異步電機(jī)在梯形波相電流驅(qū)動(dòng)下的電磁轉(zhuǎn)矩分析

異步電機(jī)在梯形波相電流驅(qū)動(dòng)下的電磁轉(zhuǎn)矩分析

0多相異步電機(jī)各主要系統(tǒng)運(yùn)行性能有待提高廣泛應(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。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展,三相異步電機(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。多相異步電機(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異步電機(jī)在缺相情況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行,而且多相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以用低壓器件實(shí)現(xiàn)大功率,多相異步電機(jī)控制系統(tǒng)還可以降低供電電壓。此外,多相異步電機(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)了多相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展。對(duì)三相異步電機(jī)在不同磁場(chǎng)定向下及六相異步電機(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)證了六相異步電機(jī)比三相異步電機(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電磁扭矩的測(cè)量討論三相異步電機(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)的非線性,得出了三相異步電機(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2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Ψm軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:Te=32Ψ′mMisTΤe=32Ψ′mΜisΤ(1)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恒功率軸定向控制矩方程定子磁場(chǎng)定向是將M軸與定子磁鏈Ψs軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:Te=32ΨsMisTΤe=32ΨsΜisΤ(2)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基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的電機(jī)矢量控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向是將M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈Yr軸重合。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:Te=32LmLrΨ′rMisTΤe=32LmLrΨ′rΜisΤ(3)該控制方法中轉(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)用于各種異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。2相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)速分析在六相異步電機(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,從電機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理出發(fā),對(duì)六相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析。梯形波驅(qū)動(dòng)下六相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為:由式(4)可以看出,六相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式比三相異步電機(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負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性為了在相同條件和狀態(tài)下對(duì)三相異步電機(jī)和六相異步電機(jī)進(jìn)行比較,文中設(shè)計(jì)了以下仿真,對(duì)同容量的三相異步電機(jī)和六相異步電機(jī)10s時(shí)同時(shí)突加5N·m的負(fù)載,比較這種情況下三相異步電機(jī)和六相異步電機(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2、圖3所示。由圖2、圖3可以看出,用正弦波驅(qū)動(dòng)的三相異步電機(jī)和用梯形波驅(qū)動(dòng)的六相異步電機(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,六相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)比三相異步電機(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)。六相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩比三相異步電機(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,充分顯示出了六相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能。4轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況下的電磁扭矩響應(yīng)實(shí)驗(yàn)是比較在相同階躍轉(zhuǎn)矩電流信號(hào)下三相異步電機(jī)和六相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)情況,在矢量控制系統(tǒng)和梯形波相電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置勵(lì)磁電流為3.5A,階躍轉(zhuǎn)矩電流為2.2A,實(shí)驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行的,系統(tǒng)中的階躍轉(zhuǎn)矩電流信號(hào)如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),為了使系統(tǒng)能達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài),轉(zhuǎn)矩電流的階躍時(shí)間持續(xù)1s左右,三相異步電機(jī)和六相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖5和圖6所示。從圖中可發(fā)現(xiàn),梯形波相電流控制的六相異步電機(jī)和矢量控制的三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)都是很快的,在電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線中,可發(fā)現(xiàn)兩種異步電機(jī)都具有明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值比較大,而六相異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率較高,但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值較小。六相異步電機(jī)良好的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)使得調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能都有所提高。5不同相異步電機(jī)的電磁扭矩響應(yīng)特性在特定的條件下分別對(duì)矢量控制的三相異步電機(jī)系統(tǒng)和梯形波相電流控制的六相異步電機(jī)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了研究。對(duì)三相異步