梯形波相电流驱动六相感应电动机的研究

梯形波相电流驱动六相感应电动机的研究

1相电动新型控制算法由于直接故障调解的缺点，交流事故调解得到了很大的发展。在交流调速中,交流感应电动机的调速应用极为广泛。交流感应电动机的调速主要有恒压恒频控制和矢量控制。在一些特殊的应用场合,由于驱动功率增加和高可靠性的需求,一些学者将研究兴趣聚焦到多相电动机及其控制上。但是多相电动机的控制算法相当复杂,同时,不管采用什么样的变换方法,都不可能实现电动机的磁场和转矩的直接控制。基于前人对多相电动机控制的研究,作者在文献提出了一种六相电动机新颖控制算法,即通过采用梯形波相电流,可实现六相电动机的励磁磁场和电磁转矩的直接控制。本文以一个两极六相感应电动机为研究对象,对六相电动机的工作原理和控制实验系统进行了探讨,重点讨论磁场电流和电磁转矩分立控制实现的技术。用理论分析、有限元分析法和实验结果来说明该控制策略以及转矩特性。2转子磁动势及磁压根据六相电动机定子绕组分布和定子相电流配置,六相中任意一定子相交替作为励磁部分和电磁转矩部分出现。在这种情况下,六相电流中总是有三相电流作为励磁部分,那么三相励磁电流产生的合成磁动势为2NfIf。同理,其他三相则用于产生转矩磁动势,合成的转矩磁动势2NtIt。由分析可知,合成的磁动势在电动机的气隙空间形成一个类同直流电动机的方波磁场分布。在六相电动机内部,除了由定子电流产生的励磁磁动势Ff和转矩磁动势Ft,还有由转子感生电流产生的磁动势Fr。这些磁动势在电动机内部的矢量分布图如图1所示。注意,励磁磁动势Ff和转矩磁动势Ft总是垂直的,这是由定子绕组布置和定子相电流决定的。但转子磁动势Fr由转子感生电流位置决定。该六相电动机正确的运行方式是在一定的转差率下,通过适当控制转矩磁动势Ft并达到使转矩磁动势Ft大小与转子磁动势Fr相等但方向相反并相互抵消,这样在六相电动机内部仅剩下励磁磁动势Ff并在气隙空间产生一个近似方波分布的磁场波形。转子中的感生电流在空间气隙磁场的作用下产生洛伦磁力和电磁转矩。显然,在理想的平衡条件下,即转矩电流磁动势Ft大小与转子磁动势Fr相等但方向相反而相互抵消,转子的感生电动势、感生电流、电磁转矩和所需要的转矩电流幅值分别可由下述方程描述式中B——平均磁场密度;ωsl——转差率;l——转子切割气隙磁场密度的有效长度;r——气隙直径;Req——转子的每相等效电阻;p——极对数;mr——转子切割磁力线有效槽;Ns,Nr——定子和转子每相有效匝数。由式(2)和式(4)可得It和ωsl的重要关系本文中所研究的是一个定子/转子槽数为36/28、2极、2.2kW的六相交流感应电动机,用于有限元分析的单极横截面图如图2所示。定子具有六相,每相每极占三槽。转子由十四相绕组组成,其中在圆周位置上相互垂直的两相转子绕组通过滑环和碳刷将端口引向电动机外部,以便测量转子绕组中的感生电动势、感生电流,进而推知气隙磁场和电磁转矩。应用所构造的电动机数据和在B=0.5T时,参数k的理论计算数值为7.14(rad/s)/A。3有限分析应用英国剑桥大学研制的有限元分析软件包,创建该六相电动机模型,应用有限元分析对六相电动机进行如下分析。3.1相发电机磁场分析假设电动机运行于定子转矩磁动势Ft与转子磁动势Fr处于完全抵消状态,即理论上施加给六相电动机的仅为励磁电流部分而设置转矩电流为零。显示电动机内部磁场分布和磁场方向的有限元分析截面图如图2所示。气隙磁场的径向分布如图3所示,通过有限元分析,当励磁电流的幅值If=4.4A,平均磁场强度B=0.5T。3.2感生电动势的波形应用有限元时间-单步分析法,转子绕组中感生电动势的波形如图4所示,图4中的结果是在转子以120r/min的转差速度和转子导槽倾斜的条件下完成的。显而易见,图4中感生电动势的波形与直流电动机的电枢电压相同。对于不同的转子转差速度,应用时间-单步法和所建立的有限元模型,对式(1)中的E和ωsl关系进行分析,其结果见第5节。3.3基于有限元分析的电磁偏转分析根据理论分析转子感生电动势、感生电流在一定转差速度下的数据以及在任何时刻总有七相转子绕组切割磁场,应用有限元分析法对电磁转矩进行了分析,电磁转矩相对于转差率的有限元计算结果见第5节。4实验系统的构建为了验证六相电动机在梯形波相电流驱动下电动机的性能,一个用于测试六相电动机性能的实验系统被构建,如图5所示,实验系统主要由电动机测试台、电压源逆变器和DSP控制器组成。其控制框图如图6所示。4.1电机试验中心电动机测试台由六相感应电动机、转矩传感器、速度编码器和直流电动机组成。直流电动机既可以作为负载也可以作为驱动电动机来驱动六相电动机。4.2变压器功率电路由于所驱动的六相电动机由2.2kW的三相感应交流电动机改造而成,所以逆变器的功率模块可选PS21867。每个模块为三相全桥电路。最大输出电流为30A,因此需要四个这样的模块来完成六相全桥逆变主电路。4.3相发电机转子速度测量的数据采集选用TMS320VC33DSP控制器芯片作为中央处理器。DSP控制器主要完成相应的数据采集、数据处理、控制算法和产生PWM信号等。其中数据采集主要是采集六相电动机的每相电流和转子速度信号。相电流采集信号将用于电流环的bang-bang控制而速度采集信号则用于速度的PI控制器。DSP控制器的输出信号为24路PWM信号,该信号用于驱动六相全桥逆变器,两路互差90°余弦模拟信号用于速度编码器。5气隙磁场的测量应用所构建的六相感应电动机实验系统,对所提出的控制原理进行了实验。由于特制的转子绕组,通过应用可“访问”的两相转子绕组,就可以测出气隙磁场的波形分布。应用转矩传感器,电磁转矩就可以直接测量出来。5.1气隙磁场强度通过测量转子绕组感应电压(如图7所示)、转差速度和应用方程(1),气隙磁场强度也间接得到了实测。磁场强度B相对于励磁电流如图8所示。由图8可以发现,当气隙磁场强度等于0.5T磁电流的幅值需要4.5A。5.2转子a相的电流波形通过特制的转子,短接所有的转子绕组,同样施加梯形波相电流,转子绕组中其中一相的电流波形如图9所示。图9中定子电流的转矩电流幅值在一定转差率下由式(5)决定。为了对照,图9中也显示了定子a相的电流波形。从图9中可以发现,定子相电流具有一定的滞环宽度,这是由于电流环采用bang-bang控制的原因。5.3磁速轴5.3.1种方法所取得的误差在转子堵转的条件下,静态电磁转矩通过转矩传感器进行测量,测试结果如图10所示。同时图10中还实测了电动机定子相电流和转矩电流。通过改变转矩电流,来实测与之相对应的电磁转矩。将三种方法(理论分析、有限元分析和实验实测)所得结果一并绘制于图11中,以便于对照比较。由图11可以发现,三种方法所得到的结果存在较小的偏差。产生偏差的主要原因是对于可“访问”的两相转子绕组,由于集电环和电刷的存在,两相的电阻要适当大些,因此在这两相绕组中所产生的感生电流要小些。5.3.2扭矩实验将转子的速度设定为800r/min,电磁转矩对于不同的k(式(5))值被测量,其实验结果如图12所示。由图12可见,当k=7,静态转矩和动态转矩的测试结果是一致的。6子段电阻的存通过以上关于六相电动机的研究,可以达到以下结论:(1)电磁转矩