湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 羅仔翼

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 電傳動(dòng)控制與智能裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 曾進(jìn)輝

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陽文闖

0 引言

寫極永磁同步電機(jī)是一種新型永磁同步電機(jī)，是基于感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的混合設(shè)計(jì)，具有啟動(dòng)電流低、功率因數(shù)高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、慣量大和瞬時(shí)重復(fù)啟動(dòng)強(qiáng)等能力，且有運(yùn)行電壓范圍寬、允許以低同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖1 寫極電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 寫極電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子主繞組類似常規(guī)電機(jī)的主繞組。定子繞組上有由集中勵(lì)磁繞組構(gòu)成的勵(lì)磁磁極。轉(zhuǎn)子表面有轉(zhuǎn)子磁層，在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子磁層被勵(lì)磁磁極磁化，“寫”成需要的磁極數(shù)。轉(zhuǎn)子磁層下有高電阻籠型繞組，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁層產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩，鼠籠繞組導(dǎo)條感生出感應(yīng)電流，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。當(dāng)磁滯轉(zhuǎn)矩與異步轉(zhuǎn)矩共同作用將轉(zhuǎn)子加速到約80%的同步速時(shí)，勵(lì)磁繞組通電，在轉(zhuǎn)子磁層上寫下磁極。產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步后，隨后勵(lì)磁磁極斷開，轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同作用，寫極電機(jī)以同步狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示。

1 單相寫極永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

由于單相寫極電機(jī)定子中的主繞組和啟動(dòng)繞組的存在，以及相應(yīng)電流的不對(duì)稱,使得單相寫極電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱。因此用于傳統(tǒng)三相電機(jī)的方法不能用于單相寫極電機(jī)。在本文中，通過考慮單相寫極電機(jī)的混合特性，提出了一個(gè)適用于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)模型。通過求解這些方程可以得到單相寫極電機(jī)主輸出參數(shù)。分析單相寫極電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，建立一個(gè)電機(jī)性能模型。電機(jī)參數(shù)是關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)，除當(dāng)轉(zhuǎn)子失速情況外，微分方程系數(shù)都是時(shí)變的。電機(jī)在寫極前后需要在啟動(dòng)和滿載條件中選擇兩個(gè)不同的參考系，降低了控制方程的復(fù)雜性[2-4]。電壓和轉(zhuǎn)矩方程定子繞組是在空間正交中布置不相同的正弦分布繞組。假定主繞組as具有Ns等效匝數(shù)和電阻rs，輔助繞組bs的等效匝數(shù)及電阻值分別為Ns和rs。在轉(zhuǎn)子中采用高電阻鼠籠繞組，轉(zhuǎn)子繞組可視為是正交分布在兩個(gè)相同正弦的分布繞組，每個(gè)繞組的等效匝數(shù)和電阻為rr。將變量轉(zhuǎn)換為靜止參考系，產(chǎn)生以下電壓方程：

其中，ωb用于計(jì)算反作用的基極角速度，每秒磁通量方程：

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到同步速度的80%時(shí)，勵(lì)磁線圈通電，轉(zhuǎn)子磁層被勵(lì)磁磁極磁化，“寫”入所需磁極數(shù)后，勵(lì)磁線圈斷開，此時(shí)寫極電機(jī)以永磁同步電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。電壓方程為：

電機(jī)同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

2 MATLAB仿真結(jié)果

參考根據(jù)以上方程，利用仿真軟件MATLAB建立各部分的仿真模型，選用一臺(tái)單相雙極寫極電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。電機(jī)參數(shù)如下：

表1 電機(jī)參數(shù)

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0146kg/m2，NS/Ns=1.181。由電流-時(shí)間特性仿真圖3分析可得：?jiǎn)?dòng)電流約是額定電流的兩倍，比傳統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)電流低。由轉(zhuǎn)矩-時(shí)間特性仿真圖4分析可得：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩約是額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，能提供較大的啟動(dòng)慣量。由轉(zhuǎn)速-時(shí)間特性仿真圖5可得：寫極電機(jī)在“寫”極之后，速度經(jīng)輕微動(dòng)蕩終趨于穩(wěn)定，“寫”極實(shí)現(xiàn)。

圖3 電流-時(shí)間特性

圖4 轉(zhuǎn)矩-時(shí)間特性

圖5 轉(zhuǎn)速-時(shí)間特性

3 結(jié)論

本文提出了一種新型電機(jī)—單相寫極永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，基于Matlab/Simulink軟件中建立單相寫極電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型仿真結(jié)果表明：

（1）寫極永磁同步電機(jī)的雙速運(yùn)行是可行的，能夠較好的適應(yīng)于不同的工作環(huán)境，且具有效率高，功率因數(shù)高，啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、慣量大，很強(qiáng)的瞬時(shí)重復(fù)啟動(dòng)能力等優(yōu)點(diǎn)。

（2）寫極電機(jī)從80%同步速到同步速時(shí)，不存在焦耳損耗，因而轉(zhuǎn)子不需要設(shè)置水冷/氫冷系統(tǒng)。