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        無刷直流電機在不同驅(qū)動方式下的 性能比較研究

        2018-04-24 05:54:36王芳媛陳玲
        新型工業(yè)化 2018年12期
        關(guān)鍵詞:正弦波方波直流電機

        王芳媛,陳玲

        (國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心,湖南 長沙 410131)

        0 引言

        無刷直流電機因其應(yīng)用范圍廣而已遍及工業(yè)發(fā)展多方領(lǐng)域中,提高了生產(chǎn)以及人民的生活。本文詳細解析正弦波反電勢無刷直流電動機(BLACM)以及梯形波反電勢無刷直流電動機(BLDCM)兩種電機在正弦波與六脈沖方波兩種驅(qū)動下的電流波形、轉(zhuǎn)矩脈動等情況進行了分析研究。

        1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

        無刷直流電動機定子三相繞組的電壓平衡方程為:

        當(dāng)三相繞組為Y 聯(lián)接而且沒有中線,則有:

        并且

        將以上兩式代入式(1),得到電壓方程式

        從而由電壓方程式可以得到電磁系統(tǒng)的狀態(tài)方程形式:

        電磁轉(zhuǎn)矩為:

        其中電磁功率為:

        2 電流換相分析

        無刷電機在二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)下,如果 是以120°導(dǎo)通方式來運行作業(yè)時,所產(chǎn)生的每個狀態(tài)都會有60°的工作電角度。那么針對其每個狀態(tài)來表明,都會存在一定的導(dǎo)通運行區(qū)和換相運行區(qū)。在導(dǎo)通運行區(qū)中,有二相定子繞組進行導(dǎo)通。而對于換相區(qū)來說,其導(dǎo)通時間通常很短,且三相的定子繞組會同時都有電流通過。在實際過程中,往往可以對管壓降以及功率管的關(guān)斷所產(chǎn)生的時間完全可以忽略不計,假設(shè)電機工作時的換相是從AB 相導(dǎo)通向AC 相環(huán)流:首先將B 相下橋臂中的功率管進行切斷,并且同時C 相中下橋臂的功率管要進行開通,這時進入了換相運行區(qū)。與此同時,C 相的繞組電流會逐漸從零增大,同時B 相的電流進行續(xù)流,這時通過二極管來進行的。當(dāng)B 相的電流越來越小,逐漸衰減為零時,便進入了AC 相的導(dǎo)通運行區(qū),這時C 相的電流會繼續(xù)進行增加,并且會一直維持到下次換相時[1-3]。

        3 仿真及結(jié)果分析

        3.1 無刷直流電機在正弦波驅(qū)動時的仿真

        如圖1 所示,無刷直流電機工作用正弦波驅(qū)動時,電機所形成的反電勢波形為正弦波。圖2 為正弦波無刷直流電機用正弦波驅(qū)動仿真結(jié)果。

        將圖1 中的電機模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波,其他都保持不變。梯形波無刷直流電機正弦波驅(qū)動仿真結(jié)果如圖3 所示。

        由此可以看出,在正弦波驅(qū)動方式下,與正弦波無刷直流電機相比,梯形波無刷直流電機的電磁 轉(zhuǎn)矩抖動較大,而前者則較平緩。

        圖1 無刷直流電機在正弦波驅(qū)動 Fig.1 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Sinusoidal Wave

        圖2 電磁轉(zhuǎn)矩放大圖 Fig. 2 Electromagnetic torque amplification diagram

        3.2 無刷直流電機六脈沖方波驅(qū)動時的仿真

        圖4 所示為無刷直流電機用六脈沖方波驅(qū)動時的仿真電路,形成電機反電勢波形為正弦波。

        圖3 電磁轉(zhuǎn)矩放大圖 Fig. 3 Electromagnetic torque amplification diagram

        圖5 為正弦波無刷直流電機六脈沖方波驅(qū)動仿真結(jié)果。

        將圖4 中的電機模塊反電勢波形由正弦波改為梯形波,其他都保持不變。仿真結(jié)果如圖6 所示。

        圖4 無刷直流電機在六脈沖方波驅(qū)動時的仿真電路 Fig. 4 Simulation circuit of Brushless DC Motor Driven by Six-Pulse Square Wave

        圖5 電磁轉(zhuǎn)矩圖 Fig.5 Electromagnetic torque diagram

        圖6 電磁轉(zhuǎn)矩圖 Fig.6 Electromagnetic torque diagram

        由此可以看出,在六脈沖方波驅(qū)動方式下,與 正弦波無刷直流電機相比,梯形波無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩抖動較大時,前者則較為平緩;相對于同一種電機而言,正弦波驅(qū)動比梯形波驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩脈動要小[4-6]。

        3.3 換相轉(zhuǎn)矩脈動對比和分析

        通常在啟動電機時,電機要快速運行到一定的高速狀態(tài)。過程中,電機的電機繞組中會產(chǎn)生電感的作用,會導(dǎo)致電樞電流會出現(xiàn)相應(yīng)一定的延緩,延緩就會造成轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)有所下降的現(xiàn)象。為了杜絕這種延遲現(xiàn)象的出現(xiàn),這時我們可以采取以下幾點相應(yīng)的措施來對其進行有效的控制和補救。

        首先,我們可以在針對換相期間的時候,產(chǎn)生的相電流幅值來進行恒定控制,這樣可以使其進行非常有效的電流補償和電流控制。通常還可以利用人為的方式來對換相過程的時間加以延長,以使控制電流所需要的時間能夠更加具體。目前較為常用且比較實際的方式為重疊換相法,原理就是通過超前換相和延時換相相互結(jié)合起來達到進行控制的作用。具體的操作方法為:當(dāng)接收到換相信號后,不是第一時間去對其進行關(guān)斷,而是保持將其在導(dǎo)通的狀態(tài)下持續(xù)維持一小段時間,超前換相要是在換相信號在要到來之前,馬上開通相應(yīng)一定的角度,從而在達到進行補償換相過程的時候,就會出現(xiàn)一定的電流下降現(xiàn)象,從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)矩的脈動也會減小。此外,對于梯形波反電勢無刷直流電動機(BLDCM)方式來說,可以在通過換相過程中關(guān)斷相進行延時關(guān)斷的方式,開通時換相管不是采用恒通類的方式來進行調(diào)制,而是采用脈寬調(diào)制的方式來進行調(diào)制,這樣就能夠?qū)Q相過程中產(chǎn)生的脈動進行行之有效的控制[10]。

        4 結(jié)論

        經(jīng)過以上分析,在相同的驅(qū)動下,正弦波的電機比梯形波的電機電磁轉(zhuǎn)矩抖動小,而在使用相同的電機工作情況下,正弦波的驅(qū)動比梯形波驅(qū)動所產(chǎn)生的脈動值要小。從而可得結(jié)論,在使用正弦波驅(qū)動無刷直流電機時具有相對優(yōu)勢。

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