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    無刷電機銅耗問題(WTH)
    2020年10月22日

     

    設計電機時效率是電機一個重要的性能指標,他的高低取決于電機運行時所產生的損耗,而在各種損耗當中,電機繞組上的銅耗不僅使得電機效率下降,同時會使電機繞組中溫升增加,影響電機的運行性能,因此研究電機鋼耗具有十分重要的意義。

        電機運行在三相六狀態下,母線電流經過逆變電路進入三相繞組中,而電機在進行PWM調速時電樞電流值與母線電流值不相等,從而用傳統方法計算電機繞組上的銅耗與實際不相符合。假定電機繞組上電阻值不變,因此分析電機銅耗就是分析電樞電流。電機運行在穩態時母線電流存在小幅波動,因此進行計算時母線電流值用平均值來代替,電樞電流取電流有效值。然而無刷直流電機運行在非滿占空比狀態時,電樞電流有效得到的銅耗值與實際電機所產生的銅耗不相符合。

    1理論分析

       稀土永磁無刷直流電動機,其運行系統圖如圖1所示。

        

       為了使得電機有效的運行,達到調速的目的,通常我們采用脈寬調制( PWM),即調節電機的電壓占空比A來實現對電機轉速的控制。表示了在一個通電周期r內,開關管的導通時間f與周期丁的比值。根據稀土永磁無刷直流電動機的基本公式可知,電機電樞繞組電流的瞬時值為:

     

    式中,U為電源電壓;AUT為功率晶體管飽和壓降;E。感應電動勢。

        電機運行時氣隙磁場波形為梯形波,為了分析方便假定氣隙磁場波形為方波,在一個通電周期內電機電流的瞬時值,則在一個周期內,電機運行過程中電機母線電流的平均值為:

         

      而電樞繞組上的電流有效值為:

        由式(2)與式(3)看出電機母線電流平均值L,與電樞繞組電流有效值t。的大小與電機電樞上電流瞬時值有關系,但i(t)隨時間£的函數關系比較復雜,要對比其值的大小,需借助Matlab進行仿真計算。

    2仿真分析

    2.1無刷直流電機數學模型

        無刷直流電機( BLDCM)屬于永磁同步電機其氣隙磁密為方波分布,反電動勢波形為梯形波,相電流波形為方波。由于無刷直流電機的氣隙磁場、反電動勢以及電流都是非正弦,因此直接利用電動機本身的相變量來建立數學模型更為方便。

      假設磁路不飽和,也不計渦流和磁滯損耗,旦三相繞組完全對稱,則三相繞組的電壓平衡方程式為:

    2.2無刷直流電機系統模型

        永磁無刷直流電機驅動系統,主要由電機模塊、變頻器模塊(斬波器與逆變器)、開關管觸發邏輯模塊、轉速/電流控制模塊四部分組成。三相永磁無刷直流電機調速系統模型如圖2所示。

    2.3    Matlab/Simulink下系統仿真及結論

        通過構建的稀土永磁BLDCM數學模型,進行仿真。仿真對象為本文所設計的270 V/3 kW稀土永磁BLDCM。仿真參數如下表1所示。

        

        對電機進行負載仿真計算,電機起動后,首先給定電機轉速n= 5800 r/min.給定負載轉矩為4.9N-m,經過0 04 s電機進入穩態運行。仿真電樞繞組相電流進入穩態后波形如圖3所示,母線電流穩態波形如圖4所示,再次給定轉速n=2900 r/min,給定負載轉矩不變,經過0.035 s電機進入穩態運行。仿真電樞繞組相電流進入穩態后波形如圖5所示,。

        根據仿真波形,取0.1 s~0. 12 s為計算周期,計算電樞電流有效值和母線電流平均值。可分別由有效值計算器和平均值計算器觀測得到,觀測結果和銅耗計算結果如表2所示。

      

        通過表2可以看出電機在n=5 800 r/min運行時,電機控制器PWM占空比以接近********時接近相等,對應的銅耗相差百分之9。電機轉速n=2 900 r/min時,用兩種電流值計算的銅耗相差百分之38。可以看出稀土永磁無刷直流電機帶負載運行時,調節PWM占空比進行調速,轉速較高時,電樞繞組實際產生的銅耗比傳統計算方法計算的銅耗值大。

    3試驗驗證

        為了對仿真結果進行驗證,用270 V/3 kW稀土永磁無刷直流電機進行恒轄矩(TL =4.5 N-m)負載試驗,所得實驗數據見表3。取占空比X=0 832和X=0. 268進行分析,得到表4所示的結果。

        比較可以看出電機在n=5 280 r/min運行時,PWM占空比A=83. 20,而這時母線電流平均值與電機電樞電流有效值接近相等,對應的銅耗相差百分之15。而PWM占空比A=百分之26.8,電機轉速n=2 940 r/min時,用兩種電流值計算的銅耗相差百分之40。說明仿真結果與試驗結果比較接近,驗證了仿真分析的正確性。

    4結論

        本文在理論分析的基礎上,采用Matlab仿真軟件對電機進行仿真,通過實驗結果和仿真結果,表明了無刷直流電機在負載運行時經過改變PWM占空比實現對電機的調速,在調速過程中電機運行在高速時電機繞組電流有效值大于母線電流平均值,因此計算出的銅耗值也是前者大于后者。說明稀土永磁無刷電機進行PWM調速時計算電機銅耗,應以電樞電流的有效值來計算。

               有需要或想更多了解的朋友請與我聯系

             聯系人:王工     電話:18501531992


            





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