基于梯形波相電流控制的六相感應電動機的建模與仿真

基于梯形波相電流控制的六相感應電動機的建模與仿真

0相感應發(fā)電機的仿真模型建立隨著能源電子技術和控制理論的發(fā)展，能源變換器可以擺脫三相電網(wǎng)的電源限制，允許多相電網(wǎng)裝置應用于能源能源的能源傳輸。多相電動機與常規(guī)三相電動機相比,具有以下優(yōu)勢:系統(tǒng)運行的整體可靠性高;可用低壓功率器件實現(xiàn)大功率傳動;轉(zhuǎn)子諧波電流減小,諧波損耗下降;改善了磁動勢波形,減小了線電壓并提高了效率。但多相電動機的控制要比三相交流電動機系統(tǒng)復雜得多。本文采用參考文獻提出的梯形波相電流控制策略,在Magnet環(huán)境下對六相感應電動機進行建模和仿真研究。梯形波相電流控制策略是通過為六相感應電動機提供一組梯形波相電流,使電動機的氣隙磁場類似直流電動機的氣隙磁場;通過梯形波相電流來實現(xiàn)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的獨立控制,省去傳統(tǒng)矢量控制中繁瑣的派克變換和派克逆變換,從真正意義上模擬直流電動機的控制。本文利用Magnet軟件來建立六相感應電動機的2D仿真模型,并采用六相梯形波相電流對其驅(qū)動;對電磁場進行2D瞬態(tài)磁場仿真;對電動機的空載和負載啟動性能進行2D動態(tài)仿真,分析了空載和負載啟動時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速特性。1六相感應機的模擬模型建設1.1發(fā)電機動態(tài)響應特性仿真模型六相感應電動機部分參數(shù)如表1所示。利用Autocad軟件構建六相感應電動機模型。將該模型導入Magnet軟件,并在模型中添加相應的導磁材料。設置如圖1所示的六相梯形波相電流,激勵定子繞組。勵磁電流幅值If為3.5A。轉(zhuǎn)矩電流幅值It是變化的,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流可實現(xiàn)對電動機穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。以A相梯形波相電流為例,其波形如圖2所示。在Magnet中設置定子繞組匝數(shù)為83,定子電阻R1～R6為10.9Ω,轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)為28,轉(zhuǎn)子電阻R7～R20為0.64Ω。定、轉(zhuǎn)子電路如圖3所示。對電動機模型添加導磁材料并設置定、轉(zhuǎn)子電路參數(shù)后即完成六相感應電動機在Magnet中的有限元仿真建模。在仿真模型中,剖分單元越細,利用麥克斯韋方程組求解所花費的時間就越長,仿真分析結果就越準確。本實驗設置剖分值為3。1.2轉(zhuǎn)子電流的幅值變化當六相感應電動機定子繞組通入六相梯形波相電流后,在圖1中的t12t12時刻,磁動勢合成空間分布如圖4所示。圖4t124t12時刻磁動勢合成空間分布六相電動機內(nèi)部存在著勵磁磁動勢Ff、轉(zhuǎn)矩磁動勢Ft、轉(zhuǎn)子磁動勢Fr三種磁動勢,圖4給出了t12時刻t12時刻相電流和各磁動勢的方向。其中,相電流方向用“?”和“×”表示。梯形波相電流產(chǎn)生的勵磁磁動勢和轉(zhuǎn)矩磁動勢互相垂直。定子勵磁繞組在氣隙中產(chǎn)生近似于方形的旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子中的導條切割該旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流Ir,轉(zhuǎn)子電流又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁動勢。在理想情況下,圖4中的Ft與Fr大小相等、方向相反,任意時刻轉(zhuǎn)子繞組總有七相繞組被激活,即Fr=∑i=713Nriiri=7NrIr(1)Ft=Nbib?Neie?Nfif=2NsIt(2)2NsIt=7NrIr(3)Fr=∑i=713Νriiri=7ΝrΙr(1)Ft=Νbib-Νeie-Νfif=2ΝsΙt(2)2ΝsΙt=7ΝrΙr(3)式中:Nri為轉(zhuǎn)子第i相的匝數(shù);iri為轉(zhuǎn)子第i相的電流;Nr為轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù);Ns為定子繞組匝數(shù);Nb、Ne、Nf分別為b相、e相、f相的匝數(shù);ib、ie、if分別為b相、e相、f相的電流。在Magnet軟件中改變梯形波相電流的轉(zhuǎn)矩電流幅值,觀察轉(zhuǎn)子電流的幅值變化,如圖5所示。從圖5可知,六相感應電動機在梯形波相電流驅(qū)動下,轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)矩電流呈線性關系,與式(3)相吻合,說明轉(zhuǎn)矩磁動勢與轉(zhuǎn)子磁動勢大小相等、方向相反,則轉(zhuǎn)矩電流磁場強度與轉(zhuǎn)子電流磁場強度可相互抵消,從而使得勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁場不受轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場影響,實現(xiàn)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分立控制。2六相傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能分析2.1以模型求解程序Magnet有限元仿真分析是基于電磁場的數(shù)學模型——麥克斯韋方程組來求解分析的。麥克斯韋方程組是從數(shù)學上模擬物理過程的代數(shù)方程組,而有限元分析的求解程序即求麥克斯韋方程組的解。只要選擇合適的算法,Magnet軟件就會完成所有的計算步驟,基本上不需要人的干預。在Magnet軟件中對電動機電磁場進行2D瞬態(tài)仿真,得到如下仿真結果。2.1.1六相感應機等磁勢分布電動機等磁勢分布如圖6所示。由圖6可見,電磁場分布規(guī)則,無明顯磁場漏磁,有利于電動機的穩(wěn)定運行。2.1.2氣脈磁感應強度模擬對φ=102.5mm圓周上的氣隙磁感應強度進行仿真,波形如圖7所示,結果顯示氣隙磁感應強度波形近似為方波。2.1.3電磁扭矩與扭矩電流的關系通過改變轉(zhuǎn)矩電流的幅值來控制電動機的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩,通過瞬態(tài)仿真進行時步有限元分析,計算出電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩電流的關系,如圖8所示。從圖8可看出,電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩電流近似呈線性關系,取一點為例計算其比值,It=2.2A時,Te=6.49N·m,則TeIt≈2.95N?m/AΤeΙt≈2.95Ν?m/A。2.2d瞬態(tài)仿真模型為了分析電動機啟動時電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨時間的變化情況,并判斷電動機運行時電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速能否達到預定值,在2D瞬態(tài)仿真模型中添加Motion單元,并進行2D動態(tài)仿真。2.2.1電機負載運行時電磁扭矩設置電動機空載運行時間為1s,空載啟動的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖9所示。由圖9可看出,電動機空載啟動時,在0.3s后電磁轉(zhuǎn)矩幅值趨于0,無明顯電磁轉(zhuǎn)矩脈動。該結果表明,電動機空載啟動時電磁轉(zhuǎn)矩響應快,到達穩(wěn)定運行所需時間短。電動機空載運行1s后加負載(10N·m),并設置負載運行時間為1.5s,負載運行時的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如10所示。從圖10可看出,電磁轉(zhuǎn)矩隨著負載的增加而增加,在1.1s時電磁轉(zhuǎn)矩幅值上升到10N·m,可見電磁轉(zhuǎn)矩對負載的響應很快。該結果表明,電動機負載運行時響應速度快,電磁轉(zhuǎn)矩脈動小。2.2.2電動負載運行時轉(zhuǎn)速電動機啟動時要考慮機械參數(shù)的變化,因為是模擬啟動過程,所以設電動機空載啟動時的角速度為ω,初始角速度為0,則電動機的轉(zhuǎn)速n=ω2π×60n=ω2π×60。設置電動機空載運行時間為1s,其速度曲線如圖11所示。從圖11可知,電動機空載啟動0.3s后,轉(zhuǎn)速上升到接近額定轉(zhuǎn)速,可見電動機空載時響應速度較快。電動機空載運行1s后加負載(10N·m),并設置負載運行時間為1.5s,負載運行時的速度曲線如圖12所示。從圖12可看出,加負載后電動機轉(zhuǎn)速有所下降,經(jīng)0.05s轉(zhuǎn)速降低約1%后,電動機穩(wěn)定運行,可見當負載從0變?yōu)?0N·m時,電動要轉(zhuǎn)速脈動較小、響應快。3電機啟動動態(tài)仿真在Magnet環(huán)境中建立六相感應電動機模型,并采用梯形波相電流驅(qū)動,分析表明,梯形波相電流實現(xiàn)了勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流