稀土永磁同步电动机起动性能分析

时间：2025-02-21

第31卷第6期　　　　西　安　交　通　大　学　学　报

　1997年6月　Vol.31　№6JOURNALOFXI ANJIAOTONGUNIVERSITY　　Jun.1997

稀土永磁同步电动机起动性能分析

谢　卫　丁梵林

(西安交通大学,710049,西安)

摘要　从稀土永磁同步电动机的基本电磁关系出发,定性分析起动过程中定子和转子不同频率电流分量及其旋转磁场的相互作用,对起主要作用的异步起动转矩和发电制动转矩进行了深入研究,采用相量法和迭加原理求得表征起动性能的转矩-转差率曲线,并同实测结果进行了对比.

关键词　永磁电动机　起动　相量法

中国图书资料分类法分类号　TM351

近十年来,由于稀土永磁材料的迅速发展,以及永磁同步电动机具有标观效率高这一明显优势,稀土永磁同步电动机的研究和开发受到国内外学者广泛重视,目前研究的焦点主要集中在起动问题上[1～3].

对永磁同步电动机起动过程进行精确计算,应该是建立包括电磁系统和机械系统状态变量的状态方程,采用数值计算的方法来求解[4].但是,这种方法必须借助计算机进行电磁场计算,工作量大,而且只能在已知电机所有结构尺寸和设计参数时方能进行,因而适用于校核设计.为满足初始设计中多方案的对比,这里提出了1个仅根据基本电磁参数就可计算起动性能的数学模型.

1　基本电磁关系

磁钢内埋式永磁同步电动机定子与转子间的气隙是均匀的,但稀土永磁材料与转子铁芯材料相比,其磁导率要低得多,造成转子磁路的不对称,因而实际上是1种凸极同步电机.对于此类电机,采用随转子一起旋转的d-q-o坐标系统来分析其中的电磁关系是比较方便的[4].

定、转子电压方程为

d+ q+Rsidud=p

uq=p q- d+Rsiq

,(1)

2西安交通大学学报第31卷

ukd=p kd+Rkdikd

ukd=p kd+Rkqikq

起动绕组电阻,各电磁量采用实际值.

定、转子磁链方程为

d=Ldid+Laadikd+ q=Lqiq+Laaqikq

kd=Ladid+Lkdikd+ m

kd=Laqiq+Lkqikqm(2)式中　p是微分算子(d/dt); 是电角频率;Rs、Rkd、Rkq分别是定子相绕组电阻和转子直、交轴(3)(4)

式中　 m是永磁体交链于定子相绕组磁链的幅值;Laad、交轴激磁电感;Lad、Laaq为直、Laq为直、交轴电枢反应电感;Ld、Lq为定子直、交轴同步电感;Lkd、Lkq为转子直、交轴起动绕组电感.各电感系数之间的关系为

Lad=1.5Laad;　Laq=1.5Laaq;　　Ld=Lad+Ll

Lq=Laq+Ll;

电磁转矩由下式计算Lkd=Laad+Lkdl;Lkq=Laaq+Lkql(5)其中　Ll、Lkdl、Lkql各为定子绕组漏感和转子直、交轴起动绕组漏感.Tem=1.5P0( qid- diq)

式中　P0是电机极对数.

受转动部分机械惯性的影响,起动过程中机械系统物理量的变化速度比电磁系统物理量的变化速度慢得多,可以认为永磁同步电动机经历了转速从0到同步速的一系列的稳态异步运行.由于电机端电压是三相对称且呈正弦变化的,定、转子绕组中的电流是不同频率电流的合成.频率为f1的电源电压在定子绕组中产生同频率的三相对称电流,由此产生的以同步速 1旋转的磁场在转子笼型绕组中感应生成频率为sf1的电流(s为转差率).由于转子磁路不对称,sf1频率的转子电流产生的磁场为椭圆形,可分解为转向相反的2个圆形旋转磁场,它们相对定子的转速分别是 1、(1-2s) 1,在定子电枢绕组中分别感应出频率为f1和(1-2s)f1的对称电流.另外,转子永磁体磁动势将产生(1-s) 1转速的旋转磁场,可在定子绕组中感应出(1-s)f1频率的对称电流.

可见,在永磁同步电动机起动过程中存在2个激励源,即定子电源电压和转子永磁体磁动势.在不考虑磁饱和的情况下,上述定子绕组中原频率为f1和(1-2s)f1的电流折算到d-q-o坐标系统中频率变为sf1,它们同转子绕组中频率为sf1的电流一起可视为电源电压单独作用的结果,而定子绕组中原频率为(1-s)f1的电流折算频率为0,可视为永磁体磁动势单独作用

d、q的计算.的结果.从(5)式可见,电磁转矩的计算关键在于定子电流id、iq和定子磁链

由(2)、(4)式,并注意到ukd=ukq=0,消去转子磁链 kd、 kq,得到转子电流

addikd=Rkd+Lkd P

aqqikd=Rkq+Lkq P

kq(6)

第6期谢　卫等:稀土永磁同步电动机起动性能分析3

d=Lddid+ q=Lqqiq

式中Ldd=Ld-m(7)aadadaaqaq;　Lqq=Lq-Rkd+Lkd PRkq+Lkq P

将上式代入(1)式中,得到定子电流

ZqqUd- LqqUq- 2Lqq mid=ZddZqq+ 2LddLqq

ddddddddmiq=ZddZqq+ LddLqq

式中　Zdd=Rs+Ldd P;　Zqq=Rs+Lqq P(8)