1、2003年第4期 总第57期 中 国航海 NAVIGAT10N 0F CHINA No4 Dec2003 Senal No57 文章编号：10004653(2003)04008204 六相双Y移3O。绕组永磁同步电机动态性能分析 谢卫，黄家圣 (上海海运学院，上海200135) 摘要：建立六相双Y移3O。绕组永磁同步电动机的状态空间数学模型，对方波供电下电动机的起动过程进行仿真 计算，并对调速系统的动态性能进行分析，为系统设计提供依据。 关键词：电气工程；动态性能；分析；永磁同步电机；数学模型；仿真 中图分类号：TM301 文献标识码：A Dynamic Performance Analysi
2、s of 6-phase Permanent Magnet Synchronous Motor with Double Y-connected 3-phase Symmetrical Windings Displaced in turn by 30。 XIE Wei，HUANG Jiasheng (Shanghai Maritime University，Shanghai 2001 35，China) Abstract：The state-space mathematical model of 6-phase permanent magnet synchronous motor with do
3、uble Ycon nected 3一phase symmetrical windings displaced in turn by 30。is set upThe starting process of the motor supplied with square waveform power is simulated，and the dynamic performances of its adjustable speed system are analyzed to provide the base for system design Key words：Electrical engine
4、ering；Dynamic performance；Analysis；Permanent magnet synchronous motor；Mathe- matical model；Simulation 随着永磁材料的快速发展，永磁电机的应用领 域日益拓宽，其中永磁同步电动机由于具有高效节 能、结构灵活等优势而在现代运动控制系统中占据 主导地位。多相永磁同步电动机是对永磁同步电动 机的进一步发展。多相电机相对于普通三相电机具 有许多优点，如可以用低压器件实现大功率，特别适 合无法得到高压但需要输出大功率的场合，如电力 推进系统中；空间谐波最低次数随相数的增加而提 高，由于谐波幅值下降，转矩脉动
5、减小，系统稳定性 提高，同时转子谐波损耗减小，效率提高；还可以缺 相运行，使系统可靠性提高。因此，多相永磁同步推 进系统的研究和开发受到国内外的关注。目前大容 量的机电一体化永磁同步电动机技术还处于起步阶 段。我们研究的多相永磁同步电动机采用六相不对 称联接方式，其定子绕组由相互位移30电角度的2 套三相对称星形绕组组成，它不同于多相绕组均布 的永磁电机，可以有效消除气隙磁动势中的5次和 7次谐波。 1 数学模型 六相永磁同步推进系统主要包括变频器和永磁 同步电动机两部分：变频器通常采用交一直一交电 压型逆变器，交流电源经整流电路输出直流电压，直 流电压分别同时给两组输出互差30电角度的三相
6、电压型逆变器供电；永磁同步电动机定子采用六相 双Y移30。绕组结构，绕组中性线与直流电源的中 性点联接，转子上设有稀土永磁体和全阻尼绕组(见 图1)。 由于定子采用双Y移30。绕组，可以有效消除 电机气隙磁动势中的高次谐波，所以对六相电动机 供电的电压型逆变器可以直接采用方波控制。方波 的产生很简单，就是用两组相位差互为30电角度的 三相对称且频率可调的正弦波信号直接控制逆变桥 每相桥臂上大功率晶体管的基极，即可分别产生两 组相位差为30电角度且三相对称的方波电压。改 变正弦波信号的频率，即可改变逆变器输出电压的 收稿日期：20030616 作者简介：谢卫(1965)，男，湖南涟源市人，副教授
7、，主要从事电磁装置的数值分析及电力推荐系统的研究。 维普资讯 http:/ 六相双Y移3O。绕组永磁同步电机动态性能分析 83 频率；改变直流环节的电压幅值，即可改变逆变器输 出电压基波的幅值。 11电压方程 为便于考虑变频器与电动机的接口，定子采用 静止abC模型，转子采用单回路dq模型。为简便 计，忽略空间谐波磁场，不考虑铁芯饱和、磁滞和涡 流等的影响。定、转子回路各物理量的正方向均按 电动机惯例(见图2)。 图1六相永磁同步推进系统 图2六相永磁同步电动机绕组分布 定、转子绕组的电压方程为 u： +Rf (1) U 其中，U、f、 、R、分别是定、转子绕组电压向量、电 流向量、磁链向量和
8、电阻矩阵。 U=U口1 U61 Uc1 u口2 U62 Uc2 0 0T， f= 。1 61 1 。2 62 2 J ， =f J J J 2 吼2 2 ， R=diag(R R R R R R R R幻) R、R R幻分别是定子相绕组、转子直轴和交轴阻 尼绕组的电阻。 12磁链方程 式(1)中的磁链和电流之间的关系为 =LI+S (2) 其中， 为永磁体交链于定子相绕组磁链的幅值， 系数矩阵S为 s=cos 一 ) + ) cos(0一詈)s( 一詈一等) cos(0一詈+等) 0T (3) N 为转子直轴阻尼绕组有效匝数对定子相绕组有 效串联匝数的比值。 宦、转子电感系数镇阵L为 Lala
9、1 M 161 M 1 1 M 1。2 M 162 M 1 2 M = LML二 L ， J M 1 1 M 1。2 M 1 1 M 1。2 Lc1c1 Mc1口2 M 1。2 L。2。2 M 162 Mo2b2 Md 2 M 2 2 M口1 1 口 Mblu M61如 M 1 M 1 M口2 M口2幻 Mb2u Mb2k口 Mc2 Mc2 M 162 M 162 M 162 M 262 L6262 M62c2 M =M T，L =diag(L Lkq) 13电感系数 (4) lc2 M 1 2 M 1 2 M口2c2 Mb2c2 Lc2c2 足子绕组电感系数矩阵L 中的各兀系为 L。 f L
10、 0+L,2cos29一( 一1)-g = 。+L,2ms2O一( 一1)詈一 2n (5a) (i=1，2) l _Lnn。+Laa2cos20 _1)詈+等 l = 。+ 2co2O一(半一1)詈 j： +M2oos2O一( _1)詈一亨 (5b) I( ，j=1，2； j) 1 M嘶= 。+ co2O一( 一1)詈+ f 蛳= 。+ co2O一( 一1)詈+ J一- + 2o210一(半一1)詈 (5c) l ( ， =1，2) I M = 。+ co2o一(半一1)詈一弩 其中，Lnn0、 0分另惺定子绕组自感和互感的平均 值，L 2、 62分别是定子绕组自感和互感的二次谐 ： d 以
11、 砚 L 维普资讯 http:/ 中 国航海 2003年第4期 波幅值。 根据磁共能原理，电磁转矩Tn-f以按下式计 定、转子绕组之间互感系数矩阵 ，中的各元 算 素为 I Md Mdcos 一( 一1)詈 l M6 =MdCOSO一( 一1)詈一等 I Mc =MdCOSO一( 一1)詈+ ( =1，2) (6) l Md =一 sin 一( 一1)詈 l M6 =一 n 一( 一1)詈一等 l Mc =一 n 一( 一1)詈+警 其中，M 、M 。分别是定子相绕组和转子直、交阻 尼绕组之间互感的幅值。 转子绕组电感系数矩阵L 中的L L 。分别 是转子直、交轴阻尼绕组的自感，它们均为常值。
12、上 述电感系数均可根据电机的结构尺寸进行计算。 14状态方程 因为在相同的计算步长下，磁链变化量较电流 变化量小，相应的计算精度高，所以选择定、转子磁 链 作为状态变量，电磁系统的状态方程如下 dW=URI (7) 其中，J：L ( 一S )。 选择定子a1相绕组轴线和转子d轴间的夹角 和电机电角速度 作为状态变量，得到机械系统 的状态方程 f dO l 1鲁：字 T唧一 一等 其中，P0为电机极对数，为转动惯量，Rn为机械 阻尼系数，TL为负载转矩，T删为电磁转矩。 25。 200 享 。 l00 50 h= 。- f 。 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 l f(s
13、) (a)电机转速 T， = =P。(1ITLI+ITSW ) = (丢 j+ (9) 其中，机械角位移 =Op0。 2 仿真分析 根据式(7)、式(8)组成的系统状态空间数学模 型，用矩阵处理功能强大的MATLAB软件编制了 六相双Y移30。绕组永磁同步电动机的动态仿真程 序，并以方波供电下电动机的空载异步起动过程为 例进行计算。起动开始时刻各绕组电流均为0，所 以可设j=0， =0，按式(2)、式(3)计算状态变量的 初值。 电机的额定数据如下： 额定功率PN：1 000 kW， 额定电压【，N=3 200 V， 额定频率fN=20 Hz，功率因数cos =10， 效率叩=095，极对数P
14、0=6。 根据结构尺寸计算出的电机参数如下： R=0452 40，R =0212 30，R女。= 0253 6n L 0=327 mH，L 2：64 mH，A 0= 302 mH，M 2：64 mH d：37 mH，M幽：65 mH，Lka= 20 mH，Lk。=35 mH =102 Wb，J=550 kgm2 由仿真结果可知，起动初期转速有振荡的现象， 这是因为起动过程中存在由阻尼绕组所产生的异步 起动转矩和由永磁体所产生的发电制动转矩，前者 带动转子不断加速，并接近同步速；而后者最终将转 子牵入同步，这同普通三相永磁同步电动机的起动 情况是相同的。电动机能很快进入同步稳定运行， 25 2
15、15 吾 考05 0 0_5 1 =_ I 。 1 ：6 。 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 I f(s) (b)电磁转矩 维普资讯 http:/ Y移30。绕组永磁同步电机动态性能分析 85 I 500 1 000 500 一 、二0 500 1000 I 500 0 f， 。I J Vl l “ -上I I上止， 山i J l ir _- 啊 I1T_ _1-1 _- 1 I 500 1 000 500 0 _ 500 一1 000 -I 500 rI 撼 1 I- i,di ILl LJ Ll r T- IIT- l-T_ 1 01 02 03 04 05 06
16、 07 08 09 1 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 I ，(s) f(s) (c)a。绕组电流la。 (d)a2绕组电流i。2 图3空载起动的动态过程 并且进入稳态运行后虽然电枢电流含有一定的谐波 其它动态过程进行仿真分析。图4、图5分别是系 分量，但电机转速的变化却比较平稳，同时电磁转矩 统空载稳态运行时突加负载或突然变频以后电机转 的脉动也很小(见图3)。 速和电磁转矩的变化曲线，可见转速和转矩经过一 运用上述数学模型和程序，可以对调速系统的 定时间的振荡后均可达到稳定。 250 200 喜 。 100 50 ；c 一 、x， 、 、 0 0 2 04 06
17、08 I 12 250 200 喜 。 100 50 言 己 f(s)t(s) (a)电机转速 (b)电磁转矩T怵 图4突然加载的动态过程(0 kNm一20 kNm) 菖 己 t(s】 (b)电磁转矩 3 结 语 参考文献 通过对方波供电下电动机起动过程的计算和分 1乔鸣忠，等多相永磁同步电动机数学模型的分析与研 曼黧 0帽C航海La：2T00 3,5 4 m一 速系统的动态及稳态性能进行分析，为多相永磁同 i si i d 0：m0 h har一 步电动机变频调速系统的设计提供理论依据。仿真 rm0-nic H t i ject JIEEE T瑚 0n I duS al 计算的结果表明，六相双Y移30 绕组永磁同步电 Applic tio ，2002，38(5)：13511360 动机力能指标高，转矩脉动小，有利于系统的稳定运 3高景德，等交流电机及其系统的分析M北京：清 行，在电力推进系统中将得到重要的应用。 华大学出版社，1993 41谢卫、丁梵林稀土永磁同步电动机起动性能分析 0 雄 糙 机 电 维普资讯 http:/
