吳 攀，王淑紅

(1.國(guó)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(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率及功率因數(shù)高、起動(dòng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，是我國(guó)家現(xiàn)階段主推的一類節(jié)能電機(jī)，能滿足高精度伺服場(chǎng)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既要有良好的起動(dòng)性能(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)子帶起動(dòng)籠條的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)而言，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，即使正弦電源供電，電機(jī)起動(dòng)及調(diào)速過(guò)程中電機(jī)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(jī)的數(shù)學(xué)模型建立、參數(shù)計(jì)算及動(dòng)態(tài)性能分析都較一般的永磁同步電機(jī)要復(fù)雜得多[3-4]，其起動(dòng)性能分析也更困難。特別是在某些調(diào)速場(chǎng)合使用變頻器供電，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)改變永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的性能分析更加復(fù)雜?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[5]采用時(shí)步有限元法分析了一臺(tái)自起動(dòng)永磁同步電機(jī)三相對(duì)稱正弦交流電供電，轉(zhuǎn)子位置不同起動(dòng)時(shí)沖擊電流及轉(zhuǎn)矩，文獻(xiàn)[6]利用時(shí)步有限元法分析了自起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程鼠籠異步電機(jī)效應(yīng)及變頻永磁發(fā)電機(jī)效應(yīng)。

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

1 電機(jī)本體及有限元分析

本文針對(duì)一臺(tái)轉(zhuǎn)子帶鑄鋁式起動(dòng)籠條內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析，電機(jī)的主要參數(shù)值如表1所示，電機(jī)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(chǎng)分布波形，使其內(nèi)部磁場(chǎng)分布更接近于正弦，且增強(qiáng)電機(jī)弱磁調(diào)速能力，永久磁極采用不對(duì)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(jì)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(dòng)永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析模型，分析電機(jī)及其控制系統(tǒng)聯(lián)合動(dòng)態(tài)性能仿真提供了基礎(chǔ)。圖2為電機(jī)額定負(fù)載時(shí)一對(duì)極下氣隙磁密徑向分量隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線(負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)與直軸重合)，圖3為此時(shí)電機(jī)內(nèi)磁力線分布圖，從圖中可見電機(jī)磁密中齒諧波含量較大，這對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲等均會(huì)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(shí)磁力線分布圖

圖4為有限元計(jì)算所得樣機(jī)自感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線LAA=f(θ)，電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的非線性變參數(shù)由此曲線提供，若不考慮電機(jī)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(jī)交直軸電感，對(duì)本樣機(jī)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(jī)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(duì)應(yīng)i=0時(shí)的轉(zhuǎn)矩即為具有凸極特性的內(nèi)嵌式永磁電機(jī)附加磁阻轉(zhuǎn)矩，從圖中可以看出，自起動(dòng)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)矩角特性與凸極式永磁電機(jī)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(dòng)也增大，為改善對(duì)永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小是電機(jī)本體設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定時(shí)主要應(yīng)解決的問(wèn)題。

圖5 矩角特性

1.2 有限元分析起動(dòng)特性

建立電機(jī)的時(shí)步有限元模型，在正弦波電源供電時(shí)分析了電機(jī)自起動(dòng)過(guò)程，得到空載起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)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(dòng)永磁同步電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中同時(shí)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(jī)空載起動(dòng)仍較一般異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速脈動(dòng)大，這點(diǎn)在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)應(yīng)加以重視。

圖6 正弦電源下自起動(dòng)PMSM轉(zhuǎn)速變化曲線

2 變頻器供電時(shí)電機(jī)性能

與正弦波電源相比較自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻器(PWM供電方式)供電時(shí)，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(jī)定子電流中諧波含量增大，電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)變大。

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

在Maxwell環(huán)境下電機(jī)的有限元計(jì)算是電機(jī)本體的電磁性能，是場(chǎng)的計(jì)算，即使對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程(Transient)進(jìn)行分析，其電壓激勵(lì)源也是用函數(shù)設(shè)定的(激勵(lì)電壓可以是時(shí)間、位置、速度等變量的函數(shù))，不能將電機(jī)與其控制電路聯(lián)合仿真，為得到電機(jī)在變頻器供電下的動(dòng)態(tài)性能，建立有限元分析中電機(jī)場(chǎng)-路結(jié)合的分析模型。

2.1.1 模型建立

Ansoft /Simplorer是功能強(qiáng)大的多領(lǐng)域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件，可以進(jìn)行變頻器供電的自起動(dòng)永磁同步電機(jī)場(chǎng)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(jī)及控制系統(tǒng)仿真模型

電機(jī)本體模型是Maxwell中建立的，Simplorer仿真模型中電機(jī)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(shí)間。由于永磁電機(jī)初始位置直接影響起動(dòng)性能，仿真時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)改變調(diào)制波的初始角以確保逆變后輸出電壓與電機(jī)初始位置匹配，與異步電機(jī)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(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形如圖8所示(實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(shí)自起動(dòng)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)定子電流的諧波含量較大，電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較大。為減小變頻供電引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用諧波電流注入法可以減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[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(bǔ)償后電流諧波分量所占比例減小，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)減小，對(duì)應(yīng)的電機(jī)噪聲及振動(dòng)將減小。

圖8 補(bǔ)償前Simplorer下仿真結(jié)果

圖9 諧波補(bǔ)償后仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10為實(shí)驗(yàn)測(cè)量與有限元計(jì)算所得電樞電流為6A時(shí)電機(jī)矩角特性對(duì)比，圖11為實(shí)驗(yàn)測(cè)量與有限元計(jì)算所得自感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線對(duì)比，由圖可見有限元計(jì)算模型及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的正確性。

圖10 實(shí)驗(yàn)及有限元計(jì)算所得矩角特性曲線對(duì)比(IA=6A)

有限元分析過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)電機(jī)變頻器開環(huán)供電方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程頻率采用斜坡增大方式增加到穩(wěn)定運(yùn)行頻率，實(shí)驗(yàn)所得電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子電流波形與有限元仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。從圖中可以看出，變頻器(PWM方式)供電時(shí)自起動(dòng)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)電流諧波含量大，電機(jī)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)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(gè)原因造成的：①變頻器供電時(shí)永磁電機(jī)諧波含量本身就較正弦波供電時(shí)大，②異步起動(dòng)籠條的存在在電機(jī)速度達(dá)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(huì)使電流諧波含量增大。

圖12 實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算所得電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助有限元分析軟件，詳細(xì)分析了自起動(dòng)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)采用變頻器供電時(shí)電機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性，利用場(chǎng)-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(jī)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(shí)異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)定子電流諧波含量較正弦供電時(shí)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(dòng)；(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的正確性，為變頻供電時(shí)自起動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能的改善提供了理論基礎(chǔ)。