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多相梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)換流轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

0u3000永磁同步發(fā)電機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比,永速電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn):無(wú)干擾損失和加熱,性能良好,節(jié)能高效,靜態(tài)性能良好。多相永磁同步電動(dòng)機(jī)還可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子永磁體的磁路設(shè)計(jì)和合理安排定子繞組來(lái)削弱電機(jī)轉(zhuǎn)矩諧波。與前述的多相永磁同步電機(jī)相比,梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子磁極上進(jìn)行了改變,在原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了很多其他的優(yōu)點(diǎn):控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)容易、起動(dòng)和調(diào)速性能好等,因此TPMSM在人們生活的各個(gè)方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是永磁同步電動(dòng)機(jī)存在的最大缺點(diǎn)之一,它使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng),降低系統(tǒng)的精度,惡化系統(tǒng)的性能,引起系統(tǒng)震動(dòng)和噪聲,嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅系統(tǒng)運(yùn)行的安全。對(duì)此,本文以電流型永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立仿真模型,對(duì)換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析研究,在系統(tǒng)正常工作的前提下,減小換相超前角以利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),為多相TPMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較好的依據(jù)。1多相功率位移山谷無(wú)線速度管理系統(tǒng)的模擬模型1.1電機(jī)的振動(dòng)方程本文以六相為例建立多相梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。電機(jī)的定子繞組為雙Y移30°集中整距繞組,轉(zhuǎn)子是表面貼磁式結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,作如下假設(shè)以近似和簡(jiǎn)化分析過(guò)程:(1)忽略電機(jī)鐵心飽和,不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗;(2)不計(jì)電樞反應(yīng);(3)磁極為斜30°電角度放置于轉(zhuǎn)子外表面,忽略齒槽效應(yīng),用卡氏系數(shù)修正后,電樞繞組分布定子內(nèi)表面;(4)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組,永磁體不起阻尼作用。對(duì)于上述簡(jiǎn)化,可將電機(jī)視為兩套三相完全對(duì)稱的繞組,由此可得出六相梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程:[UA1UB1UC1UA2UB2UC2]=[R000000R000000R000000R000000R000000R]?[iA1iB1iC1iA2iB2iC2]+L′p[iA1iB1iC1iA2iB2iC2]+[eA1eB1eC1eA2eB2eC2]+[UΝ1UΝ1UΝ1UΝ2UΝ2UΝ2](1)式中:UA1、UB1、UC1、UA2、UB2、UC2為定子繞組對(duì)地電壓;eA1、eB1、eC1、eA2、eB2、eC2為定子相繞組反電動(dòng)勢(shì);iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2為定子相繞組電流;UN1、UN2為Y形定子繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓;L′為電感矩陣。L′=[L-Μ100Μ2-Μ200L-Μ100Μ2-Μ200L-Μ1-Μ20Μ2Μ20-Μ2L-Μ100-Μ2Μ200L-Μ100-Μ2Μ200L-Μ1]L為自感;M2為定子繞組差30°的互感;M1為定子繞組差60°的互感。電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:Τe=pω(eA1iA1+eB1iB1+eC1iC1+eA2iA2+eB2iB2+eC2iC2)(2)式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;p為電機(jī)的極對(duì)數(shù);ω為轉(zhuǎn)子的電角速度。運(yùn)動(dòng)方程:Τe-ΤL-fω=Jp?dωdt(3)式中:TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為負(fù)載和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;f為轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)。式(1)、式(2)和式(3)構(gòu)成了六相梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。1.2相永磁同步發(fā)電機(jī)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙Y結(jié)構(gòu)的第二套定子繞組在空間上滯后第一套繞組30°電角度,在控制上也應(yīng)使第二套逆變器的供電電流在時(shí)間上滯后第一套逆變器30°電角度。采用四四導(dǎo)通模式,每套逆變器都是兩兩導(dǎo)通模式,因此不考慮換相過(guò)程時(shí),六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的每個(gè)瞬間都有且僅有四個(gè)開(kāi)關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài);但是轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)30°電角度就有一套逆變器的開(kāi)關(guān)管之間要進(jìn)行一次換相,換相是有五個(gè)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài),這樣電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)電周期就有12個(gè)換相狀態(tài)和12個(gè)非換相狀態(tài)。六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的主回路如圖1所示,A1、B1、C1和A2、B2、C2分別是六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩套定子繞組,T1、T2、T3、T4、T5、T6是第一套逆變器的開(kāi)關(guān)功率管,T7、T8、T9、T10、T11、T12是第二套逆變器的開(kāi)關(guān)功率管,兩套逆變器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序及換流規(guī)律完全相同,由于兩套繞組空間位置差30°電角度,反映在導(dǎo)通時(shí)序上就是對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間差為30°電角度的時(shí)間。永磁同步電動(dòng)機(jī)正常換相時(shí),相電流和反電動(dòng)勢(shì)是同相位的,即120°方波電流基波的中心線和反電動(dòng)勢(shì)基波的中心線重合。但是在本文中的電流型負(fù)載換相同步電機(jī)控制系統(tǒng)中,電機(jī)換相需要超前正常換相點(diǎn),且必須保證足夠的換相超前角才能夠換相成功。1.3s1c1-3-b晶閘管導(dǎo)通的t3、t8保護(hù)一個(gè)結(jié)晶的電子鼻設(shè)計(jì)電機(jī)由于電樞繞組自感和互感的影響,相電流不能突變,存在導(dǎo)通相電流逐漸增大、關(guān)斷相電流逐漸減小的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程就是換相過(guò)程,在換相過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的電角度為換相重疊角。電流型調(diào)速系統(tǒng)主電路直流母線中有一個(gè)大電感,使電流更加平滑,逆變器使用的功率開(kāi)關(guān)器件為晶閘管。如圖2所示,系統(tǒng)的第一套繞組處于A1、C1相導(dǎo)通換相到B1、C1相導(dǎo)通的過(guò)程,此時(shí)第一套逆變器的T1、T3和T2導(dǎo)通。第二套繞組是B2、C2相導(dǎo)通,第二套逆變器的T9和T8導(dǎo)通。在A1相和B1相組成的回路中由電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和基爾霍夫電壓定律可得:EA1+VΤ1+RiA1+(L-Μ1)diA1dt-Μ2diB2dt=EB1+VΤ3+RiB1+(L-Μ1)diB1dt+Μ2diB2dt-Μ2diC2dt(4)式中:VT1、VT3為T1和T3的管壓降;id1、id2為第一套和第一套晶閘管的直流母線電流。上式還存在如下等式關(guān)系:iB1=id1-iA1iB2=id2iC2=-id2VΤ1=VΤ3=VΤ}(5)對(duì)于電流型調(diào)速系統(tǒng),直流母線電流id1和id2可以用恒值來(lái)處理,式(4)可簡(jiǎn)化:2(L-Μ1)diA1dt+2RiA1=EB1-EA1+Rid1(6)由于IRKT71-12型晶閘管維持導(dǎo)通的最小電流是250mA,所以換相時(shí)當(dāng)iA1減少到不能維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流250mA以下時(shí)就可以認(rèn)為換相結(jié)束。那么換流重疊角:μ=ωt(7)式中:ω為電角速度;t為A1和B1換相時(shí)電流iA1由id1減小到250mA的時(shí)間。1.4換相階段電機(jī)各相處于導(dǎo)通狀態(tài)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有兩個(gè)階段:換相階段和非換相階段。在換相階段時(shí),電機(jī)有五相處于導(dǎo)通狀態(tài),其中兩相處于換相的過(guò)渡狀態(tài);在非換相階段時(shí),電機(jī)有四相處于正常導(dǎo)通狀態(tài)。(1)電機(jī)電阻和限制電流第一套繞組換相時(shí)的微分方程如下(此時(shí)在第一套繞組和逆變器中有兩個(gè)回路):2(L-Μ1)diA1dt-(L-Μ1)did1dt-3Μ2did2dt=EB1+Rid1-EA1-2RiA1Uin=L1did1dt+2VΤ+(L-Μ1)diA1dt+RiA1-Μ2diB2dt+(L-Μ1)did1dt+Rid1-Μ2diC2dt+EA1-EC1=L1did1dt+2VΤ+(L-Μ1)diA1dt+RiA1+(L-Μ1)did1dt+Rid1+EA1-EC1}(8)式中:iB1=id1-iA1,VT為晶閘管的管壓降,是常數(shù)。由于主電路直流母線有一個(gè)大電感,也可以在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)忽略直流母線電流隨時(shí)間的變化率,并忽略電機(jī)的電阻壓降,式(6)可化為:diA1dt=EB1-EA12(L-Μ1)(9)當(dāng)A1相電流小于晶閘管的維持電流時(shí),換流結(jié)束。此微分方程的解與IA1的初始值id1以及換流期間A1和B1相的反電動(dòng)勢(shì)有關(guān),然而換流期間A1和B1相的反電動(dòng)勢(shì)與換相超前角相關(guān)。因此換流重疊角與母線電流以及換相超前角有關(guān),這與許多文獻(xiàn)中反電動(dòng)勢(shì)用正弦波處理得到的結(jié)論一致。本文仍然以式(8)作為仿真的微分方程,不忽略電機(jī)的電阻和母線電流的變化。第二套繞組B2和C2相導(dǎo)通,此時(shí)的電壓方程如下(在第二套繞組和逆變器中只有一個(gè)回路):Uin=L2did2dt+2VΤ+2(L-Μ1)did2dt+2Rid2-3Μ2diA1dt+3Μ2did1dt+EB2-EC2(10)(2)dt2t,2e1t2e由式(8)中iA1=0得到非換相階段的電壓方程如下:Uin=L2did1dt+2VΤ+2(L-Μ1)did1dt+2Rid1+3Μ2did2dt+EB1-EC1Uin=L2did2dt+2VΤ+2(L-Μ1)did2dt+2Rid2+3Μ2did1dt+EB2-EC2}(11)2電機(jī)的特性仿真在仿真程序中采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)負(fù)反饋PI控制,由轉(zhuǎn)速環(huán)輸出電流給定值,電流環(huán)給出直流輸入電壓值。同時(shí)在轉(zhuǎn)速環(huán)中限流,在電流環(huán)中限制輸入電壓值。采用四階龍格庫(kù)塔法求解狀態(tài)變量微分方程。在仿真程序中的六相梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自感L=6.2874×10-5H;兩套繞組間相位差30°的互感M2=3.5393×10-5H;同套繞組間相位差60°的互感M1=1.7257×10-5H;直流母線中的電感為L(zhǎng)1=L2=0.02H;極對(duì)數(shù)p=4;晶閘管壓降為1V;電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.1N·m·s2;電樞繞組的電阻為R=0.1Ω;設(shè)定轉(zhuǎn)速為1500r/min;負(fù)載轉(zhuǎn)矩系數(shù)fL=0.0019。采用PI雙閉環(huán)控制算法,其中轉(zhuǎn)速環(huán)的比例參數(shù)為0.25,積分參數(shù)為2.5;電流環(huán)的比例參數(shù)為30,積分參數(shù)為3.5。仿真樣機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)如圖3所示。圖4是電機(jī)仿真穩(wěn)態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù),由圖4(a)可知,換流重疊角隨換相超前角增大而減小,在仿真中換相超前角小于11°時(shí)換相失敗;由圖4(b)可知,母線總電流隨換相超前角的增大而增大;由圖4(c)可知,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也隨換相超前角的增大而增大。3波永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的仿真本文在一定合理的假

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