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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占空比對電機調(diào)速時，電機在滿負(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；相電流
0引 言
設(shè)計電機時效率是電機一個重要的性能指標(biāo)，他的高低取決于電機運行時所產(chǎn)生的損耗，而在各種損耗當(dāng)中，電機繞組上的銅耗不僅使得電機效率下降，同時會使電機繞組中溫升增加，影響電機的運行性能，因此研究電機鋼耗具有十分重要的意義。
電機運行在三相六狀態(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)方法計算電機繞組上的銅耗與實際不相符合。假定電機繞組上電阻值不變，因此分析電機銅耗就是分析電樞電流。電機運行在穩(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，其運行系統(tǒng)圖如圖1所示。
為了使得電機有效的運行，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)電機的電壓占空比A來實現(xiàn)對電機轉(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的基本公式可知，電機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)電機電流的瞬時值，則在一個周期內(nèi)，電機運行過程中電機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無刷直流電機數(shù)學(xué)模型
無刷直流電機( BLDCM)屬于永磁同步電機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無刷直流電機系統(tǒng)模型
永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，主要由電機模塊、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。
對電機進(jìn)行負(fù)載仿真計算，電機起動后，首先給定電機轉(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。可分別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可以看出電機在n=5 800 r/min運行時，電機控制器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在負(fù)載運行時經(jīng)過改變PWM占空比實現(xiàn)對電機的調(diào)速，在調(diào)速過程中電機運行在高速時電機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進(jìn)行PWM調(diào)速時計算電機銅耗，應(yīng)以電樞電流的有效值來計算。 |
