三相直流电机

2024-09-26

三相直流电机（共9篇）

三相直流电机篇1

(专利申请号:200910008296.0)

节能三相交流电机 (三相异步电机、三相同步电机) 因结构简单、运行可靠、维修方便, 使用广泛, 在使用中可节约50%～60%电能。功率由小到大, 电压380V到6000V。具备生产三相交流电机能力的工厂无须再增加设备均可制造。本发明研制节能三相交流电机20多年, 充分运用杠杆原理及电机磁场电动势, 调整电机的电、磁、力。热忱欢迎海内外朋友对本发明进行认证。

[施之仿供稿江苏阜宁县阜城镇城河路211号彩票站转224400] (2)

三相直流电机篇2

三相柴油发电机组作为供电设备，应该向用电设备提供符合要求的电能，康沃电力三相柴油机发电机组主要技术指标包括：动力性指标、经济性指标、重量和外形尺寸指标、排气污染指标等。

动力性指标：动力性指标是指柴油机对外做功能力，一般指功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和活塞平均速度等。

(1)有效功率：柴油机在单位时间内所做的功称功率，功率的单位为kw,kw=1000n.m/s。柴油机在气缸中单位时间内所做的功称为指示功率。指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气扭失和驭动附件扳失等机械损失功率之后，从发动机曲轴抽出的功率称为有效功率pe。

(2)平均有效压力：通常用平均有效压力八来比较和评定各种发动机的动力性能.它是一个作用在活塞顶上的假想大小不变的压力，它是活塞移动一个行程所做的功，等于每循环所做的有效功。

(3)转速和活塞平均速度：

①转速柴油机曲轴每分钟的转速，用r/min表示。转速对柴油机性能和结构影响很大，而且其范围十分宽广。各种类型柴油机使用转速范围各不相同。

②活塞平均速度cm 活塞在气缸中运动钓速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近较小，止点处为零。若已知柴油机转速n时，则活塞平均速度可由下式计算：cm=2*sn/60=sn/30(m/s)式中s—行程，m。

经济性指标：经济性指标一般指柴油机的燃油消耗率和润滑油消耗率。(1)燃油消耗率：燃油消耗率简称耗油率.它是柴油机工作每千瓦小时所消耗油a的克数，单位为g/(kwh)。以指示功率计的每千瓦小时的燃油消耗率称为指示燃油消耗率，以有效功率计的每千瓦小时的燃油消耗率称为有效燃油消耗率。前者表示柴油机经济性的指示指标。后者表示某油机经济性的有效指标。

(2)滑油消耗率：柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，单位为g/(kw·h)。

重量和外形尺寸指标：柴油机的重量和外形尺寸是评价柴油机结构紧凑性和金属材料利用率的一项指标。各种类型的柴油机对重量和外形尺寸的要求是不同的。

(1)重量指标：柴油机的重量指标通常以比质量来衡量。比质量(gw)又称单位功率质量，是柴油机净重gw与标定功率pe的比值，即 gw=gw/pe(kg/kw)所谓净重是指不包括燃油、滑油、冷却水及其他未直接装在内燃机本体上的附属设备与辅助系统的质量。(2)外形尺寸指标：外形尺寸指标又称紧凑性指标，是指柴油机总体布置紧凑程度的指标。

三相直流电机篇3

随着科技的发展, 电动机在国民经济的各个领域中发挥着不可替代的作用。直流电机与交流电机相比, 省去了交变整流的装置, 节省了成本。为了便于车载、机载等移动使用, 储能装置提供的电能大多为直流, 可见, 直流电机还是有很大的应用前景。

1 三相直流电机的工作原理

直流电机主要由电动机、电子开关、位置传感器组成, 其工作原理框图如图1所示。

从图1可见, 所谓直流电机就是为电机提供电能的电流为直流, 使用的电机本身还是一个三相电机。首先由直流电源供电;其次由PWM调制器产生PWM波通过驱动电路来控制逆变器的6个三极管导通, 进而控制三相电动机的运转;最后通过反馈元件来控制逆变器, 电机中定子会产生一个旋转的磁场, 来驱动转子转动, 进而带动负载运行。

2 在MATLAB/Simulink中的建模

Simulink是MATLAB中的一个功能模块, 能够实现在集成模块中嵌套数学函数编程, 且具有强大的电力电子和电机仿真建模能力。

Simulink中建立的电机模型见图2, 该模型由直流电源DC模块、逆变器Universal Bridge模块、调制器PWM Generator模块、三相电机模块以及测量模块组成。

3 模块中相关参数的设定

调制器PWM Generator模块的主要功能是产生PWM波, 其具体参数设置如图3所示。

逆变器Universal Bridge模块的主要功能是通过调制器PWM Generator产生的PWM波驱动逆变器的三臂桥来驱动三相直流电机, 其具体参数设置如图4所示。

通过三相电机模块可以调节电机的具体参数, 三相电机模块参数设置如图5所示。

测量模块与电机模块配合使用, 用来测量电机的各参数, 如三相电流、转速、转矩等。测量模块的参数设置见图6。

4 动态仿真分析

三相直流异步电机达到预定的转速1 500rad/s的启动时间大约为0.25ms, 在0.3ms给电机施加10Nm的转矩, 该功能由阶跃函数来实现, 对应的电机转速下降到1 400rad/s, 对应的转矩在0.3ms由启动后的0Nm变为10Nm。

三相电流在0.3ms以后电流的幅值明显增大, 因为电机的转矩增大, 需要的电能也随之增大, 所以电机的三相电流增大了, 这说明仿真符合现实情况。三相电流iA, iB, iC分别如图7、图8、图9所示。

电机在启动后0.25ms达到预定的转速1 500rad/s, 由于在0.3ms加了10Nm的转矩, 所以在0.3ms后电机的转速降低到1 400rad/s, 电机的转速曲线如图10所示。

电机的输入转矩曲线如图11所示。电机在0.25ms达到预定转速1 500rad/s时没有施加转矩, 所以此时的转矩为0Nm;在0.3ms加了10Nm的转矩, 转矩曲线也有相应的变化。

通过三相直流电机的仿真分析, 可了解电机启动过程中的三相电流、转速、力矩变化关系。本文在0.3ms施加了10Nm的转矩, 得到了与实际情况相一致的电机的三相电流、转速、转矩仿真曲线。故利用MATLAB仿真有助于更好地理解电机带动负载的过程。

参考文献

[1]薛定宇.基于MATLAB/Simulink系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.

[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 1996.

三相直流电机篇4

核电站用三相异步电机的抗震力学性能计算分析

本文采用有限元法对核电站用三相电机在地震载荷、自重、扭矩和单边磁拉力等多种载荷组合作用下进行了抗震性能计算分析,结果表明在上述载荷作用下,电机机体的应力状况满足抗震要求,电机轴的变形在允许限值内.

作者：胡少卿孙柏涛 Hu Shaoqing Sun Baitao 作者单位：中国地震局,工程力学研究所,黑龙江,哈尔滨,150080 刊名：地震工程与工程振动 ISTIC PKU英文刊名：EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年，卷(期)： 26(6) 分类号：P315.957 关键词：有限元抗震性能电机设备

三相异步电动机电机启动常见故障篇5

1 概述

电机就是电动机的简称, 电机的工作的物理本质就是通过电机的本身器件把电能转化成机械能。在目前的社会生产中, 电机已经被广泛的应用在工农业的各种领域, 随着科学技术水平的不断提高, 各种各样的自动化系统元件都是通过对电机的控制形成的, 包括航空领域的人造卫星系统同样也是通过对电机进行控制, 卫星才能够正常的运行, 除此之外, 电机还被广泛的应用在国防、医疗等其他方面, 因此电机是时代发展的成果, 是提高社会生产力的有效工具。

2 电动机机械故障的分析与处理

2.1 机械方面的扫膛、振动、轴承过热、损坏等故障

2.1.1 异步电动机定、转子之间气隙很小, 容易导致定、转子之

间相碰。一般由于轴承严重超差及端盖内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形, 使机座、端盖、转子三者不同轴心引起扫膛。如发现对轴承应及时更换, 对端盖进行更换或刷镀处理。

2.1.2 振动应先区分是电动机本身引起的, 还是传动装置不良

所造成的, 或者是机械负载端传递过来的, 而后针对具体情况进行排除。属于电动机本身引起的振动, 多数是由于转子动平衡不好, 以及轴承不良, 转轴弯曲, 或端盖、机座、转子不同轴心, 或者电动机安装地基不平, 安装不到位, 紧固件松动造成的。振动会产生噪声, 还会产生额外负荷。

2.1.3 由于轴承原因导致的烧毁及对策

原因:由于轴承损坏, 轴弯曲等原因致使定、转子磨擦 (俗称扫膛) 引起铁心温度急剧上升, 烧毁槽绝缘、匝间绝缘, 从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成:a.轴承装配不当, 如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损, 导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小, 出现跑内圈现象, 装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁, 特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升, 只要轴承完好, 允许间断性跑外圈现象存在。b.轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净, 运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。c.轴承重新更换加工, 电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时摩擦力增加, 温度急剧上升直至烧毁。d.由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够, 致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。

相应对策:a.卸装轴承时, 一般要对轴承加热至80℃~100℃, 如采用轴承加热器, 变压器油煮等, 只有这样, 才能保证轴承的装配质量。b.安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗, 轴承腔内不能留有任何杂质, 填加油脂时必须保证洁净。c.尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。d.组装电机时一定要保证定、转子铁心对中, 不得错位。

2.2 电源电压不正常

当电源电压偏高时, 由于其励磁电流增大, 电动机会过分发热;而且过高的电还会危及电动机的绝缘材料, 使其有被击穿的危险。当电压过低时, 电动机产生的电磁转矩就会大大降低;如果负载转矩没有相应减小, 转子转速过低, 转差率增大, 使电流增大, 就会造成电动机过分发热, 时间长则会影响电动机寿命。当三相电压不对称时, 即某一相电压偏低或偏高, 都会导致该相电流过大, 使发热情况恶化。同时电动机的转矩也会减小, 还会发出“嗡嗡”声, 时间长了也会损坏绕组。

3 启动方面的故障分析

3.1 当通电后电动机不能转动, 但无异响, 也无异味和冒烟。可

能是电源未通 (至少两相未通) 或者熔丝熔断 (至少两相熔断) , 应立即检查电源回路开关, 熔丝。接盒处是否有断点, 修复;检查熔丝型号、熔断原因, 然后更换熔丝即可。也有可能是电机已经损坏, 那就需马上检查电机并修复。

3.2 当电动机起动困难, 带额定负载时, 电动机转速低于额定转

速较多的时候, 可能是电源电压过低, 应马上测量电源电压并改善电压情况;笼形转子开焊或断裂应直接检查开焊和断点并修复;电机过载会导致电动机起动困难, 带额定负载, 我们该马上减载, 减少电机压力。

3.3 绕组首尾端接错时或绕组有匝间短路、线圈反接等故障, 会

导致电动机空载电流不平衡, 三相相差大, 还可能是电源电压不平衡引起的。我们可通过检查绕组并纠正, 消除绕组的故障, 测量电源电压, 设法消除不平衡。

4 结论

三相异步电机负荷率简易测算篇6

1电机简化圆图理论

如果电机电源电压和频率不变, 当电机处于不同工作状态时, 电机转子电流将是以O’为起点的一簇矢量, 其末端在圆周之上。定子电流是励磁 (空载) 电流与转子电流的矢量和, 将是一簇以O为起点的矢量, 其末端也必将在圆周之上。圆图由电机额定空载试验和短路试验所得数据绘制, 如图1。

2电机负荷率简易测算

由于对电机进行短路试验需要电流表、功率表和相应的试验设备装置, 所以一般单位不具备做电机短路试验的条件。我们可以在只对电机进行额定空载试验的情况下, 结合电机铭牌技术数据 (忽略铁损和铜损) 进行负荷率简易测算。

为明了起见, 以我厂2#高炉返矿大倾角皮带机电机换型改造为例予以说明。2#高炉返矿大倾角皮带廊为全钢结构支架, 倾斜角度大, 在实际运行中钢结构架共振颤抖, 导致运料皮带抖动, 磨损严重, 降低了皮带使用周期, 增加了材料消耗费用和生产成本。改造方案为降低皮带机运行速度, 消除运行中钢结构架共振颤抖现象, 避免皮带抖动, 减少皮带磨损。原电机型号为Y250M-455KW, 额定电流102A, 实际运行电流45A, 空载电流35A, 额定功率因数COSΦe=0.88, Φe=28.360。

设电流比例尺为Ki (单位:mm/A) , 电机圆图中实际电流的数值乘以电流比例尺Ki即为电流线段的实际长度。

首先画出电源电压, 当忽略铁损时空载电流, 长度为35Ki, 额定电流, 长度为102Ki, 将空载电流与额定电流的末端相连, 并绘制其垂直平分线与空载电流的延长线相交于C点, 以C点为圆心, C点至空载电流或额定电流的末端为半径画弧, 该圆弧即为电机从空载到额定负载时电流矢量末端的轨迹, 如图2。

以O点为圆心, 实际运行电流45Ki长度为半径画弧, 与电机电流从空载到额定负载时矢量末端的轨迹相交于D点。分别画出电机额定电流和实际运行电流的有功分量A和B (即水平方向在电压矢量的投影) 。当忽略电机定子和转子铜损时, OB与OA的比率即为电机的实际负荷率, 如图3。

按照以上测算方法, 2#高炉返矿大倾角皮带机电机负荷率为25.5%, 即实际输出负荷为14KW。结合备件储备情况、运行安全和改造所用时间等多方因素综合考虑, 我们选用Y250M-637KW电机既可满足功率要求又可使改造省时省力省料 (Y250M-637KW电机与Y250M-455KW电机外形及安装尺寸完全相同) 。

三相感应电机SVM-DTC系统篇7

直接转矩控制技术能够取得很高的转矩控制性能,在交流传动系统中得到了广泛的应用。其独特的零速满转矩输出特性以及对速度传感器依赖性低的特点使其成为挖掘机、网电修井机等大型机电设备的首选技术方案。

传统的直接转矩控制系统包含两个滞环比较器,将电机转矩、定子磁链的给定值与实际值之差限定在滞环范围内,逆变器只有在差值达到滞环比较器容差上下限时开关状态才会改变,这显然造成了逆变开关频率的不固定,会产生大量电磁干扰,同时影响散热[1]。另外,传统直接转矩控制系统还采用开关选择表进行最优电压矢量的选择,而这正是其控制电机输出转矩脉动过大的主要原因。有学者将传统磁链轨迹的6扇区细分为12个扇区,通过工作矢量在转矩调节作用效果上的差异对转矩调节信号进一步划分,增加了控制余地[2]。这种方法可以适当降低转矩脉动,但其本质仍是基于开关选择表的控制,优化能力有限。在此基础之上,还有学者提出使用模糊控制技术的策略。此方案可以进一步优化转矩脉动,但仍是以开关选择表为基础,另外,模糊控制器结构复杂,为实际应用增加了难度[3]。

针对上述问题,本文引入了一种基于空间矢量调制的三相感应电机直接转矩控制系统。该系统摒弃了传统的滞环控制器与开关选择表,代之以2个PI调节器及1个SVPWM发生器,控制过程中无需查表,可由基本电压矢量合成任意所需矢量,有效地对转矩与定子磁链同时调节。所需矢量的合成采用5段式合成方式,在确保了直接转矩控制优秀性能的前提下,可以有效减小转矩与磁链的脉动。同时在每个载波周期内,系统能够保证逆变单元开关管各通断1次,使得开关频率近似保持恒定,增强了系统的鲁棒性。

2 SVM-DTC系统方案

实现SVM-DTC方案的结构主要包括磁链闭环控制结构、磁链转矩无差拍控制结构以及转矩闭环控制结构。磁链闭环控制结构方案要用到定子磁链与转子磁链观测器,因此,要掌握所有的电机参数,这会使得系统过分依赖电机参数,抹煞了直接转矩控制技术的优点,同时控制结构中缺少转矩闭环,降低了系统的鲁棒性。磁链转矩的无差拍控制方案要求非常精确的数学模型,稍有偏差就会导致输出电压的震荡,影响系统的稳定性。目前常用的方案为转矩闭环控制方案,其结构如图1所示[4]。

这种方案采用转矩闭环得到转矩误差值,经过1个PI调节器配合定子磁链角度与给定定子磁链可以得到1个预测磁链,然后通过与实际磁链的比较得到1个参考电压矢量实现转矩与磁链的补偿。在SVM模块中,通过基本的电压矢量能够合成任意矢量,以所需矢量在静止坐标系下的两分量作为输入信号从而能够实现其合成。这种方案比较简单,但是利用转矩参与到了磁链的补偿过程,这样使得磁链的调节受到转矩影响。因此,本文采用了一种定子磁链定向控制方案,通过磁链、转矩的实际值与给定值之差直接得到参考电压矢量,从而能够实现电压与转矩的精确补偿,其结构如图2所示[5,6]。

2.1 参考电压矢量

本文提出的SVM-DTC采用的是基于静止坐标系下定子磁链定向的控制方案,如图2所示,控制系统中采用了转矩与磁链2个闭环,其输出分别经过PI调节器可得到定子电压分量ud,uq,其中ud只影响定子磁链的幅值,而uq只对转矩的调整起作用,二者实为1个电压矢量的2个分量,而该矢量能够同时补偿电机电磁转矩和定子磁链误差,此电压矢量即为参考电压矢量。

此时的矢量是基于dq旋转坐标系下的矢量,但由于基本矢量的分析都是在静止坐标系下进行的,我们有必要将其变换到αβ静止坐标系下。dq - αβ的变换公式如下:

式中:θ为定子磁链轨迹的角度。

根据参考电压矢量在静止坐标系下的分量即可求得矢量相位角,从而判断其所在扇区。相位角计算公式如下:

2.2空间矢量调制原理

直接转矩控制系统以两电平逆变器可输出的6个工作电压矢量为据对参考电压的工作区间进行了扇区划分,其划分情况如图3所示。通过这样的扇区划分,无论所需矢量落在哪一区域,都可以由相邻两矢量配合零矢量合成,这是空间矢量调制的基本思想。

以扇区S1为例,如果参考电压矢量Vref落在S1扇区内,那么就可以利用v1,v2配合零电压矢量对其进行合成,见图4。

设定在一个采样周期Ts内,v1作用时间为T1,v2作用时间为T2,零矢量的作用时间为T0,那么首先T1,T2,T0与Ts应满足下式关系:

其次,根据电压作用的伏秒平衡原理,通过下式关系即可得到v1与v2的作用时间:

其中,v1,v2的幅值应为直流母线电压值的2/3。其他扇区各矢量作用时间可通过类似的方法求得。值得注意的是,当所需合成的参考电压矢量的幅值超过基本工作矢量的幅值时,以此方式求得的T1和T2时间之和可能会超过1个采样周期,这时,需要对求得的电压作用时间进行修正,修正公式如下:

2.3 参考矢量的 5 段式合成

作为一种调制形式,空间矢量调制的最终输出也应该是一系列的脉宽调制波,波形与工作电压矢量的作用顺序紧密相关。为了保证在每一个载波周期内,逆变器开关管能够实现各通断1次,需要采用零矢量分散合成方案对参考电压矢量进行合成。一般按照对称原则,工作矢量分成3段作用,配合开关变化最小原则在工作矢量中插入合适的零矢量,电压矢量作用顺序如图5所示。其中,在工作矢量与参考矢量的各交点对称地插入零矢量,这种方案使得参考矢量的合成过程以零矢量开始,也以零矢量结束[7]。

如果在传统3段式合成方案的基础上进行修改,即将电压合成的过程进一步细化,可以得到一种5段式的合成方案,其合成方式如图6a所示。5段式方案所合成的矢量更加逼近于所需矢量,其工作矢量在合成轨迹上与参考矢量的分离幅值较3段式方案更小,从而使得转矩与磁链的脉动更加减小。按照零矢量分散原则以及开关最小原则,图6b画出了各基本电压矢量在5段式合成方案中的作用时间顺序,以1和0分别代表开关管的通断。如图6所示该合成方式在每个载波周期仍然以零矢量开始和结束,1个采样周期(2个载波周期)内,逆变单元开关管各通断2次,保证了开关频率的近似恒定。

2.4 电机转速辨识

本系统中采用的感应电机转速辨识办法为模型参考自适应法(MRAS)。电机的转速可通过2个能够确定转子磁链在静止坐标系下分量的模型来获得,这2个模型分别为转子磁链的电压模型与电流模型,其中电压模型方程为

电流模型方程为

式中:Ls,Lr,Lm分别为电机定子绕组自感、转子绕组自感及定转子绕组间互感;Rs,Rr分别为定子电阻与转子电阻;Tr为转子电磁时间常数;σ为漏磁系数;p为微分算子;为辨识转速。

转速辨识方案结构如图7所示[8]。

由于电流模型中有转速参与了转子磁链的计算,所以将其选为自适应模型,相应的电压模型即选为参考模型。将2个模型的输出进行比较可得到一调谐信号,该信号经PI调节即可得到辨识转速。通过不断调整使调谐信号接近于0,此时的辨识转速与实际转速也就近似相等。调谐信号生成机制如下:

采用此调谐信号配合PI控制器可以得到一非线性闭环系统,响应快速且稳定,同时系统算法中不涉及转子电阻,转子电阻的变化对转速辨识不产生影响。

3 仿真结果分析

本文通过使用Matlab/Simulink组件对系统进行了建模仿真,其中感应电机选用额定功率为37 k W的较大功率电机,初始给定转速800r/min,初始给定转矩100 N·m。0.5 s时,电机给定转速下降至0 r/min;0.75 s时,给定转速升至500 r/min;1 s时,改变给定转矩为300 N·m。仿真全程给定磁链幅值为1 Wb,时长1.2 s。系统的转矩响应、转速响应以及定子磁链轨迹分别如图8~图10所示。

本文同时对传统直接转矩控制系统、基于12扇区划分的直接转矩控制系统进行了仿真,并分别取相同时段的电机转矩、电机单相电流以及磁链幅值进行对比。

图11为3种控制方案下0.35~0.45 s期间的电机电磁转矩,此时给定转矩为100 N·m。由于12扇区控制方案对转矩的控制选择余地更宽,所以其转矩脉动也明显小于传动控制方案,而SVM-DTC采用了5段式合成技术,其转矩脉动相比前两者有了显著改善。

图12为3种控制方案在0.4~0.5 s期间的电机定子磁链幅值,此时给定转矩为100 N·m,给定转速为800 r/min。定子磁链幅值的波动直接影响了电机转矩响应波形的脉动,其3种控制方案的波动比较结果也与图11的转矩脉动比较结果一致。由于SVM-DTC系统合成的电压矢量直接针对磁链与转矩的所需变化量进行补偿,该控制方案下的转矩与磁链脉动要比仅采用6个工作电压矢量进行补偿的控制方案大为优化。

图13为3种控制方案下0.85~0.95 s期间的电机C相定子电流,此时给定转矩为100 N·m,给定转速为500 r/min。尽管基于12扇区的控制方案在电机转矩与定子磁链方面都较基本控制方案有所改善,但是通过图13可以发现其相应开关频率也更高,这体现了逆变开关频率不固定的缺陷。相比较而言,由于SVM-DTC系统开关频率固定,其电流谐波含量也较基于开关矢量表的前两者控制方案大大减小。

4 结论

三相直流电机篇8

三相异步电机结构简单、制造方便、运行性能好,并可节省各种材料、价格便宜,因而广泛地应用于国民经济的各个部门。电机的性能在很大程度上取决于电机的尺寸,合理的电机尺寸可以有效提高电机的动稳态特性。电机的气隙磁场是电机进行机电能量转换的重要场所,而气隙长度是其主要影响因素之一。因此,研究气隙对电机运行的影响具有重要的意义。

如果想知道气隙对电机性能的影响,那么必须要对电机内部的电磁场进行计算。数值法是将所要计算的电磁场区域剖分成许多网格或单元,然后再经过数学处理进而建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知参数的方程组。通常用于解决电机电磁场问题的数值解法包括有限元法和差分法,用有限元法求解时单元的剖分灵活性大,适用性强,求解的精度高。因此,本文选择Ansoft公司机电系列软件中的Maxwell 2D建立三相异步电机模型并对其进行瞬态场仿真分析,采用有限元法对电机内部磁场进行计算。

1、电机的有限元分析过程

本文应用Ansoft软件进行分析,其基本步骤如下:(1)创建项目;(2)建立模型;(3)赋属性;(4)设边界:(5)剖网格;(6)加激励;(7)计算;(8)后处理。

电机的气隙磁场是电机进行机电能量转换的重要场所,而气隙长度δ是影响气隙磁场的主要因素之一。本文通过仿真,对比分析气隙长度分别为δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm五种情况对电机性能的影响。

1.1 建立模型

本文选取三相异步电机的基本尺寸如表1所示。该电机定子绕组为单层绕组,采用三相60°相带,线规为Φ1.3mm铜线,2股并绕作为一匝,每槽28匝,单层绕组,节距为1-9。定子绕组采用三角形接法。电机极数为4极,额定功率11kW,三相电压源为50Hz,380V,同步转速是1500rpm。材料设置为:铁心--热轧硅钢片D23,转轴--不锈钢材料,机座--铸铁材料。

首先在RMxprt模块中建立基本电机模型,再导入Maxwe11 2D中进行有限元分析。建立的电机1/2几何模型及其网格剖分模型如图1,2所示。

1.2 有限元分析设置

本文应用Ansoft Maxwell软件的2D Transient分析模块。首先对创建的模型定子、转子、气隙等添加材料属性,对定转子铁芯、定子绕组、转子鼠笼绕组分别赋予材料为D23＿50、copper、cast＿aluminum＿75C。

其次对于模型添加了Vector Potential Boundary (狄里克莱边界条件)和Master/Slave Boundary (主从边界条件)。模型中所加电源为理想正弦电压,其周期为0.02 s。

进行负载仿真时,在运动数据信息中的Initial Position初始位置选项中设置旋转运动的初始位置角为15度,此角度为A相换相点。将初始速度、主动惯量、阻尼系数、及负载转矩分别设置为0rpm,0.028kg.m2,0.00884N.m.sec/rad和-83.44Nm,此处负载转矩设为负数,是因为计算时电机逆时针正向旋转,输出正向电磁转矩,因此,负载转矩为反向转矩,负号代表方向。

最后添加求解设置,本文设定分析时间及求解步长依次为0.2s、0.0002s,即求解1000步。设置信息保存开始及终止时间为0s和0.2s,场信息保存时间步长设置为0.005s,即场求解25步保存一次。其他采用默认设置。

2、仿真结果分析

气隙长度δ是电机的重要尺寸之一,它与电机的运行性能、成本密切相关。图3至图7分别是δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的气隙磁密、定子绕组电流、负载转矩、涡流损耗、功率因数和效率曲线。

由图3可以看出,随着气隙长度的增加,气隙磁密呈现减小的趋势。这是因为气隙长度δ小,极间漏磁通就少,气隙有效磁通就大。

模型根据对称性简化,减少计算量,本文只取A相电流进行分析。五种气隙下的空载定子电流比较如图4所示。由于定子绕组的三相电流为正弦交流电,在初始时刻电流很不稳定,幅值很大,最大幅值远远超过稳定时刻的电流。五个波形分别对应δ=0.5mm、δ=0.75mm、δ=1mm、δ=1.25mm和δ=1.5mm的电流波形图。从图中很容易看出,随着气隙的增大,定子电流也逐步增加。

从图5中可以看出,启动时有较大的脉动幅度,最大幅值远远超过稳定时刻的值。在100ms之后趋于稳定,且气隙增大时转矩脉动有下降的趋势。

当气隙中谐波磁场相对磁极表面运动时,就会在极面感生涡流,产生涡流损耗。由于上述仿真情况下只是气隙不同,所以涡流损耗的差异是由气隙造成的。气隙愈大导致磁阻也愈大,使得气隙磁场中的谐波含量减少从而引起损耗改变。从图6可见,随着气隙的增大,涡流损耗明显减小。

如图7所示,随着气隙长度逐渐增加,功率因数和效率同时下降。气隙愈大,磁阻也愈大。磁阻大时,产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流,该电流增大会使电机的功率因数降低。

3、结论

本文运用Ansoft Maxwell软件建立了三相异步电机的有限元仿真模型,对比分析了在不同气隙大小时的电机性能。得出如下结论:随着气隙长度的增大,定子电流也逐步增加,同时气隙磁密、负载转矩涡流损耗、功率因数和效率均呈现下降趋势。因此本文认为在保证定子绕组电流足够的前提下,应尽量减小电机的气隙长度,以使电机性能达到最佳。

参考文献

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