不同磁場(chǎng)定向下的感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析

不同磁場(chǎng)定向下的感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析

0不同多相電機(jī)的傳動(dòng)載荷廣泛應(yīng)用于電機(jī)的應(yīng)用中，有必要在某些場(chǎng)合產(chǎn)生良好的電機(jī)轉(zhuǎn)速性能，并且在某些場(chǎng)合需要低能耗。電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已是現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,它是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)電、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等方面的重要技術(shù)之一,在其他行業(yè)中也收到很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展,三相電機(jī)的調(diào)速方法和一些高性能的調(diào)速系統(tǒng)己近成熟,但在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)可靠性方面有待提高。從20世紀(jì)70年代起人們開(kāi)始越來(lái)越多的關(guān)注調(diào)速系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題,多相電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的研究熱點(diǎn)。多相電機(jī)及其各種多相調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性使得多相電機(jī)在缺相情況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行,而且多相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以用低壓器件實(shí)現(xiàn)大功率,多相電機(jī)控制系統(tǒng)還可以降低供電電壓。此外,多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子諧波損耗較小,可以具有良好的低速性能,這些都促進(jìn)了多相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展。本文對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)在不同磁場(chǎng)定向下及六相電機(jī)在梯形波相電流驅(qū)動(dòng)下的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了比較分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了六相感應(yīng)電機(jī)比三相感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率高,幅值小,穩(wěn)定性強(qiáng)以及同等電流下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩高的特點(diǎn)。1傳感電機(jī)在不同磁場(chǎng)定向下的電磁扭矩的空間向量討論三相感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理,為了方便研究和計(jì)算,在推導(dǎo)過(guò)程中忽略了磁效應(yīng)的非線(xiàn)性,得出了三相感應(yīng)電機(jī)在不同磁場(chǎng)定向下的的電磁轉(zhuǎn)矩的空間向量表達(dá)式。為了對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制方便,利用矢量坐標(biāo)變換可獲得兩個(gè)電流分量即:勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。設(shè)電機(jī)極對(duì)數(shù)為P,對(duì)于三相感應(yīng)異步電機(jī),通過(guò)對(duì)定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈進(jìn)行坐標(biāo)變換可獲得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)表達(dá)形式。三相異步電機(jī)磁勢(shì),磁通空間矢量分布如圖1所示。1.1基于氣隙磁通的定向電機(jī)控制系統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)定向是將M軸與氣隙磁鏈軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:這種控制方法可以直接測(cè)量出氣隙磁鏈,由于氣隙磁通與電機(jī)磁路的飽和程度一致,因而基于氣隙磁通定向的電機(jī)控制系統(tǒng)適合于磁飽和的情況。1.2電磁轉(zhuǎn)速方程定子磁場(chǎng)定向是將M軸與定子磁鏈軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:從以上推導(dǎo)可知,定子磁場(chǎng)定向控制可以得到較為準(zhǔn)確的定子磁鏈,在電機(jī)的控制中適合恒功率調(diào)速。1.3轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向系統(tǒng)控制策略在實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向是將M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:此控制方法中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)檢測(cè)受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響比較大,在某種程度上影響了調(diào)速系統(tǒng)的性能,但轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量完全解耦,通過(guò)不同磁場(chǎng)定向下電磁轉(zhuǎn)矩的分析可知,轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向非常適合電機(jī)的矢量控制,目前這種控制方法已廣泛應(yīng)用于各種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。2-坐標(biāo)系在六相感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),由于梯形波相電流的緣故電機(jī)氣隙中的磁動(dòng)勢(shì)與普通電機(jī)有所不同,從機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理出發(fā),對(duì)六相電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析。電機(jī)中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能可表示為:對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為:在α-β坐標(biāo)系中有:從以上公式可得出:在梯形波相電流控制下磁動(dòng)勢(shì)分布如圖2所示。從上圖中的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì),轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì),轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流磁動(dòng)勢(shì)矢量合成可以得到:在計(jì)算中忽略定子磁阻和轉(zhuǎn)子磁阻等因素,只考慮氣隙磁阻,則磁通密度可表示為:考慮到磁通密度恒定且忽略轉(zhuǎn)子電感的影響,轉(zhuǎn)子繞組中得到一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以模仿直流電機(jī)中的電動(dòng)勢(shì)來(lái)進(jìn)行計(jì)算:從中可以得到轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流:式中由以上推導(dǎo),利用洛倫茲力定理,則梯形波驅(qū)動(dòng)下六相感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為:由式(14)可以看出,六相感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式比三相電機(jī)較為復(fù)雜但電磁轉(zhuǎn)矩的結(jié)果僅與電機(jī)的參數(shù)和轉(zhuǎn)差頻率有關(guān)。3不同負(fù)載時(shí),各相電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性為了在相同條件和狀態(tài)下對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)和六相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行比較,本文設(shè)計(jì)了以下仿真,對(duì)同容量的三相電機(jī)和六相電機(jī)10s時(shí)同時(shí)突加5N.m的負(fù)載,比較這種情況下三相電機(jī)和六相電機(jī)定子電流,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)矩電流,電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)特性。仿真結(jié)果如圖3、4所示。從上圖可以看出,用正弦波驅(qū)動(dòng)的三相電機(jī)和用梯形波驅(qū)動(dòng)的六相電機(jī)再加入5N.m負(fù)載后,電流、轉(zhuǎn)速、以及電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)情況,六相電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)比三相電機(jī)稍微穩(wěn)定一些,在加入負(fù)載后恢復(fù)情況略好于三相電機(jī)。六相電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩比三相電機(jī)在突加相同負(fù)載的情況下,產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小,恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)用的時(shí)間短,充分顯示出了六相電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成本實(shí)驗(yàn)主要是比較三相電機(jī)和六相電機(jī)對(duì)突加負(fù)載情況的反應(yīng)特性,實(shí)驗(yàn)在電機(jī)運(yùn)行在800rpm的狀態(tài)下進(jìn)行,通過(guò)對(duì)PI速度調(diào)節(jié)器的控制和各參數(shù)的設(shè)置使得感應(yīng)電機(jī)可以運(yùn)行在較理想的穩(wěn)定狀態(tài),在穩(wěn)定狀態(tài)下迅速將一負(fù)載加到感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)上,記錄電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)情況。為了方便三相電機(jī)和六相電機(jī)的比較,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)EXCEL制成圖表結(jié)果如圖5、6所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),梯形波相電流控制的六相感應(yīng)電機(jī)在突加負(fù)載情況下,電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線(xiàn)趨勢(shì)和仿真曲線(xiàn)相符合,證明三相電機(jī)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)的六相電機(jī)系統(tǒng)都具有比較好的制動(dòng)性能和抗干擾能力,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在電磁轉(zhuǎn)矩方面,相對(duì)于同容量的三相感應(yīng)電機(jī),六相感應(yīng)電機(jī)有著更強(qiáng)的穩(wěn)定性。5不同傳感器的響應(yīng)特性對(duì)比在特定的條件下分別對(duì)矢量控制的三相系統(tǒng)和梯形波相電流控制的六相感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了研究。對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)與六相感應(yīng)電機(jī)在相同條件下突加負(fù)載時(shí)的響應(yīng)