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异步电机模型分析
内容简介:结论按照异步电机模型的功能和用途,异步电机模型可分为三大类:设计用模型、诊断仿真用模型和控制用模型,每种模型又可以有多种变化。特别是用有限元法计算电机内部的电磁场已变得非常实际,这种数值计算技术能够解决解析法无法解决的问题,也无需引入许多经验系数。
  传统的等效电路电机设计方法,求解速度快,但求解精度较差。适合于在设计阶段,用来确定电机的初始尺寸,缩小求解空间,并在众多设计方案中找到最有价值的方案;然后采用具有场路耦合功能的时步有限元模型进行深入细致地分析。而时步有限元模型虽求解精度高,但计算时间长,目前尚不适合寻找电机设计的最初设计方案,而在于部分取代试验过程,模拟试验结果,仿真系统真实运行状况,从而跳出了以往新产品研发的“设计-试制-修正”的“循环语句”,在产品的设计阶段就能对其所使用的系统进行精确的计算及性能预测,从而达到以下目的:
  (1)增加产品的可靠性。 
  (2)在产品设计阶段发现潜在问题。 
  (3)经过多次分析计算,采用优化方案,降低原材料成本。 
  (4)模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试验经费,缩短产品开发周期。 
  3.谐波有限元模型使用有限元模型提高分析精度,同时又不被计算时间所拖累的另一种可行的选择是:伪静止谐波有限元模型,该模型采用复数相量以及转子滑差频率的变换,可以计及集肤和饱和效应。分析小电机时,使用包括定转子的完整叠片模型,可以为通风孔等细微结构建模;转子斜槽既可以采用多截面模型中转子电流相位移来考虑,也可以用单截面模型中的谐波斜槽因子来计及。对于大中型异步电机,分析时尽量利用定转子叠片的对称性,这样可以显著地节省计算时间。鼠笼转子可采用的最小的有限元模型,由转子上的一个槽距的扇型区域组成,对该区域施加适当的边界条件,这个“单槽”扇区模型可以用来产生整个转子的场。由于定子绕组的相带划分破坏了定子叠片的磁场对称性,所以定子可采用的最小的有限元模型,由定子一个相带组成(即60°电角度)。以上定转子叠片分别建模的“部分模型”是电流源供电的模型,但是通过耦合标准的一相等值电路,利用迭代计算程序,就可以变为计及饱和、集肤效应的电压源供电的模型。此外,转子“单槽”有限元模型还可以另作他用,用来计算随导条电流大小和频率变化而变化的转子的电阻和漏抗,把以上计算结果用到传统的等值电路模型中,可以获得不仅“快”而且融合有限元法特长(饱和、集肤效应)的计算模型。以上方法已经在英国电机工业中实施。 
  谐波有限元模型也有一些不足,因为模型中所有的时间变量都是单一频率的正弦波,故不能考虑时间谐波的影响,分析变频调速电机时误差增大;同理由于正弦的H产生正弦的B,磁饱和效应只能近似考虑,通常采用等效磁化曲线。此外,定转子相对位置变化对计算的影响未能考虑,齿表损耗以及其他高频效应也必须采用其他方法加以考虑。伪静止谐波模型虽有不足,但不失为一个可以接受的选择:在合理的计算时间,给出了较准的答案。 
 产经诊断仿真用模型这里的诊断不是指故障诊断,而是指一般意义上的“调查”,回答诸如“WHAT-IFS?”之类的问题。例如:转子槽绝缘损坏的结果是什么?转子导条中含有气泡的后果是什么?这些问题既没必要也不可能得到高精确的计算结果,只需得到一个近似的答案即可。例如:某一转子导条断裂将产生不平衡磁拉力,具体到某个电机,只需知道磁拉力的数量级是100N,而不是10N或1000N即可。在这种情况下,所需的仅是为所研究现象专门定制的电路模型-“多回路模型”。使用多回路模型需掌握以下三点:其一,根据所研究现象的本质,定义好独立回路。例如当研究转子侧问题时,定子每一相可作为一个独立回路看待;相反,当研究定子绕组各种问题时,就必须为每个线圈建立独立回路。 
  其二,计算所有独立回路之间的耦合阻抗,故多回路模型也称为耦合阻抗法。耦合阻抗的计算方法大约有绕组函数法,复数谐波法及有限元法等。其三,在求得耦合阻抗矩阵后,选择适合解算机电系统微分方程的稳定算法进行求解。 
  仿真异步电机是指在计算机上模拟真实样机的各种运行工况,既可以采用三相静止坐标轴下的真实物理变量的多回路模型,也可以使用经过坐标变换后的两轴模型。它和诊断的区别在于对分析精度要求较高。仿真的根本目的就是研究各种运行条件下的机电系统真实性能表现,尤其是当工厂制造无法进行试验的中大型电机时,能否进行仿真研究就成为产品能否击败竞争对手的关键。目前机电系统仿真利器有两种,第一种是采用具有“行为模拟能力”的电路模拟软件,如Saber,Pspice(spice),Simplorer,Simulink等,此时研究的侧重点是控制电路以及控制算法;第二种是使用带有电路器件单元即所谓场路耦合功能的有限元软件,如Ansys,AnsoftMaxwell,FLUX2D&FLUX3D等,此时研究注意力放在电机本体。 
  基于异步电机静态等效电路的模型的基本控制关系及转矩控制原则是建立在异步电机稳态数学模型的基础上,其被控制变量(定子电压有效值、电流有效值、定子供电频率等)都是在幅值意义上进行的控制,而忽略幅角(相位)控制,故只能获得良好的静态性能指标,无法获得良好的动态响应,从而只适用于对动态性能要求不高的调速系统。 
  异步电机矢量控制模型,也称为磁场定向控制系统。矢量控制技术模仿直流电机的控制,依靠坐标变换的方法,以转子磁场定向,将异步机在三相静止坐标系上的数学模型变换为带有伪静止绕组的同步速两轴模型,实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。不足之处是,系统特性受电机参数的影响较大,以及在模拟直流电机控制过程中所引用矢量旋转变换的复杂性,使得其实际控制效果难以达到理论分析的结果。 
  直接转矩控制不同于矢量控制技术,用空间矢量的分析方法,在定子坐标系下直接计算与控制交流电机的转矩,它的控制既简单又直接,在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况。目前在德国,直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。 
  各种控制结构所依据的都是被控制对象的数学模型,因此,为了建立交流调速系统的合理适用的控制结构,仍需对交流电动机数学模型的性质、特点以及内在规产经律作深入研究和探讨。值得注意的是,近年来,不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法开始引入到交流调速系统中,成为交流调速控制理论和控制技术的研究发展方向。 
  结论按照异步电机模型的功能和用途,异步电机模型可分为三大类:设计用模型、诊断仿真用模型和控制用模型,每种模型又可以有多种变化。特别是用有限元法计算电机内部的电磁场已变得非常实际,这种数值计算技术能够解决解析法无法解决的问题,也无需引入许多经验系数。有限元在电机电磁场计算中的应用已逐步从线性场发展到非线性场,从静态场发展到稳态交变场及瞬变场,从二维场发展到三维场,从单纯的电磁场发展到电磁、流体、应力等多物理耦合场的分析计算。异步电机在电磁场有限元法的应用中,属于计算复杂的研究对象,正确合理地建立或选择数学模型,取决于对电机内部电磁现象的深刻理解,取决于对近似程度的适当选择。 
  2007年10月15日,国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件与重大装备研制”总体专家组第一次全体大会在广西桂林召开。会议由总体专家组组长贾利民教授主持,项目总体组9名专家悉数与会。中国电工技术学会名誉理事长周鹤良、华中科技大学陈坚教授也应邀列席了会议。 
  会议主要针对“电力电子关键器件与重大装备研制”项目总体专家组的工作机制、项目的实施管理办法、中国电力电子技术发展战略及发展路线图编制相关工作计划以及科技部领导提出的关于成立中国电力电子技术及产业联盟的意见的必要性和可行性及其对我国电力电子技术及应用的重要性等四个议题进行了充分探讨和意见交流。 
  会议最后确定了总体专家组下一步的工作进程和任务分工,要求专家们近期尽快完成“电力电子关键器件与重大装备研制”项目总体专家组工作细则(讨论稿)、项目管理实施细则(讨论稿)、中国电力电子技术发展战略及路线图相关工作安排(讨论稿),同时拟定《关于建立国家电力电子技术及产业联盟的草案》。会议还提议尽快召开总体组第二次全体大会。 
  通过这次会议,总体组专家进一步明确了下一步的具体工作目标,为确保项目实施管理及总体专家组工作顺利有效进行、切实履行科技部赋予专家组的责任、有效推动项目总体专家组的工作进程打下了基础。
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