異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能仿真設(shè)計(jì)

1、基于ANSYS的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī) 起動(dòng)性能仿真計(jì)算異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)(LSPMSM)的特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)限制起動(dòng)電流LSPMSM起動(dòng)性能設(shè)計(jì)難點(diǎn)降壓起動(dòng)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于：異步轉(zhuǎn)矩與U2成正比發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速時(shí)最小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子槽型的優(yōu)化設(shè)計(jì)全壓起動(dòng)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩提高起動(dòng)品質(zhì)因數(shù)降低起動(dòng)電流磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電感參數(shù)計(jì)算困難2磁路法難以對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能進(jìn)行精確設(shè)計(jì)解析法所得典型LSPMSM平均轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線Ta：異步轉(zhuǎn)矩Tb：磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩Tg：發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tav：總平均轉(zhuǎn)矩理想條件下轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線忽略 磁路飽和、磁場(chǎng)諧波和集膚效應(yīng)的 影響，為一光滑曲線。3一般LSPMSM起動(dòng)過(guò)

2、程瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線T-n有限元仿真綜合考 慮了磁路飽和、磁 場(chǎng)諧波、集膚效應(yīng) 等影響，轉(zhuǎn)矩曲線 波動(dòng)劇烈。4本文利用ANSYS/Maxwell2D有限元仿真軟件，以一臺(tái)1.5kW- 2極LSPMSM為例，分別計(jì)算該電機(jī)以下起動(dòng)性能參數(shù)：5一、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst和起動(dòng)電流Ist二、起動(dòng)過(guò)程中的最小轉(zhuǎn)矩Tmin三、牽入同步能力，即臨界牽入同步J-TL曲線一、基于Maxwell的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst和起動(dòng)電流Ist的計(jì)算起動(dòng)轉(zhuǎn)矩即T-s曲線上s=1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，可通過(guò)堵轉(zhuǎn)仿真求取。1.5kW-2極電機(jī)有限元模型6設(shè)置轉(zhuǎn)速為0rpm設(shè)置求解定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗7對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條進(jìn)行渦流效應(yīng)設(shè)置、集膚效應(yīng)透入深度設(shè)置8

3、設(shè)置定子繞組與激勵(lì)源參數(shù)9設(shè)置轉(zhuǎn)子端環(huán)電阻、電感參數(shù)，利用Rmxprt等路算程序計(jì)算10電機(jī)極數(shù)機(jī)械角度范圍每點(diǎn)間隔度數(shù)總計(jì)算點(diǎn)數(shù)三相6極20內(nèi)46點(diǎn)三相4極30內(nèi)6三相2極60內(nèi)12不同極數(shù)電機(jī)堵轉(zhuǎn)仿真取點(diǎn)方法參考堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選取轉(zhuǎn)子d軸與定子A相繞組軸線對(duì)齊時(shí)為第一個(gè)起動(dòng)點(diǎn)，對(duì)于2極電機(jī)，在60范圍內(nèi)選取多個(gè)起動(dòng)點(diǎn)對(duì)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst和堵轉(zhuǎn)電流Ist進(jìn)行參數(shù)化仿真計(jì)算。轉(zhuǎn)子初始位置角參數(shù)化掃描設(shè)置111.5kW-2極樣機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst參數(shù)化仿真結(jié)果1.5kW-2極樣機(jī)堵轉(zhuǎn)電流Ist參數(shù)化仿真結(jié)果堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tst ：待轉(zhuǎn)矩波形穩(wěn)定后，求一個(gè) 周期的平均值A(chǔ)VG，并取其 中的最小值為13Nm

4、。堵轉(zhuǎn)電流Ist ：待電流波形穩(wěn)定后，求一個(gè) 周期的三相電流有效值 RMS的平均值，并取其中 的最大值為17.9A。12二、基于Maxwell的起動(dòng)過(guò)程中的最小轉(zhuǎn)矩Tmin計(jì)算仿真起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)矩波動(dòng)劇烈，難以直接從T-n曲線上讀取最小轉(zhuǎn)矩Tmin轉(zhuǎn)子初始位置角、電壓相位角對(duì)仿真結(jié)果影響也較大理想條件下T-s曲線13實(shí)際仿真所得T-n曲線為了克服以上困難，現(xiàn)假設(shè)電機(jī)帶遠(yuǎn)大于自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載設(shè)備空載起動(dòng)，由于整個(gè)起動(dòng)過(guò)程非常緩慢，可認(rèn)為電機(jī)在各異步轉(zhuǎn)速下 穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)結(jié)束后得到起動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與時(shí)間T-t曲線，對(duì) 該曲線進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，可得到平滑曲線，從平滑曲線上讀出電 機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的最小

5、轉(zhuǎn)矩Tmin14Initial Angular Velocity:：初始轉(zhuǎn)速M(fèi)oment of Inertia： 轉(zhuǎn)子和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和 Damping：阻尼系數(shù)，機(jī)械損耗/(角速度)2 Load Torque：負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為負(fù)值15電機(jī)起動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)置設(shè)置負(fù)載慣量為60倍電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，空載起動(dòng)，仿真得到瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與時(shí)間T-t曲線16起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速與時(shí)間曲線n-t17A相電流與時(shí)間曲線18瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線T-n19利用Matlab對(duì)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與時(shí)間曲線T-t進(jìn)行10次多項(xiàng)式擬合，擬合曲線在0.5s左右 處出現(xiàn)下凹，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s為0.75左右，讀取此處最小值即為電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩Tmin ，為 8.6N

6、m用Matlab對(duì)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與時(shí)間T-t曲線進(jìn)行擬合20三、基于Maxwell的牽入同步能力計(jì)算電機(jī)牽入同步能力由臨界 牽入同步曲線J-TL表征：該 曲線為不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下， 電機(jī)可以牽入同步的不同 的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。0.5011.522.500.511.522.5JTL/Tn臨界牽入同步J-TL曲線系列1乘冪(系列1)21設(shè)置一定負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行參數(shù)化掃描22設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.5倍電機(jī)自身慣量，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行參數(shù) 化掃描，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為-6.25Nm時(shí)，電機(jī)剛好可牽入同步帶1.5倍自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、不同負(fù)載起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線n-t23總結(jié)1.通過(guò)對(duì)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)仿真，得到LSPMSM的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst和起 動(dòng)電流Ist2.通過(guò)進(jìn)行大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，空載起動(dòng)仿真，得到LSPMSM瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線T- t，對(duì)