混合勵磁雙凸極電機的調(diào)速系統(tǒng)

PAGEPAGEII摘要混合勵磁電機在保留永磁電機許多優(yōu)點的同時，能克服永磁電機氣隙磁場難于調(diào)節(jié)的缺點。介紹了混合勵磁雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)，分析了電機的調(diào)磁機理，建立了電機的數(shù)學(xué)模型，闡述了轉(zhuǎn)矩形成機理和電機的工作原理。針對混合勵磁雙凸極電機調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速要求，提出了分區(qū)控制策略的思想，在基速以下由電流分配限幅器協(xié)調(diào)調(diào)速、調(diào)壓和增磁調(diào)節(jié)之間的動態(tài)關(guān)系，在基速以上由反電勢PI調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)調(diào)速、調(diào)壓和弱磁調(diào)節(jié)之間的動態(tài)關(guān)系，從而實現(xiàn)調(diào)速、調(diào)壓和調(diào)磁之間的動態(tài)最優(yōu)化控制。關(guān)鍵詞：混合勵磁;雙凸極;增磁;弱磁

目錄摘要 I前言 11雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu) 12混合勵磁雙凸極電機的調(diào)磁機理 33雙凸極電機的調(diào)速性能 43.1雙凸極永磁電機調(diào)速性能 43.2混合勵磁雙凸極電機調(diào)速性能 64調(diào)速控制策略 85仿真結(jié)果及分析 95.1恒定轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)速突變時 95.2恒定轉(zhuǎn)速負載轉(zhuǎn)矩突變時 105.3小結(jié) 11參考文獻 12PAGE12前言20世紀90年代，新產(chǎn)生了一種新的電機種類叫做雙凸極有磁電機，其主要特點是安裝便利、不需要進行維修、速度快、效果明顯、操作簡單、效率高等，能夠完成其他電機無法完成的操作。混合勵磁雙凸極電機是以雙凸極永磁電機為前提發(fā)展形成的。主要包含兩個混合勵磁雙凸極電機是在雙凸極永磁電機的基礎(chǔ)上演變而來的?；旌蟿畲烹p凸極電機存在2個電路中電動勢的源頭，不但具備雙凸極有磁電機的功能，還具備電勵磁雙凸極電機的功能。并且，電機氣隙磁場的主體是通過自身帶磁性的磁鐵產(chǎn)生的，但是電勵磁繞組供應(yīng)磁場協(xié)調(diào)所要求的勵磁。這樣，混合勵磁雙凸極電機就同時具備了兩種電機的功能，不僅安裝便利、使用簡單，效率還非常的高。1雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)圖1-1是12/8極雙凸極永磁電機，主要組成部分基本與開關(guān)磁阻電機相同，定子、轉(zhuǎn)子全部都是凸極齒槽構(gòu)造，其基本結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機類似，定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子鐵心以及轉(zhuǎn)子貼心全部都是通過硅鋼片疊加擠壓形成的，定子上具備統(tǒng)一電樞繞組和永磁磁鋼，轉(zhuǎn)子上無繞組，空間對應(yīng)的定子槽內(nèi)的繞組紛紛連接成單相，產(chǎn)生三相交流電源電樞繞組，星形連結(jié)。定轉(zhuǎn)子磁極個數(shù)不同，要想防止產(chǎn)生單邊磁拉力，徑向是均勻分布的，因此定轉(zhuǎn)子齒數(shù)為偶數(shù)，它們磁極個數(shù)排列可能是6/4極、可能是8/6極、可能是12/8極、可能是16/12極等。因為永磁材料本身自帶的特別性能，雙凸極永磁電機因為勵磁不能進行調(diào)整的緣故，使得其不能廣泛進行使用。圖1-1雙凸極永磁電機基本結(jié)構(gòu)圖1-2為12/8極電勵磁雙凸極電機的截面構(gòu)造，它與雙凸極永磁電機存在的不同就是在電機定子上有一套電勵磁繞組當(dāng)作電源中電動勢的源頭，了一當(dāng)作永磁體來進行使用。勵磁繞組在電機定子中分布均勻，能夠確保勵磁繞組形成的磁場在電機內(nèi)部排列整齊，勵磁繞組基本上與三相電樞繞組每相之間的互相感應(yīng)一樣。因為應(yīng)用了勵磁線圈，能夠只對勵磁繞組添加能夠提供磁場的電壓，對電機磁場進行管理。能夠借助調(diào)整勵磁電壓，相應(yīng)調(diào)整電機的電磁外力偶矩，在電機壓力過高或過低的時候，能夠自動停止磁場供應(yīng)來確保電機的安全，然而因為這種電機在提供磁場時需要很大地匝數(shù)，因此會有非常大的勵磁浪費。因為永磁電機磁場存在不易調(diào)整以及電勵磁電機勵磁浪費大等現(xiàn)象，根據(jù)這一現(xiàn)象，開發(fā)研制除了混合勵磁電機。如圖1-3所示。該電機同時具備永磁電機以及電勵磁電機的功能，在雙凸極電機定子上與定子永磁體形成的磁場軸線連接處裝配一個直流勵磁繞組，傳輸不同方向的能偶調(diào)整的直流電流，就能夠形成對應(yīng)的勵磁磁勢。并且，因為永磁材料的磁場阻力非常大，該勵磁磁場勢力通過永磁體產(chǎn)生勵磁磁通的時候，會形成非常大的磁壓降，就是想獲得相應(yīng)的勵磁磁通要求具備非常大的勵磁磁勢，調(diào)磁結(jié)果不明顯。于是便在電機的永磁體以及這個勵磁繞組之間撞門裝置了相應(yīng)的導(dǎo)磁橋，能夠輔助直流勵磁磁通進行運輸，用不太大的直流勵磁磁勢取得不加大的勵磁磁通。所以，電機的氣隙磁場就是通過永磁體形成的相應(yīng)的磁場以及能夠變化的勵磁磁場相結(jié)合形成，即混合勵磁。圖1-2電勵磁雙凸極電機基本結(jié)構(gòu)圖1-3混合勵磁雙凸極電機基本組成研發(fā)中，轉(zhuǎn)子齒頂寬稍微大于定子齒頂寬，能夠確保電流方向的改變。定子齒頂寬是定子的一半，能夠確保全部極下的轉(zhuǎn)子齒以及定子齒的整體疊加角一直與轉(zhuǎn)子齒頂寬保持一致，但是和轉(zhuǎn)子位于那里沒有任何關(guān)系。12/8極的雙凸極電機定子齒頂寬公式為:2混合勵磁雙凸極電機的調(diào)磁機理如果勵磁電流if=0的時候，勵磁繞組不會出現(xiàn)勵磁磁場電勢，氣隙中僅存在永磁體形成的永磁磁通Φm，基本能夠認為是雙凸極永磁電機，圖2-1(a)是將轉(zhuǎn)子與定子順著圓周方向拉直后通過數(shù)值方向看到最后重新到S極形成整個路程。(a)勵磁電流i如果勵磁電流if大于零(勵磁磁通Φf的方向與永磁磁通Φm一樣)的時候，磁通，如圖2-1(b)所示。如果導(dǎo)磁橋磁阻明顯不超過永磁磁阻的時候，中莊需要經(jīng)過導(dǎo)磁橋產(chǎn)生連通的路線，氣隙磁通中能夠當(dāng)作是永磁磁通與勵磁磁通的結(jié)合，就是Φ=Φm+(b)勵磁電流if如果勵磁電流if小于零的時候，勵磁磁通Φf的方向與永磁磁通Φm不同，如圖2-1(c)所示，氣隙形成磁通Φ=Φm-Φf，在一定程度上降低了磁力。經(jīng)過改變勵磁電流的某些特性，能夠在一定程度上增加磁力或者降低磁力。然而也有要重視的地方:使用的永磁片非常厚、空氣隙非常窄的時候，氣隙磁場也允許出現(xiàn)接近完整的狀態(tài)，使得增加磁力的范疇變窄，成效不明顯，然而卻造成磁力減弱以及范疇擴大。所以，按照研發(fā)宗旨正確計算(c)勵磁電流if小于3雙凸極電機的調(diào)節(jié)速度機能3.1雙凸極永磁電機調(diào)節(jié)速度技能雙凸極永磁電機的電壓方程、外力偶矩方程為:(3-1)(3-2)通過式(4-1),(4-2)可以求得雙凸極永磁電機的固有機械特性:(3-3)Teav、up、ω代表的含義為總體平均外力偶矩、相繞組的端電壓、轉(zhuǎn)子角速度：但是k1與k2全部同ω沒有關(guān)系通過式(3-3)能夠繪制出雙凸極永磁電機的固有機械特性曲線，如圖3-1所示。從這里可以看出，雙凸極永磁電機的外力偶矩與轉(zhuǎn)速成反比，n增加，外力偶矩減小。通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)速度的管理方式，低于平均速度應(yīng)用勻外力偶矩進行運轉(zhuǎn)，高于平均速度應(yīng)用均勻功率進行運轉(zhuǎn)，從而獲得雙凸極永磁電機的真實外力偶矩輸出特別曲線，如圖3-2所示，nN代表平均速度(電機正常工作時的n)。如果真實n為ns的時候，調(diào)節(jié)壓力無法在進行調(diào)節(jié)，電機運轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)變均勻功率運轉(zhuǎn)變成圖3-1所示的固有機械特別性質(zhì)區(qū)域，輸出功率會變小。參考開關(guān)磁阻電機，把均勻功率區(qū)域以及固有機械特別性質(zhì)區(qū)域的轉(zhuǎn)速連接點通過上述內(nèi)容可以知道，雙凸極永磁電機有兩點不足:一是輸出外偶力矩問題，均勻轉(zhuǎn)外偶力矩運轉(zhuǎn)下的最高外偶力驅(qū)為是正常運行下具備的外偶力矩TN，當(dāng)壓力外偶力驅(qū)Tl提升同時超過TN的時候，依據(jù)式(3-2)能夠知道，一定要提升電樞電流增加電機的輸出外偶力驅(qū)，然而電樞電流的提升范圍是一定的;二是最大極限n問題，張昌運行下具備的均勻功率操作下的最大極限n是第二臨界轉(zhuǎn)速ns，加入需要電機n超過ns圖3-1雙凸極永磁電機固有機械特別特性圖3-2雙凸極永磁電機轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特別特性3.2混合勵磁雙凸極電機調(diào)節(jié)速度機理因為混合勵磁雙凸極電機能夠調(diào)節(jié)氣隙磁場，因此電機的速度調(diào)節(jié)管理非常方便，操作也很簡單雙凸極永磁電機的不足要想研究簡單，將混合勵磁雙凸極電機的電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程重寫如下:（3-4）（3-5）將勵磁電流if=0，式(3-4),(3-5)變化為式(3-1),(3-2)。下面以永磁電機為前提研究混合勵磁電機的（1）如果需要n不大于nN的時候，電機使用均勻外偶力矩調(diào)節(jié)速度方式，速度調(diào)節(jié)能夠經(jīng)過調(diào)壓完成，要不要增加磁力(if>如果壓力外偶力矩Tl≤TN，要求電樞電流IP≤IN(如果電樞電流在合理范圍內(nèi))，這個時候經(jīng)過變化IP就能夠?qū)崿F(xiàn)壓力外偶力矩對電機輸出要求的條件，如果壓力外偶力矩Tl>TN，通過式(4-5)可以知道，能夠以保持電流IP=IN的為基礎(chǔ)，經(jīng)過增加磁力(if>0)來完成，經(jīng)過永磁供應(yīng)外偶力矩TN,T（2）如果速n>nN的時候，電機通過勻速功率調(diào)節(jié)速度的方式進行操作，調(diào)速能夠經(jīng)過調(diào)壓或變化勵磁電流(if<0通過圖3-2可以看出，在nN<n≤ns范疇內(nèi)，都是能夠經(jīng)過調(diào)壓完成均勻功率操作的，不需要減小磁力，電機通過永磁進行操作。如果n>ns的時候，能夠以保持哦電樞端電壓最大為基礎(chǔ)經(jīng)過磁力減弱(if<0)來完成，電機通過減小磁力進行操作。很明顯，通過式(3-5)能夠知道，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會變小，同樣是減小磁力提升速度的關(guān)鍵。所以，減小磁力提升速度是均勻功率速度調(diào)節(jié)。通過這種分離均勻功率調(diào)節(jié)速的的通過上面的調(diào)查結(jié)果，繪制相應(yīng)的混合勵磁雙凸極電機的調(diào)節(jié)速度性能曲線，如圖3-3所示。將電機的工作范疇分成四個部分:在正常工作下進行的轉(zhuǎn)速之下的低速要求調(diào)節(jié)速度部分BGOH(if=0)以及低速增加磁力調(diào)節(jié)速度部分ABHJ(if>0);超過在正常工作下進行得n的高速要求調(diào)節(jié)速度范圍BCFG(if=0)和高速圖3-3混合勵磁雙凸極電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性4調(diào)節(jié)速度管理方案通過上面的調(diào)察能夠知道，混合勵磁雙凸極電機具備四種工作能力，然而通過觀察勵磁電流可知，電機在低速條件調(diào)節(jié)速度范圍以及高速調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)速度范圍的勵磁電流全部都是零，因此能夠?qū)㈦姍C分為正常運轉(zhuǎn)(if=0,相應(yīng)低速條件調(diào)節(jié)速度范圍和高速條件調(diào)節(jié)速度范圍)、增加磁力運轉(zhuǎn)(if>0,相應(yīng)低速增加磁力調(diào)節(jié)速度范圍)、減小磁力運轉(zhuǎn)(if<0,相應(yīng)高速減小磁力調(diào)節(jié)速度范圍)三種。所以模式要求安裝兩個管理設(shè)備，一是電樞電壓管理設(shè)備(稱為主要管理設(shè)備)，通過以前的轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)管理途徑，n環(huán)應(yīng)用PI管理設(shè)備，電流環(huán)應(yīng)用三個延遲環(huán)節(jié)管理設(shè)備;另一個是勵磁電流管理色被，通過進度確定模塊挑選增加磁場勵磁電流提供通道或減小磁力勵磁電流提供通道，能夠?qū)畲烹娏鬟M行變化實現(xiàn)增加磁力或減小磁力?；旌蟿畲烹p凸極電機管理模式的重點就是如怎樣按照n條件以及壓力能夠完成上面三種運行途徑四種進度的轉(zhuǎn)變，就是怎樣在主要管理設(shè)備和勵磁電流管理設(shè)備之間變換自如，用來確保壓力調(diào)節(jié)、磁力調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)都能在合理范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變。所以，通過分區(qū)管理方案，形成了如圖4-1所示的控管理模式原理圖，從圖中能夠看出，主要管理設(shè)備以及勵磁電流管理設(shè)備經(jīng)過電流分配限限制幅度模塊以及反電勢回應(yīng)聯(lián)系起來，模式通過這種聯(lián)系能夠從壓力調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變成磁力調(diào)節(jié)。在減小磁力的操作過程中，要想維持主要管理回路繼續(xù)進行操作，要求永磁恒功率運轉(zhuǎn)時的最大極限n(第二臨界轉(zhuǎn)速ns)的圖4-1混合勵磁雙凸極電機哦接替啊模式管理原理圖5仿真結(jié)果及分析要想研究創(chuàng)建的HEDS模型和管理方案是否可行，本文給出了不變的外偶力矩突然變化時模式的輸出特點，和不變的n壓力外偶力矩突然變化模式的輸出特點，同時將第二種進度同DSPM電動機比較，用來強調(diào)HEDS的工作范圍更廣。模擬對象為12/8極的HEDS電動機，基本數(shù)據(jù):不變功率P=630W,不變外偶力矩TN=4N.m,不變nnN=1500r/min,不變勵磁電流IfN=1.4A,不變電流5.1固有外偶力矩給定n突然變化的時候模擬要求:固有外偶力矩為2N.m,給定n為1000r/min，電機開始平穩(wěn)操作;0.4s時給定n突然變化為3200r/min,l.2s時給定n突然變化為1600r/minx從圖5可知，電機剛啟動的時候，為了提升啟動進度，提升效率，電機的電樞電流以及勵磁電流全部需要達到最大極限，這時電機的最大外偶力矩為5.5N.m,電機在增加磁力范圍運行;n達到給定值1000r/min后，電機開始平穩(wěn)進行操作，這時勵磁電流為零，電磁轉(zhuǎn)矩為給定的負載轉(zhuǎn)矩，電機運行在低速永磁區(qū)，即DSPM電動機具備非常合理的操作質(zhì)量。T=0.4s的時候給定n為3200r/min，電機要想提升進度，電樞電流和勵磁電流全部要達到最高范疇，通過控管理方案，電機n增加到1200r/min后勵磁電流慢慢地到降低，如果n等于額定n=1500r/min時，勵磁電流減小至零，如圖5-1d所示，這個時候即使n>nN，因為電樞電流維持一個數(shù)據(jù)不變，電磁外偶力矩非常大，電機依然在提高速度進行操作，即在高速永磁范圍進行操作;如果電機n增加到永磁均勻功率的臨界轉(zhuǎn)速nfn的時候(本模式為2400r/min)，勵磁電流反方向增加，電機在減小磁力范圍內(nèi)進行操作。如果t=1.2s的時候給定n等于1600r/min，電機的電樞電流以及勵磁電流很快降低直至為零，這時電磁外偶力矩等于零，電機外偶力矩迅速降低，一直到給定轉(zhuǎn)速1600r/min,電樞電流平穩(wěn)輸出。由此可知，均勻負載外偶力矩下，如果給定壓力突然發(fā)生變化，HEDS電動機驅(qū)動圖5-1恒定轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)速突變時的輸出特性5.2恒定轉(zhuǎn)速負載轉(zhuǎn)矩突變時要想描述HEDS驅(qū)動模式具備非常強的負載適應(yīng)能力，本文將與DSPM模式比較剖析。模擬要求:給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，電機帶動2N.m的負載轉(zhuǎn)矩從開始到平穩(wěn)進行操作;0.4s時負載轉(zhuǎn)矩突然變化為4N.m,0.8s時負載轉(zhuǎn)矩突然變化為5N.m。圖5-2、圖5-3依次為HEDS和DSPM驅(qū)動模式的模擬結(jié)論。從圖6a和圖7a可知，因為HEDS模式開始的時候能夠通過磁力增加進行操作，開始進度低于DSPM模式3000。如果t=0.8s，負載轉(zhuǎn)矩突然變化為5N.m的時候，HEDS電動機借助勵磁線圈的磁力增加，能夠維持在1000r/min進行操作;但時DSPM驅(qū)動模式，雖然電樞電流處于輸出最大范圍(電流不是斬波波形，稍微高于額定值，如圖7c所示)，然而其最大外偶力矩小于5