自起動內(nèi)嵌式變頻永磁同步電動機性能分析

吳 攀，王淑紅

(1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原030001；2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

自起動永磁同步電動機運行效率及功率因數(shù)高、起動及動態(tài)響應(yīng)快、控制系統(tǒng)簡單，是我國家現(xiàn)階段主推的一類節(jié)能電機，能滿足高精度伺服場合驅(qū)動系統(tǒng)既要有良好的起動性能(起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小)又要有良好的調(diào)速性能的要求，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但對轉(zhuǎn)子帶起動籠條的內(nèi)嵌式永磁同步電機而言，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，即使正弦電源供電，電機起動及調(diào)速過程中電機內(nèi)部存在異步轉(zhuǎn)矩、同步轉(zhuǎn)矩、由于交直軸磁阻不同造成的磁阻轉(zhuǎn)矩，電機的數(shù)學(xué)模型建立、參數(shù)計算及動態(tài)性能分析都較一般的永磁同步電機要復(fù)雜得多[3-4]，其起動性能分析也更困難。特別是在某些調(diào)速場合使用變頻器供電，通過調(diào)節(jié)頻率來改變永磁同步電動機轉(zhuǎn)速，電機的性能分析更加復(fù)雜?，F(xiàn)有文獻對異步起動永磁同步電機的起動性能進行了分析，文獻[5]采用時步有限元法分析了一臺自起動永磁同步電機三相對稱正弦交流電供電，轉(zhuǎn)子位置不同起動時沖擊電流及轉(zhuǎn)矩，文獻[6]利用時步有限元法分析了自起動永磁同步電機起動過程鼠籠異步電機效應(yīng)及變頻永磁發(fā)電機效應(yīng)。

本文在分析內(nèi)嵌式永磁同步電動機靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，建立了基于有限元分析的電機正弦電源及變頻電源供電時的場-路結(jié)合時步有限元分析模型，在Matlab環(huán)境下搭建了內(nèi)嵌式自起動永磁同步電機的常參數(shù)模型，對兩種供電方式下電機的起動及運行性能進行了分析，并采用諧波電流注入法減小了變頻器供電時電機轉(zhuǎn)矩脈動。

1 電機本體及有限元分析

本文針對一臺轉(zhuǎn)子帶鑄鋁式起動籠條內(nèi)嵌式永磁同步電機進行分析，電機的主要參數(shù)值如表1所示，電機有限元仿真模型(結(jié)構(gòu)示意圖)如圖1所示，為改善氣隙中磁場分布波形，使其內(nèi)部磁場分布更接近于正弦，且增強電機弱磁調(diào)速能力，永久磁極采用不對稱的W型結(jié)構(gòu)，為了減小漏磁，磁極部分設(shè)置有隔磁橋。

圖1 有限元計算模型

參數(shù)參數(shù)值額定功率PN/kW18.5額定電壓UN/V380額定頻率fN/Hz50額定轉(zhuǎn)矩TN/Nm118極數(shù)2p4每槽導(dǎo)體數(shù)N22并聯(lián)支路數(shù)a1額定轉(zhuǎn)速nN/(r/min)1500轉(zhuǎn)子槽數(shù)44定子槽數(shù)48

1.1 有限元分析靜特性

在Ansoft/Maxwell軟件環(huán)境下建立內(nèi)嵌式自起動永磁同步電機電磁場有限元分析模型，分析電機及其控制系統(tǒng)聯(lián)合動態(tài)性能仿真提供了基礎(chǔ)。圖2為電機額定負載時一對極下氣隙磁密徑向分量隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線(負載時電樞反應(yīng)與直軸重合)，圖3為此時電機內(nèi)磁力線分布圖，從圖中可見電機磁密中齒諧波含量較大，這對電機運行過程中轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲等均會有較大影響。

圖2 氣隙徑向磁密分布圖

圖3 電樞反應(yīng)與直軸重合時磁力線分布圖

圖4為有限元計算所得樣機自感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線LAA=f(θ)，電機控制系統(tǒng)設(shè)計過程中的非線性變參數(shù)由此曲線提供，若不考慮電機磁路飽和等非線性及參數(shù)變化，經(jīng)park變換后可得永磁同步電機交直軸電感，對本樣機若采取恒功率變換，則直軸電抗Ld為4.893mH、交軸電抗Lq為5.603mH。

圖4 LAA隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線

圖5為電機不同定子電流下電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線(即矩角特性)Te=f(i,θ)，其中對應(yīng)i=0時的轉(zhuǎn)矩即為具有凸極特性的內(nèi)嵌式永磁電機附加磁阻轉(zhuǎn)矩，從圖中可以看出，自起動內(nèi)嵌式永磁同步電機矩角特性與凸極式永磁電機矩角特性相似，且隨電樞電流增大齒槽效應(yīng)造成的轉(zhuǎn)矩脈動也增大，為改善對永磁同步電機運行性能，轉(zhuǎn)矩脈動減小是電機本體設(shè)計及控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定時主要應(yīng)解決的問題。

圖5 矩角特性

1.2 有限元分析起動特性

建立電機的時步有限元模型，在正弦波電源供電時分析了電機自起動過程，得到空載起動時電機轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，如圖6所示。由圖可見即使正弦電源供電，由于在內(nèi)嵌式自起動永磁同步電機啟動過程中同時存在異步電磁轉(zhuǎn)矩、同步電磁轉(zhuǎn)矩及交直軸磁阻不同造成的磁阻轉(zhuǎn)矩，電機空載起動仍較一般異步電機起動過程中轉(zhuǎn)速脈動大，這點在永磁同步電機驅(qū)動的伺服系統(tǒng)應(yīng)加以重視。

圖6 正弦電源下自起動PMSM轉(zhuǎn)速變化曲線

2 變頻器供電時電機性能

與正弦波電源相比較自起動永磁同步電動機變頻器(PWM供電方式)供電時，由于轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條存在及供電電源諧波分量增大使得電機定子電流中諧波含量增大，電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的脈動變大。

2.1 Ansoft環(huán)境下場路耦合(Simplorer)模型及分析

在Maxwell環(huán)境下電機的有限元計算是電機本體的電磁性能，是場的計算，即使對電機的動態(tài)過程(Transient)進行分析，其電壓激勵源也是用函數(shù)設(shè)定的(激勵電壓可以是時間、位置、速度等變量的函數(shù))，不能將電機與其控制電路聯(lián)合仿真，為得到電機在變頻器供電下的動態(tài)性能，建立有限元分析中電機場-路結(jié)合的分析模型。

2.1.1 模型建立

Ansoft /Simplorer是功能強大的多領(lǐng)域機電系統(tǒng)設(shè)計與仿真軟件，可以進行變頻器供電的自起動永磁同步電機場路耦合多物理域聯(lián)合仿真。在Simplorer環(huán)境下搭建三相橋式逆變電路如圖7所示。

圖7 Simplorer環(huán)境下電機及控制系統(tǒng)仿真模型

電機本體模型是Maxwell中建立的，Simplorer仿真模型中電機采用PWM變頻供電方式，調(diào)制波與載波相比較決定圖中主電路中IGBT開通關(guān)斷時間。由于永磁電機初始位置直接影響起動性能，仿真時應(yīng)實時改變調(diào)制波的初始角以確保逆變后輸出電壓與電機初始位置匹配，與異步電機變頻供電相同，在開斷器件允許的條件下盡量選擇載調(diào)制比的大小以調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓。

2.1.2 仿真結(jié)果及分析

Maxwell+Simplorer聯(lián)合仿真所得電機的定子電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形如圖8所示(實驗結(jié)果對比附后)，電流的諧波分析結(jié)果如圖8(c)所示，由圖可見與正弦波電源供電相比較，變頻器供電時自起動內(nèi)嵌式永磁同步電機定子電流的諧波含量較大，電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速脈動較大。為減小變頻供電引起的轉(zhuǎn)矩脈動，采用諧波電流注入法可以減小電機轉(zhuǎn)矩脈動[7-8]，Simplorer環(huán)境下注入諧波后定子電流、轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖9所示，其電流諧波含量如圖9(c)所示，由圖可見，補償后電流諧波分量所占比例減小，穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速脈動減小，對應(yīng)的電機噪聲及振動將減小。

圖8 補償前Simplorer下仿真結(jié)果

圖9 諧波補償后仿真結(jié)果

3 實驗結(jié)果

圖10為實驗測量與有限元計算所得電樞電流為6A時電機矩角特性對比，圖11為實驗測量與有限元計算所得自感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線對比，由圖可見有限元計算模型及實驗測量的正確性。

圖10 實驗及有限元計算所得矩角特性曲線對比(IA=6A)

有限元分析過程中模型搭建及變頻供電外電路設(shè)置正確性，將有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。在實驗室現(xiàn)有的永磁同步電機及其控制系統(tǒng)實驗臺上進行，對電機變頻器開環(huán)供電方式下進行實驗，實驗時電機起動過程頻率采用斜坡增大方式增加到穩(wěn)定運行頻率，實驗所得電機穩(wěn)定運行時定子電流波形與有限元仿真結(jié)果對比如圖12所示。從圖中可以看出，變頻器(PWM方式)供電時自起動內(nèi)嵌式永磁同步電機電流諧波含量大，電機轉(zhuǎn)速脈動大，且隨著頻率增大電流波形變壞，諧波含量增大，這主要是由兩個原因造成的：①變頻器供電時永磁電機諧波含量本身就較正弦波供電時大，②異步起動籠條的存在在電機速度達到同步轉(zhuǎn)速前，異步導(dǎo)條中有感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流存在會使電流諧波含量增大。

圖12 實驗與有限元計算所得電機穩(wěn)定運行時電流波形

4 結(jié) 語

本文借助有限元分析軟件，詳細分析了自起動內(nèi)嵌式永磁同步電機采用變頻器供電時電機的靜、動態(tài)特性，利用場-路結(jié)合方法，在Ansoft/Simplorer環(huán)境下搭建了模擬PWM變頻供電外電路模型與Ansoft/Maxwell環(huán)境下的電機聯(lián)合仿真，得到如下結(jié)論：(1)采用PWM調(diào)制的變頻供電方式時異步起動永磁同步電機定子電流諧波含量較正弦供電時大；(2)采用諧波電流注入法可以減小諧波電流及轉(zhuǎn)矩脈動；(3)實驗結(jié)果驗證了仿真分析的正確性，為變頻供電時自起動永磁同步電機運行性能的改善提供了理論基礎(chǔ)。