磁密分布曲线。在该时刻，滑差频率高，由于挤流效应的作用，使槽部漏磁通增加，从图2可知，漏磁通明显增加。图3中可以看出，气隙中平均磁密很低。当电机经过0.4s左右牵入同步后,异步转矩消失,只剩下永磁体同步转矩。牵入同步后等磁位线分布图和气隙磁密分布图分别如图4、图5所示。从图中可以看出，气隙磁密明显加大，电机进入同步运行状态。此时由于负载场的电枢反应作用，使磁场分布出现不对称现象。即出现一个磁极尖磁密加大而另一个磁极尖磁密削弱的现象。5浮动特性分析有限元建模之后，在模型绕组中通以50Hz的正弦交流电，轴上加载1.5N⋅m。由于集肤效应导致三相电流不对称，起动过程中电流随时间变化如图6(c)中所示，引起转矩、转速波动分别如图6(a)、(b)所示。起动过程开始时，滑差为零，这时转子可以被认为是开路状态，这样可以直接计算出Xmd、Xmq,这些可以被当作是初始条件，而后可以依次计算出不同滑差下的Xmd、Xmq，然后将这些参数代入涡流场计算方程中，对场进行求解，可以得到瞬时电流、转矩、转速值，进而作出起动特性曲线。首先要进行等值电路中端部电抗的计算，采用的是磁路近似公式的方法。该例中，定子的端部电阻为32.9125Ω,端部电感为0.0148917H;转子相邻导条的端部电阻为3.69143×10-6Ω,相邻导条的端部电感为1.16689×10-9H;转子的转动惯量为0.00052786kg⋅m2。涡流场时步法计算步长为0.001s。若忽略其风摩转矩，计算结果如图6、图7所示。图7给出了该电机在起动过程中转矩随转速变化的曲线，曲线可以分成三部分：起动过程、牵入过程、稳定运行。从图中可以看出，转速为0～800r/min为起动过程，这时，电机要克服同步制动转矩的最大值，也是决定能否起动的关键时刻，在这一段经常出现不稳定现象。转速在800～1400r/min之间为一个相对稳定区域。在(1450±3%)r/min为牵入区域。牵入同步能力的大小取决于负载转动惯量、磁钢厚度等因素,图8给出了实测电流随时间变化曲线，与图6(c)比较结果可知，误差在5%以内。6动态阻抗参数采用二维时变涡流场来计算异步起动永磁同步电动机的起动过程问题，可以直接运用输入的端电压作为已知量，结合集中参数等值电路模型，而集中参数等值电路中的参数是随着起动过程中时间的变化而变化的，即定、转子各阻抗参数是时