基于maxwell的同步電機交直軸電感計算

2017-05-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

交直軸電感,是同步電機分析和控制所必須的重要參數。關于如何計算,只要是電磁場有限元和電機方面的論壇,都有相關的討論。遺憾的是大都停留在泛泛層面,鮮有具體闡述。
授人以魚,不若授人以漁。本帖擬從電感矩陣變換的角度出發,從原理上對此問題講清楚,并給出具體操作流程。
一、基本流程
1、參考方向(reference direction)
2、凍結磁導率(frozen permeability)
對于線性材料來說,它的磁導率是一個常數,不存在凍結磁導率(frozenpermeability)之說,也不存在飽和之說;但對于電機里面的鐵磁材料而言,不同電流下,鐵磁材料的磁導率是不同的,因此電感參數也不一樣;實際計算電感時,要考慮電機額定運行工況時的飽和程度,計算出來的電感才有實際意義。這只有通過凍結磁導率的辦法,才能實現。

凍結磁導率具體步驟如下:
(1)、計算額定工況飽和程度。此時的激勵包括額定電樞繞組電流、額定勵磁繞組電流,鐵磁材料為非線性磁化曲線,方程為非線性方程;

(2)、在(1)中的非線性方程迭代求解結束后,計算各個單元的磁導率,并凍結各個單元的磁導率(frozen permeability),此時磁導率為常數;

(3)、去掉(1)中所加的所有激勵,將電機鐵磁材料的非線性磁化曲線更換為(2)中保存各個單元的磁導率,此時電機電機電感與電流無關;然后分別給每個繞組施加1A的電流,計算磁場,此時的方程為線性方程;

(4)、計算(3)中能量,再依據能量法計算電感。Ansoft maxwell計算電感矩陣時,是會自動凍結磁導率和考慮飽和影響的,沒必要手動凍結磁導率。當然我們也可以依照上述四步,手動凍結磁導率,然后計算電感,兩種方法結果是完全一樣的。

3、電流的加載(excitation)
采用靜磁場計算,為了計算額定工況,電機應該施加額定電樞電流和額定勵磁電流。
施加額定電樞電流時,需要施加對應于該轉子位置時刻的三相電流瞬時值,這樣才能與額定工況相符。

4、派克變換(park transformation)
采用靜磁場,施加3中所述的額定勵磁電流和額定電樞電流,計算出abc坐標系下的電感矩陣Labcf,取其中的Labc,然后按照圖2對其進行派克變換,即可得到交直軸電感Ldq,這一步工作可以采用excel或matlab完成。其中θ為1中參考方向定義的電角度。轉子位置角θ可為0~90度之間的任一角度。

圖2派克方程及其變換

二、有關說明:
1、本帖雖然以電勵磁同步電機為例,但所述方法完全適用于永磁同步電機,爪極電機,盤式電機,感應子電機等同步電機系列。

2、靜磁場計算電感,在assign matrix中可以直接指定匝數和并聯支路數。因此若采用全模型,計算出來的電感只需要乘以電機鐵心長度就是實際電感。為了減小計算量,常常采用周期模型,此時計算出來的電感除了乘以電機鐵心長度外,還需要乘以周期性對稱系數,才是實際電感。

3、由于采用二維靜磁場,因此沒能計及端部電感的影響。但端部電感一般占電機總電感的3%左右,影響很小。當然,更準確的計算可采用三維靜磁場,基本原理與二維靜磁場完全相同。

4、不建議采用瞬態場,理由是瞬態磁場需要做兩次計算,一次是空載時的定子磁鏈,一次是負載時的定子磁鏈,由于瞬態場磁導率不能凍結,因此無法保證兩次飽和程度相同,故而電感精度無法得到保證。

5、若需要計算電機帶不同負載時的電感,可以將電機電流設置成變量,然后進行參數掃描。就可以得出交直軸電感隨功率因數角變化時的曲線。

6、本帖所述方法與其他方法的優點在于,只需要一次靜磁場計算即可同時完成交直軸電感的計算,避免了其他方法的兩次或多次計算,減少了計算量。同時還可以考慮電機實際運行工況時的飽和程度。經與路算相比,本帖所述方法誤差在5%左右,完全能滿足工程需要。

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