中圖分類號:TM352文獻標志碼:A文章編號:100126848(20090820019203基于Ansoft/Maxwell2D的開關(guān)磁阻電機起動性能仿真分析與實驗研究楊澤斌,黃振躍,張新華(江蘇大學電氣信息工程學院,鎮(zhèn)江212013摘要:為了獲得良好電機的起動性能,基于Ansoft/Maxwell2D的仿真環(huán)境,建立了六相12/10極開關(guān)磁阻電機(SRM有限元仿真模型;仿真分析了關(guān)斷角、開通角對電機起動性能的影響,并進了實驗驗證。研究結(jié)果為SRM及其控制系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了重要依據(jù),有一定參考意義。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機;仿真;關(guān)斷角;開通角;起動性能;實驗;優(yōu)化設計SimulationandAnalysisofStartingPerformanceofSwitchedReluctanceMotorBasedonAnsoft/Maxwell2DYANGZe2bin,HUANGZhen2yue,ZHANGXin2hua(SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,ChinaAbstract:BasedonthesimulationenvironmentofAnsoft/Maxwell2D,Createdthefiniteelementmeth2od(FEMmodelsofswitchedreluctancemotor(SRMof12/10pole.Analysedandtheinfluenceofturn2offangleandturn2onangleonstartingperformanceofSRM.Theresultofsimulationcanbeavaila2bletodesignandoptimizethisnewtypemotorandcontrolsystem.KeyWords:Sreluctancemotor;Simulation;Turn2offangle;Turn2onangle;Startingper2formance;Experiment;Optimizedesign收稿日期:2008209201修回日期:2009201212基金項目:江蘇省科技廳高新技術(shù)推廣項目1SRM起動分析常見的四相(8/6SRM有一相繞組通電起動方式和兩相繞組同時通電起動方式[123]。若不計相繞組間的磁耦合,兩相同時通電的合成轉(zhuǎn)矩可近似由同時通電相的各矩角特性相加求得,帶負載能力增強,起動比較平穩(wěn);兩相起動所需起動電流幅值明顯低于單相起動,因此,通常采用兩相全開通起動方式。起動方式的選擇本質(zhì)上由開通角和關(guān)斷角的組合決定。六相12/10極結(jié)構(gòu)的SRM可以采用兩相與三相混合起動方式。其特點是起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩脈動小[4]。2系統(tǒng)仿真模型建立利用Ansoft/Maxwell2D有限元軟件進行具體分析時,一般分為前處理和后處理兩個階段。前處理階段包括創(chuàng)建電機模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件并加載等[5];后處理階段計算電機轉(zhuǎn)軸所受電磁力、轉(zhuǎn)矩以及將電機速度響應和內(nèi)部磁場分布用圖形直觀表達。圖1是在An2soft/Maxwell2D中創(chuàng)建的六相12/10極SRM有限元模型。該模型定義了電機的定、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸、氣隙等。定子繞組設定為銅材料;定、轉(zhuǎn)子所用材料為DW470硅鋼片。圖2所示為該模型在Ansoft/Maxwell2D中的有限元網(wǎng)格剖分圖(將所求解磁場域分為19058個單元。圖112/10極SR電機有限元模型圖2電機有限元模型網(wǎng)格剖分圖3仿真分析311關(guān)斷角對起動性能的影響基于Ansoft/Maxwell2D建立六相12/10極結(jié)構(gòu)電機有限元模型并進行仿真分析。仿真斬波參考電流Iref=15A,滯環(huán)寬度為110A,開通角θon=0°,初始位置θ=111°[6]。圖3給出了關(guān)斷角θoff=10°空載起動時的仿真結(jié)果。從圖3(b中可以看出,電流在進入電感上升區(qū)域已經(jīng)達到最大斬波參考電流,并且一直到關(guān)斷角。從圖3(d看出,六相合成轉(zhuǎn)矩波動性較大,相與相之間的轉(zhuǎn)矩間隔較大,沒有重疊,平均轉(zhuǎn)矩偏小。這是由于12/10SRM的步進角為6°,轉(zhuǎn)子角周期為36°,當開通角θon=0°、關(guān)斷角時θoff=10°時,電機運行在單相或兩相勵磁模式,但是由于存在最小電感區(qū)域,所以兩相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的區(qū)域沒有重合。從圖3(a的速度響應曲線看出,速度曲線波紋較大,波動比較大,不利于電機的平穩(wěn)起動。為了獲得較大平均轉(zhuǎn)矩,提高起動性能,應該加大關(guān)斷角,使得有更多的時間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,并且運行在多相同時勵磁模式。圖3θoff=10°時的仿真曲線為了便于比較關(guān)斷角對瞬態(tài)起動性能的影響,圖4(a給出了起動開始很短時間內(nèi)對應于不同關(guān)斷角的速度響應曲線?？梢钥闯?剛起動時,關(guān)斷角較大,相應起動速度越快,但是當轉(zhuǎn)子角速度ω>10rad/s時,關(guān)斷角θoff=18°的速度響應卻比θoff=16°時慢,與θoff=14°的起動性能相近。這是由于隨著速度增加,反電動勢越來越大,當主開關(guān)器件關(guān)斷時,電流下降速度變慢,進入電感減小區(qū)域,產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩,使平均轉(zhuǎn)矩減小,并且轉(zhuǎn)矩波動增大,起動特性變差。從圖4(b可知,關(guān)斷角θoff=18°的空載轉(zhuǎn)速比θoff=12°時低,θoff=16°時的空載轉(zhuǎn)速最高,θoff=10°時的空載轉(zhuǎn)速最低。這可以從圖4(c、(d穩(wěn)定運行時的合成轉(zhuǎn)矩得出。θoff=16°時的合成轉(zhuǎn)矩脈動小且平均轉(zhuǎn)矩大,θoff=18°平均轉(zhuǎn)矩小,空載轉(zhuǎn)速高。從上面的分析可知,剛起動時應該在關(guān)斷角最大起動,隨著速度增加,應該適當減小關(guān)斷角,使得平均轉(zhuǎn)矩始終維持最大且脈動最小,使得電機快速平滑起動。圖4不同關(guān)斷角的速度、轉(zhuǎn)矩響應曲線312開通角對起動性能的影響開通角也是開關(guān)磁阻電機的一個重要控制參數(shù),對電機的起動和運行性能有重要影響。從上面分析可知,初始起動時關(guān)斷角應該選擇最大,這里選擇關(guān)斷角θoff=18°,斬波參考電流Iref=12A,滯環(huán)寬度為110A,初始位置角θ=111°。圖5給出了開通角θon=2°時的仿真曲線,從圖5(b看出相電流在進入電感上升區(qū)間,電流已經(jīng)達到了參考電流,并且在最小電感區(qū)域斬波多次。從圖5(c可知,隨著速度上升,相轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了負值。這與關(guān)斷角有關(guān),前面已經(jīng)論述過。從圖5(d可知,轉(zhuǎn)矩迅速上升到一個大的范圍,并且轉(zhuǎn)矩脈動很小。這也反映在轉(zhuǎn)速的響應曲線,轉(zhuǎn)速上升很快,并且速度曲線比較平滑。圖5θoff=2°的仿真曲線為了便于比較不同開通角對起動性能的影響,對θon=4°、θon=6°、θon=8°時的起動性能進行了仿真。各開通角下速度、轉(zhuǎn)矩響應曲線如圖6所示。圖6(a為從加速開始的一個小的時間范圍,可以看出開通角越小,速度上升越快,開通角越大,速度上升越慢。從圖6(b可知,開通角越小,對應的空轉(zhuǎn)速度越高。從圖6(c、(d可知,穩(wěn)態(tài)時開通角越小,合成轉(zhuǎn)矩的平均值越大,并且脈動小;所以隨著速度的上升,由于反電動勢越大,電流變化率減小,電流不能迅速地達到參考電流,這時應該逐漸地減小開通角,使得電流有更多的時間來達到最大值。圖6不同開通角對應的速度、轉(zhuǎn)矩響應曲線從上面的仿真結(jié)果可看出,開關(guān)磁阻電機采用電流滯環(huán)控制起動時,應該選擇一個合適的開通角和關(guān)斷角組合,相比而言,低速時開通角影響較小,但也應該合適選擇,這樣可以減小開關(guān)損耗,提高效率;關(guān)斷角對起動性能的影響較大,需要精心選擇。4試驗結(jié)果與分析在12/10極SR電機起動實驗過程中,采用了電流斬波(CCC+固定開通、關(guān)斷角的角度位置控制方式。圖7給出了電機在幾種固定開通、關(guān)斷角下、不同轉(zhuǎn)速斬波起動相電流和母線電流的實驗波形。從圖7可以看出,不同的固定開通、關(guān)斷角對其母線電流的影響較大。在速度基本相同情況下,0°~12°開通時母線電流要小于0°~18°。這是因為0°~12°開通時繞組續(xù)流時間要比0°~18°時間長,對于母線電流來說所產(chǎn)生的負電流要大一些,與仿真結(jié)論一致。另外,在低速運行時電機的運動電勢對相電流影響較小,在關(guān)斷時相電流下降很快,不會造成換向困難而降低系統(tǒng)效率。全角度起動控制策略實現(xiàn)方便,通過優(yōu)化設計可使得電機起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小。5總結(jié)本文利用Ansoft公司的maxwell2D建立了六相12/10極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機有限元仿真模型,并對系統(tǒng)進行了仿真研究與實驗驗證。結(jié)果準確地反映了開關(guān)磁阻電機開通角和關(guān)斷角對系統(tǒng)起動性能的影響,為SRM的優(yōu)化設計、減少脈動轉(zhuǎn)矩和提高起動轉(zhuǎn)矩提供了一定參考依據(jù)。(下轉(zhuǎn)第56頁5結(jié)論由于爪極發(fā)電機控制系統(tǒng)是多參數(shù)耦合的系統(tǒng),采用簡單的PI調(diào)節(jié)很難滿足要求。建立了基于模糊自適應PI的汽車用混合勵磁爪極發(fā)電機控制系統(tǒng),根據(jù)發(fā)電機的輸出電壓來調(diào)節(jié)勵磁繞組中勵磁電流的大小,從而實時調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓,使輸出電壓始終穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。參考文獻[1]L.Vido,Y.Amara,M.Gabsi,etal.ComparedPerformancesofHomopolarandBipolarHybridExcitationSynchronousMachines[C].TheFourtiethIASAnnualMeetingIndustryApplicationsConference,2005,(3:155521560.[2]YangChengfeng,LinHeyun,LiuXiping,etal.AnalysisandExperimentalInvestigationforField2controlCapabilityofaNovelHybridExcitationClaw2poleSynchronousMachine[C].The7thInternationalConferenceonPowerEle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