无刷直流电机系统工作效率研究

无刷直流电机系统工作效率研究国绍文;魏国丰;王巍;陈佳莹【摘要】为研究提高无刷直流电机系统工作效率的方法,以无刷直流电机及其控制器作为驱动组件,采用电磁制动器作为可调负载构建一个电机效率测试实验平台,并在此基础上研究无刷直流电机系统的转速、负载大小对其工作效率的影响.结果表明:转速不变时,随着负载的增加,系统效率表现为增加的趋势.负载转矩不变时,随着转速的提高,效率也会随之升高.低负载低速时,效率较低.因此,研究低速轻载条件下提高无刷直流电机系统工作效率的控制方法对节能是很有必要的.期刊名称】《黑龙江工程学院学报(自然科学版)》年(卷),期】2014(028)006【总页数】4页(P25-28)【关键词】无刷直流电机;效率测试;可调负载;实验平台【作者】国绍文;魏国丰;王巍;陈佳莹【作者单位】黑龙江工程学院机电工程学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院机电工程学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院机电工程学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院机电工程学院,黑龙江哈尔滨150050【正文语种】中文【中图分类】TM306随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展，永磁同步电机得到了迅速的发展[1]。由于其调速性能优越，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题，因此，在各个领域具有广阔的应用前景。无刷直流电机(BLDCM)是具有梯形波反电势的永磁同步电机，与具有正弦波反电势的传统永磁同步电机(PMSM)相比具有明显的优越性［2］，能够使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。无刷直流电机是一种高效率的电机，但随着所处电机系统工况的不同，其效率也不是总能维持在较高水平，会受到许多因素的影响［3］。本文利用市场上出售的无刷直流电机及其驱动器作为驱动组件，电磁制动器作为可调负载构建一个电机效率测试实验系统，并在此基础上对无刷直流电机系统的转速、负载大小与效率间的作用关系进行研究，为无刷直流电机的节能控制奠定基础。永磁无刷直流电机的控制器和电机本身紧密结合，是典型的机电一体化器件。它由电动机本体、控制驱动部分和转子位置检测元件三部分组成，控制驱动部分通常由控制器和逆变驱动电路组成［4］，具体如图1所示。控制器根据转子位置检测信息产生正确的逆变器触发信号，控制逆变驱动电路开关管的工作状态，从而使得电机的各项绕组通过时序和幅值的梯形波电流做出符合预期的动作。理论上，电动机的效率定义为式中：Pin为电动机的电输入功率，且Pin二UI，U为外加电压(V)，I为电枢电流(A)；Pout为电动机的机械输出功率。无刷直流电动机在将电能转换成机械能过程中出现的功率损失主要分为四个方面：电枢绕组铜耗pCu。若电枢即电阻为R，则铁心损耗pFe。铁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，它与磁通量密度的平方成正比。机械损耗pfw。机械损耗主要包括电机系统中的摩擦和气动阻尼因素引起的功率损耗。杂散损耗pSt。电机系统中所有不属于上述三种类型的损耗部分称为杂散损耗，对大多数机械系统来说，这部分损耗约占总负载的1%，但具体数值很难精确获得。因此有由式(1)、式(3)可知根据电机的基本方程可知电磁转矩式中:Tem为电磁转矩(N・m),CT为转矩常数，①为每极气隙磁通(Wb)。综合式(4)、式(5)可得考虑到电机系统稳定工作过程中电磁转矩Tem与负载转矩TL处于平衡状态，因此，可将式(6)变换为由式(7)可知，尽管很难利用一个确切的函数把负载转矩TL与效率n间的关系准确表达出来，但负载增大,系统效率会提高的趋势还是显然的［5］。另外，无刷直流电机的机械特性是指外加额定电压U时，电动机转速n与电磁转矩Tem之间的关系，具体为式中:Ce为电动势常数。综合式(6)、式(7)、式(8)可知在电压恒定条件下，随着转速增加，效率会降低。本文通过实验测试进行研究和分析。电机实验平台电机实验平台是本文研究工作的基础，综合考虑与其测试结果的通用性、代表性紧密相关的诸多方面的要求，本文选用市场上出售的无刷直流电机及其驱动器作为驱动组件，电磁制动器作为可调负载构建的无刷直流电机实验平台的功能架构如图2所示。可调负载模块可调负载模块的核心部件是电磁制动器，它可以在电机持续转动过程中提供稳定的负载转矩，转矩的大小通过改变激磁电流实现［6-7］。实验平台选用瑞安市国信电子设备厂生产的GXFZ-A-6型单轴磁粉制动器。制动器性能测试系统如图3所示，测试仪器为乐清爱德堡仪器有限公司的HP-100型数字扭矩测试仪。多次测试数据的平均值及对其拟合后的性能曲线如图4所示。机械连接实验测试平台的机械连接部分以图2中的基座为主体，电机与位置传感器组件和可调负载模块分别通过支板固定在基座上，电机的输出轴与可调负载模块的输出轴通过柔性联轴器连接在一起传递转矩。电机及其控制器无刷直流电机型号为57BL90-230,进行实验测试的电机控制器是无刷直流电机厂家设计的通用控制驱动器，型号为ZD-6716-V3，代表当前无刷电机通用控制器的主流技术水平。2.2功率测试系统功率测试系统功能模块组成如图5所示。功率因数测试仪表选用优利德UT-71E数字多用表，开关型直流电源为交流220V输入，直流24V输出。系统实物照片如图6所示。利用功率特性测试实验平台测得了电机系统在多种负载转矩条件下，不同转速时的功率因数，具体结果如图7所示。图7中的曲线趋势同式(7)的分析结果是一致的，即转速不变时，随着负载的增加，系统效率整体上表现为增加的趋势。负载转矩不变时，随着转速的提高，效率没有随之降低，而是升高了，这与式(8)的分析结果是不一致的。通过详细对比可以发现，这种情况的出现是由于式(8)与功率特性测试实验平台的前提条件不同造成的。根据式(8)分析出随着转速增加，效率会降低的特性是在外加额定电压这一前提下得到，即工作电压是不变的。而功率特性测试平台通过脉宽调制信号来实现对无刷直流电机调速，其实际工作电压是变化的，因此，式(8)的分析结果与实验测试曲线不一致也就正常了。本文选用市场上出售的57BL90-230型无刷直流电机及配套的ZD-6716-V3型驱动器作为驱动组件，GXFZ-A-6型单轴磁粉制动器作为可调负载构建了无刷直流电机实验平台，利用优利德UT-71E数字多用表对上述实验平台不同负载工况下的工作效率进行了测试，结合理论分析研究了负载转矩和电机转速对系统工作效率的影响。实测结果显示，转速不变时，随着负载的增加，系统效率整体上表现为增加的趋势。负载转矩不变时，随着转速的提高，效率也会随之升高。由此可知，在满载高速条件下使用无刷直流电机可以更好地实现节能减排，而低速轻载条件下系统的效率是比较低的，因此，研究低速轻载条件下提高无刷直流电机系统工作效率的控制方法具有比较重要的实际意义。【相关文献】郑吉,王学普•无刷直流电机控制技术综述[几微特电机,2002(3):11-13.MASATAKAAKM.EfficiencycomparisonbetweenBrushlessdcmotorandBrushlessACmotorconsideringdrivingmethodandmachinedesign[J].Proceedings:IECON2011-37thAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSociety,2011:1830-1835.张昊，殷强•电机效率测试技术的研究[J].电机与控制应用,2012,395):41-44,54.⑷马秀娟，刘金凤基于遗传算法的感应电机效率优化控制研究[J].微电机,2013