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（西北工業(yè)大學(xué)西安）
摘要：傳統(tǒng)的計算銅耗的方法是輸入電機(jī)的母線電流的平方乘以電樞繞組上的平均電阻。但此方法在計算無刷直流電機(jī)實際運行過程中的銅耗時還存在一點欠缺。文章研究了無刷直流電機(jī)在PWM斬波調(diào)速下的銅耗問題，采用Matlab軟件建立模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，當(dāng)改變PWM占空比對電機(jī)調(diào)速時，電機(jī)在滿負(fù)載高速運行狀態(tài)下用電樞繞組電流計算的銅耗比用母線平均電流值計算的銅耗大。最后通過試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。
關(guān)鍵詞：銅耗；稀土永磁無刷直流電動機(jī)；相電流
0引 言
設(shè)計電機(jī)時效率是電機(jī)一個重要的性能指標(biāo)，他的高低取決于電機(jī)運行時所產(chǎn)生的損耗，而在各種損耗當(dāng)中，電機(jī)繞組上的銅耗不僅使得電機(jī)效率下降，同時會使電機(jī)繞組中溫升增加，影響電機(jī)的運行性能，因此研究電機(jī)鋼耗具有十分重要的意義。
電機(jī)運行在三相六狀態(tài)下，母線電流經(jīng)過逆變電路進(jìn)入三相繞組中，而電機(jī)在進(jìn)行PWM調(diào)速時電樞電流值與母線電流值不相等，從而用傳統(tǒng)方法計算電機(jī)繞組上的銅耗與實際不相符合。假定電機(jī)繞組上電阻值不變，因此分析電機(jī)銅耗就是分析電樞電流。電機(jī)運行在穩(wěn)態(tài)時母線電流存在小幅波動，因此進(jìn)行計算時母線電流值用平均值來代替，電樞電流取電流有效值。然而無刷直流電機(jī)運行在非滿占空比狀態(tài)時，電樞電流有效得到的銅耗值與實際電機(jī)所產(chǎn)生的銅耗不相符合。
1理論分析
稀土永磁無刷直流電動機(jī)，其運行系統(tǒng)圖如圖1所示。
為了使得電機(jī)有效的運行，達(dá)到調(diào)速的目的，通常我們采用脈寬調(diào)制( PWM)，即調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓占空比A來實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。表示了在一個通電周期r內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通時間f與周期丁的比值。根據(jù)稀土永磁無刷直流電動機(jī)的基本公式可知，電機(jī)電樞繞組電流的瞬時值為：
式中，U為電源電壓；AUT為功率晶體管飽和壓降；E。感應(yīng)電動勢。
電機(jī)運行時氣隙磁場波形為梯形波，為了分析方便假定氣隙磁場波形為方波，在一個通電周期內(nèi)電機(jī)電流的瞬時值，則在一個周期內(nèi)，電機(jī)運行過程中電機(jī)母線電流的平均值為：
而電樞繞組上的電流有效值為：
由式(2)與式(3)看出電機(jī)母線電流平均值L，與電樞繞組電流有效值t。的大小與電機(jī)電樞上電流瞬時值有關(guān)系，但i(t)隨時間￡的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，要對比其值的大小，需借助Matlab進(jìn)行仿真計算。
2仿真分析
2.1無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型
無刷直流電機(jī)( BLDCM)屬于永磁同步電機(jī)其氣隙磁密為方波分布，反電動勢波形為梯形波，相電流波形為方波。由于無刷直流電機(jī)的氣隙磁場、反電動勢以及電流都是非正弦，因此直接利用電動機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型更為方便。
假設(shè)磁路不飽和，也不計渦流和磁滯損耗，旦三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程式為：
2.2無刷直流電機(jī)系統(tǒng)模型
永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，主要由電機(jī)模塊、變頻器模塊（斬波器與逆變器）、開關(guān)管觸發(fā)邏輯模塊、轉(zhuǎn)速／電流控制模塊四部分組成。三相永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型如圖2所示。
2.3 Matlab/Simulink下系統(tǒng)仿真及結(jié)論
通過構(gòu)建的稀土永磁BLDCM數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真。仿真對象為本文所設(shè)計的270 V/3 kW稀土永磁BLDCM。仿真參數(shù)如下表1所示。
對電機(jī)進(jìn)行負(fù)載仿真計算，電機(jī)起動后，首先給定電機(jī)轉(zhuǎn)速n= 5800 r/min．給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.9N-m，經(jīng)過0 04 s電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行。仿真電樞繞組相電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波形如圖3所示，母線電流穩(wěn)態(tài)波形如圖4所示，再次給定轉(zhuǎn)速n=2900 r/min，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，經(jīng)過0.035 s電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行。仿真電樞繞組相電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波形如圖5所示，。
根據(jù)仿真波形，取0.1 s~0. 12 s為計算周期，計算電樞電流有效值和母線電流平均值�？煞謩e由有效值計算器和平均值計算器觀測得到，觀測結(jié)果和銅耗計算結(jié)果如表2所示。
通過表2可以看出電機(jī)在n=5 800 r/min運行時，電機(jī)控制器PWM占空比以接近********時接近相等，對應(yīng)的銅耗相差百分之9。電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min時，用兩種電流值計算的銅耗相差百分之38�？梢钥闯鱿⊥劣来艧o刷直流電機(jī)帶負(fù)載運行時，調(diào)節(jié)PWM占空比進(jìn)行調(diào)速，轉(zhuǎn)速較高時，電樞繞組實際產(chǎn)生的銅耗比傳統(tǒng)計算方法計算的銅耗值大。
3試驗驗證
為了對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，用270 V/3 kW稀土永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行恒轄矩(TL =4.5 N-m)負(fù)載試驗，所得實驗數(shù)據(jù)見表3。取占空比X=0 832和X=0. 268進(jìn)行分析，得到表4所示的結(jié)果。
比較可以看出電機(jī)在n=5 280 r/min運行時，PWM占空比A=83. 20，而這時母線電流平均值與電機(jī)電樞電流有效值接近相等，對應(yīng)的銅耗相差百分之15。而PWM占空比A=百分之26.8，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 940 r/min時，用兩種電流值計算的銅耗相差百分之40。說明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，驗證了仿真分析的正確性。
4結(jié)論
本文在理論分析的基礎(chǔ)上，采用Matlab仿真軟件對電機(jī)進(jìn)行仿真，通過實驗結(jié)果和仿真結(jié)果，表明了無刷直流電機(jī)在負(fù)載運行時經(jīng)過改變PWM占空比實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過程中電機(jī)運行在高速時電機(jī)繞組電流有效值大于母線電流平均值，因此計算出的銅耗值也是前者大于后者。說明稀土永磁無刷電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速時計算電機(jī)銅耗，應(yīng)以電樞電流的有效值來計算。 |
