混合励磁双凸极电机的调速系统

PAGEPAGEII摘要混合励磁电机在保留永磁电机许多优点的同时，能克服永磁电机气隙磁场难于调节的缺点。介绍了混合励磁双凸极电机的基本结构，分析了电机的调磁机理，建立了电机的数学模型，阐述了转矩形成机理和电机的工作原理。针对混合励磁双凸极电机调速系统的调速要求，提出了分区控制策略的思想，在基速以下由电流分配限幅器协调调速、调压和增磁调节之间的动态关系，在基速以上由反电势PI调节器协调调速、调压和弱磁调节之间的动态关系，从而实现调速、调压和调磁之间的动态最优化控制。关键词：混合励磁;双凸极;增磁;弱磁

目录摘要 I前言 11双凸极电机的基本结构 12混合励磁双凸极电机的调磁机理 33双凸极电机的调速性能 43.1双凸极永磁电机调速性能 43.2混合励磁双凸极电机调速性能 64调速控制策略 85仿真结果及分析 95.1恒定转矩给定转速突变时 95.2恒定转速负载转矩突变时 105.3小结 11参考文献 12PAGE12前言20世纪90年代，新产生了一种新的电机种类叫做双凸极有磁电机，其主要特点是安装便利、不需要进行维修、速度快、效果明显、操作简单、效率高等，能够完成其他电机无法完成的操作。混合励磁双凸极电机是以双凸极永磁电机为前提发展形成的。主要包含两个混合励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机的基础上演变而来的。混合励磁双凸极电机存在2个电路中电动势的源头，不但具备双凸极有磁电机的功能，还具备电励磁双凸极电机的功能。并且，电机气隙磁场的主体是通过自身带磁性的磁铁产生的，但是电励磁绕组供应磁场协调所要求的励磁。这样，混合励磁双凸极电机就同时具备了两种电机的功能，不仅安装便利、使用简单，效率还非常的高。1双凸极电机的基本结构图1-1是12/8极双凸极永磁电机，主要组成部分基本与开关磁阻电机相同，定子、转子全部都是凸极齿槽构造，其基本结构与开关磁阻电机类似，定、转子均为凸极齿槽结构，定子铁心以及转子贴心全部都是通过硅钢片叠加挤压形成的，定子上具备统一电枢绕组和永磁磁钢，转子上无绕组，空间对应的定子槽内的绕组纷纷连接成单相，产生三相交流电源电枢绕组，星形连结。定转子磁极个数不同，要想防止产生单边磁拉力，径向是均匀分布的，因此定转子齿数为偶数，它们磁极个数排列可能是6/4极、可能是8/6极、可能是12/8极、可能是16/12极等。因为永磁材料本身自带的特别性能，双凸极永磁电机因为励磁不能进行调整的缘故，使得其不能广泛进行使用。图1-1双凸极永磁电机基本结构图1-2为12/8极电励磁双凸极电机的截面构造，它与双凸极永磁电机存在的不同就是在电机定子上有一套电励磁绕组当作电源中电动势的源头，了一当作永磁体来进行使用。励磁绕组在电机定子中分布均匀，能够确保励磁绕组形成的磁场在电机内部排列整齐，励磁绕组基本上与三相电枢绕组每相之间的互相感应一样。因为应用了励磁线圈，能够只对励磁绕组添加能够提供磁场的电压，对电机磁场进行管理。能够借助调整励磁电压，相应调整电机的电磁外力偶矩，在电机压力过高或过低的时候，能够自动停止磁场供应来确保电机的安全，然而因为这种电机在提供磁场时需要很大地匝数，因此会有非常大的励磁浪费。因为永磁电机磁场存在不易调整以及电励磁电机励磁浪费大等现象，根据这一现象，开发研制除了混合励磁电机。如图1-3所示。该电机同时具备永磁电机以及电励磁电机的功能，在双凸极电机定子上与定子永磁体形成的磁场轴线连接处装配一个直流励磁绕组，传输不同方向的能偶调整的直流电流，就能够形成对应的励磁磁势。并且，因为永磁材料的磁场阻力非常大，该励磁磁场势力通过永磁体产生励磁磁通的时候，会形成非常大的磁压降，就是想获得相应的励磁磁通要求具备非常大的励磁磁势，调磁结果不明显。于是便在电机的永磁体以及这个励磁绕组之间撞门装置了相应的导磁桥，能够辅助直流励磁磁通进行运输，用不太大的直流励磁磁势取得不加大的励磁磁通。所以，电机的气隙磁场就是通过永磁体形成的相应的磁场以及能够变化的励磁磁场相结合形成，即混合励磁。图1-2电励磁双凸极电机基本结构图1-3混合励磁双凸极电机基本组成研发中，转子齿顶宽稍微大于定子齿顶宽，能够确保电流方向的改变。定子齿顶宽是定子的一半，能够确保全部极下的转子齿以及定子齿的整体叠加角一直与转子齿顶宽保持一致，但是和转子位于那里没有任何关系。12/8极的双凸极电机定子齿顶宽公式为:2混合励磁双凸极电机的调磁机理如果励磁电流if=0的时候，励磁绕组不会出现励磁磁场电势，气隙中仅存在永磁体形成的永磁磁通Φm，基本能够认为是双凸极永磁电机，图2-1(a)是将转子与定子顺着圆周方向拉直后通过数值方向看到最后重新到S极形成整个路程。(a)励磁电流i如果励磁电流if大于零(励磁磁通Φf的方向与永磁磁通Φm一样)的时候，磁通，如图2-1(b)所示。如果导磁桥磁阻明显不超过永磁磁阻的时候，中庄需要经过导磁桥产生连通的路线，气隙磁通中能够当作是永磁磁通与励磁磁通的结合，就是Φ=Φm+(b)励磁电流if如果励磁电流if小于零的时候，励磁磁通Φf的方向与永磁磁通Φm不同，如图2-1(c)所示，气隙形成磁通Φ=Φm-Φf，在一定程度上降低了磁力。经过改变励磁电流的某些特性，能够在一定程度上增加磁力或者降低磁力。然而也有要重视的地方:使用的永磁片非常厚、空气隙非常窄的时候，气隙磁场也允许出现接近完整的状态，使得增加磁力的范畴变窄，成效不明显，然而却造成磁力减弱以及范畴扩大。所以，按照研发宗旨正确计算(c)励磁电流if小于3双凸极电机的调节速度机能3.1双凸极永磁电机调节速度技能双凸极永磁电机的电压方程、外力偶矩方程为:(3-1)(3-2)通过式(4-1),(4-2)可以求得双凸极永磁电机的固有机械特性:(3-3)Teav、up、ω代表的含义为总体平均外力偶矩、相绕组的端电压、转子角速度：但是k1与k2全部同ω没有关系通过式(3-3)能够绘制出双凸极永磁电机的固有机械特性曲线，如图3-1所示。从这里可以看出，双凸极永磁电机的外力偶矩与转速成反比，n增加，外力偶矩减小。通过调节压力调节速度的管理方式，低于平均速度应用匀外力偶矩进行运转，高于平均速度应用均匀功率进行运转，从而获得双凸极永磁电机的真实外力偶矩输出特别曲线，如图3-2所示，nN代表平均速度(电机正常工作时的n)。如果真实n为ns的时候，调节压力无法在进行调节，电机运转将转变均匀功率运转变成图3-1所示的固有机械特别性质区域，输出功率会变小。参考开关磁阻电机，把均匀功率区域以及固有机械特别性质区域的转速连接点通过上述内容可以知道，双凸极永磁电机有两点不足:一是输出外偶力矩问题，均匀转外偶力矩运转下的最高外偶力驱为是正常运行下具备的外偶力矩TN，当压力外偶力驱Tl提升同时超过TN的时候，依据式(3-2)能够知道，一定要提升电枢电流增加电机的输出外偶力驱，然而电枢电流的提升范围是一定的;二是最大极限n问题，张昌运行下具备的均匀功率操作下的最大极限n是第二临界转速ns，加入需要电机n超过ns图3-1双凸极永磁电机固有机械特别特性图3-2双凸极永磁电机转矩一转速调节特别特性3.2混合励磁双凸极电机调节速度机理因为混合励磁双凸极电机能够调节气隙磁场，因此电机的速度调节管理非常方便，操作也很简单双凸极永磁电机的不足要想研究简单，将混合励磁双凸极电机的电压方程、转矩方程重写如下:（3-4）（3-5）将励磁电流if=0，式(3-4),(3-5)变化为式(3-1),(3-2)。下面以永磁电机为前提研究混合励磁电机的（1）如果需要n不大于nN的时候，电机使用均匀外偶力矩调节速度方式，速度调节能够经过调压完成，要不要增加磁力(if>如果压力外偶力矩Tl≤TN，要求电枢电流IP≤IN(如果电枢电流在合理范围内)，这个时候经过变化IP就能够实现压力外偶力矩对电机输出要求的条件，如果压力外偶力矩Tl>TN，通过式(4-5)可以知道，能够以保持电流IP=IN的为基础，经过增加磁力(if>0)来完成，经过永磁供应外偶力矩TN,T（2）如果速n>nN的时候，电机通过匀速功率调节速度的方式进行操作，调速能够经过调压或变化励磁电流(if<0通过图3-2可以看出，在nN<n≤ns范畴内，都是能够经过调压完成均匀功率操作的，不需要减小磁力，电机通过永磁进行操作。如果n>ns的时候，能够以保持哦电枢端电压最大为基础经过磁力减弱(if<0)来完成，电机通过减小磁力进行操作。很明显，通过式(3-5)能够知道，电机的输出转矩会变小，同样是减小磁力提升速度的关键。所以，减小磁力提升速度是均匀功率速度调节。通过这种分离均匀功率调节速的的通过上面的调查结果，绘制相应的混合励磁双凸极电机的调节速度性能曲线，如图3-3所示。将电机的工作范畴分成四个部分:在正常工作下进行的转速之下的低速要求调节速度部分BGOH(if=0)以及低速增加磁力调节速度部分ABHJ(if>0);超过在正常工作下进行得n的高速要求调节速度范围BCFG(if=0)和高速图3-3混合励磁双凸极电机转矩-转速调节特性4调节速度管理方案通过上面的调察能够知道，混合励磁双凸极电机具备四种工作能力，然而通过观察励磁电流可知，电机在低速条件调节速度范围以及高速调节调节速度范围的励磁电流全部都是零，因此能够将电机分为正常运转(if=0,相应低速条件调节速度范围和高速条件调节速度范围)、增加磁力运转(if>0,相应低速增加磁力调节速度范围)、减小磁力运转(if<0,相应高速减小磁力调节速度范围)三种。所以模式要求安装两个管理设备，一是电枢电压管理设备(称为主要管理设备)，通过以前的转速、电流双环管理途径，n环应用PI管理设备，电流环应用三个延迟环节管理设备;另一个是励磁电流管理色被，通过进度确定模块挑选增加磁场励磁电流提供通道或减小磁力励磁电流提供通道，能够将励磁电流进行变化实现增加磁力或减小磁力。混合励磁双凸极电机管理模式的重点就是如怎样按照n条件以及压力能够完成上面三种运行途径四种进度的转变，就是怎样在主要管理设备和励磁电流管理设备之间变换自如，用来确保压力调节、磁力调节、速度调节都能在合理范围内转变。所以，通过分区管理方案，形成了如图4-1所示的控管理模式原理图，从图中能够看出，主要管理设备以及励磁电流管理设备经过电流分配限限制幅度模块以及反电势回应联系起来，模式通过这种联系能够从压力调节转变成磁力调节。在减小磁力的操作过程中，要想维持主要管理回路继续进行操作，要求永磁恒功率运转时的最大极限n(第二临界转速ns)的图4-1混合励磁双凸极电机哦接替啊模式管理原理图5仿真结果及分析要想研究创建的HEDS模型和管理方案是否可行，本文给出了不变的外偶力矩突然变化时模式的输出特点，和不变的n压力外偶力矩突然变化模式的输出特点，同时将第二种进度同DSPM电动机比较，用来强调HEDS的工作范围更广。模拟对象为12/8极的HEDS电动机，基本数据:不变功率P=630W,不变外偶力矩TN=4N.m,不变nnN=1500r/min,不变励磁电流IfN=1.4A,不变电流5.1固有外偶力矩给定n突然变化的时候模拟要求:固有外偶力矩为2N.m,给定n为1000r/min，电机开始平稳操作;0.4s时给定n突然变化为3200r/min,l.2s时给定n突然变化为1600r/minx从图5可知，电机刚启动的时候，为了提升启动进度，提升效率，电机的电枢电流以及励磁电流全部需要达到最大极限，这时电机的最大外偶力矩为5.5N.m,电机在增加磁力范围运行;n达到给定值1000r/min后，电机开始平稳进行操作，这时励磁电流为零，电磁转矩为给定的负载转矩，电机运行在低速永磁区，即DSPM电动机具备非常合理的操作质量。T=0.4s的时候给定n为3200r/min，电机要想提升进度，电枢电流和励磁电流全部要达到最高范畴，通过控管理方案，电机n增加到1200r/min后励磁电流慢慢地到降低，如果n等于额定n=1500r/min时，励磁电流减小至零，如图5-1d所示，这个时候即使n>nN，因为电枢电流维持一个数据不变，电磁外偶力矩非常大，电机依然在提高速度进行操作，即在高速永磁范围进行操作;如果电机n增加到永磁均匀功率的临界转速nfn的时候(本模式为2400r/min)，励磁电流反方向增加，电机在减小磁力范围内进行操作。如果t=1.2s的时候给定n等于1600r/min，电机的电枢电流以及励磁电流很快降低直至为零，这时电磁外偶力矩等于零，电机外偶力矩迅速降低，一直到给定转速1600r/min,电枢电流平稳输出。由此可知，均匀负载外偶力矩下，如果给定压力突然发生变化，HEDS电动机驱动图5-1恒定转矩给定转速突变时的输出特性5.2恒定转速负载转矩突变时要想描述HEDS驱动模式具备非常强的负载适应能力，本文将与DSPM模式比较剖析。模拟要求:给定转速为1000r/min，电机带动2N.m的负载转矩从开始到平稳进行操作;0.4s时负载转矩突然变化为4N.m,0.8s时负载转矩突然变化为5N.m。图5-2、图5-3依次为HEDS和DSPM驱动模式的模拟结论。从图6a和图7a可知，因为HEDS模式开始的时候能够通过磁力增加进行操作，开始进度低于DSPM模式3000。如果t=0.8s，负载转矩突然变化为5N.m的时候，HEDS电动机借助励磁线圈的磁力增加，能够维持在1000r/min进行操作;但时DSPM驱动模式，虽然电枢电流处于输出最大范围(电流不是斩波波形，稍微高于额定值，如图7c所示)，然而其最大外偶力矩小于5