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解析異步電機模型
來源:塑膠五金網發布時間:2014-09-16 14:06:56點擊率:

  傳統的等效電路電機設計方法,求解速度快,但求解精度較差。適合于在設計階段,用來確定電機的初始尺寸,縮小求解空間,并在眾多設計方案中找到最有價值的方案;然后采用具有場路耦合功能的時步有限元模型進行深入細致地分析。而時步有限元模型雖求解精度高,但計算時間長,目前尚不適合尋找電機設計的最初設計方案,而在于部分取代試驗過程,模擬試驗結果,仿真系統真實運行狀況,從而跳出了以往新產品研發的“設計-試制-修正”的“循環語句”,在產品的設計階段就能對其所使用的系統進行精確的計算及性能預測,從而達到以下目的:(1)增加產品的可靠性。

  (2)在產品設計階段發現潛在問題。

  (3)經過多次分析計算,采用優化方案,降低原材料成本。

  (4)模擬試驗方案,減少試驗次數,從而減少試驗經費,縮短產品開發周期。

  3.諧波有限元模型使用有限元模型提高分析精度,同時又不被計算時間所拖累的另一種可行的選擇是:偽靜止諧波有限元模型,該模型采用復數相量以及轉子滑差頻率的變換,可以計及集膚和飽和效應。分析小電機時,使用包括定轉子的完整疊片模型,可以為通風孔等細微結構建模;轉子斜槽既可以采用多截面模型中轉子電流相位移來考慮,也可以用單截面模型中的諧波斜槽因子來計及。對于大中型異步電機,分析時盡量利用定轉子疊片的對稱性,這樣可以顯著地節省計算時間。鼠籠轉子可采用的最小的有限元模型,由轉子上的一個槽距的扇型區域組成,對該區域施加適當的邊界條件,這個“單槽”扇區模型可以用來產生整個轉子的場。由于定子繞組的相帶劃分破壞了定子疊片的磁場對稱性,所以定子可采用的最小的有限元模型,由定子一個相帶組成(即60°電角度)。以上定轉子疊片分別建模的“部分模型”是電流源供電的模型,但是通過耦合標準的一相等值電路,利用迭代計算程序,就可以變為計及飽和、集膚效應的電壓源供電的模型。此外,轉子“單槽”有限元模型還可以另作他用,用來計算隨導條電流大小和頻率變化而變化的轉子的電阻和漏抗,把以上計算結果用到傳統的等值電路模型中,可以獲得不僅“快”而且融合有限元法特長(飽和、集膚效應)的計算模型。以上方法已經在英國電機工業中實施。

  諧波有限元模型也有一些不足,因為模型中所有的時間變量都是單一頻率的正弦波,故不能考慮時間諧波的影響,分析變頻調速電機時誤差增大;同理由于正弦的H產生正弦的B,磁飽和效應只能近似考慮,通常采用等效磁化曲線。此外,定轉子相對位置變化對計算的影響未能考慮,齒表損耗以及其他高頻效應也必須采用其他方法加以考慮。偽靜止諧波模型雖有不足,但不失為一個可以接受的選擇:在合理的計算時間,給出了較準的答案。

  產經診斷仿真用模型這里的診斷不是指故障診斷,而是指一般意義上的“調查”,回答諸如“WHAT-IFS?”之類的問題。例如:轉子槽絕緣損壞的結果是什么?轉子導條中含有氣泡的后果是什么?這些問題既沒必要也不可能得到高精確的計算結果,只需得到一個近似的答案即可。例如:某一轉子導條斷裂將產生不平衡磁拉力,具體到某個電機,只需知道磁拉力的數量級是100N,而不是10N或1000N即可。在這種情況下,所需的僅是為所研究現象專門定制的電路模型-“多回路模型”。使用多回路模型需掌握以下三點:其一,根據所研究現象的本質,定義好獨立回路。例如當研究轉子側問題時,定子每一相可作為一個獨立回路看待;相反,當研究定子繞組各種問題時,就必須為每個線圈建立獨立回路。

  其二,計算所有獨立回路之間的耦合阻抗,故多回路模型也稱為耦合阻抗法。耦合阻抗的計算方法大約有繞組函數法,復數諧波法及有限元法等。其三,在求得耦合阻抗矩陣后,選擇適合解算機電系統微分方程的穩定算法進行求解。

  仿真是指在計算機上模擬真實樣機的各種運行工況,既可以采用三相靜止坐標軸下的真實物理變量的多回路模型,也可以使用經過坐標變換后的兩軸模型。它和診斷的區別在于對分析精度要求較高。仿真的根本目的就是研究各種運行條件下的機電系統真實性能表現,尤其是當工廠制造無法進行試驗的中大型電機時,能否進行仿真研究就成為產品能否擊敗競爭對手的關鍵。目前機電系統仿真利器有兩種,第一種是采用具有“行為模擬能力”的電路模擬軟件,如Saber,Pspice(spice),Simplorer,Simulink等,此時研究的側重點是控制電路以及控制算法;第二種是使用帶有電路器件單元即所謂場路耦合功能的有限元軟件,如Ansys,AnsoftMaxwell,FLUX2D&FLUX3D等,此時研究注意力放在電機本體。

  基于靜態等效電路的模型的基本控制關系及轉矩控制原則是建立在異步電機穩態數學模型的基礎上,其被控制變量(定子電壓有效值、電流有效值、定子供電頻率等)都是在幅值意義上進行的控制,而忽略幅角(相位)控制,故只能獲得良好的靜態性能指標,無法獲得良好的動態響應,從而只適用于對動態性能要求不高的調速系統。

  矢量控制模型,也稱為磁場定向控制系統。矢量控制技術模仿直流電機的控制,依靠坐標變換的方法,以轉子磁場定向,將異步機在三相靜止坐標系上的數學模型變換為帶有偽靜止繞組的同步速兩軸模型,實現了對交流電動機的轉矩和磁鏈控制的完全解耦。不足之處是,系統特性受電機參數的影響較大,以及在模擬直流電機控制過程中所引用矢量旋轉變換的復雜性,使得其實際控制效果難以達到理論分析的結果。

  直接轉矩控制不同于矢量控制技術,用空間矢量的分析方法,在定子坐標系下直接計算與控制交流電機的轉矩,它的控制既簡單又直接,在很大程度上解決了矢量控制中計算復雜、特性易受電機參數變化影響、實際性能難以達到理論分析結果的一些重要技術問題。它的控制效果不取決于電動機的數學模型是否能夠簡化,而是取決于轉矩的實際狀況。目前在德國,直接轉矩控制技術已經成功應用于兆瓦級的電力機車牽引上。

  各種控制結構所依據的都是被控制對象的數學模型,因此,為了建立交流調速系統的合理適用的控制結構,仍需對交流電動機數學模型的性質、特點以及內在規產經律作深入研究和探討。值得注意的是,近年來,不依賴電機模型的模糊自尋優控制、人工神經網絡等智能化控制方法開始引入到交流調速系統中,成為交流調速控制理論和控制技術的研究發展方向。

  結論按照模型的功能和用途,異步電機模型可分為三大類:設計用模型、診斷仿真用模型和控制用模型,每種模型又可以有多種變化。特別是用有限元法計算電機內部的電磁場已變得非常實際,這種數值計算技術能夠解決解析法無法解決的問題,也無需引入許多經驗系數。有限元在電機電磁場計算中的應用已逐步從線性場發展到非線性場,從靜態場發展到穩態交變場及瞬變場,從二維場發展到三維場,從單純的電磁場發展到電磁、流體、應力等多物理耦合場的分析計算。異步電機在電磁場有限元法的應用中,屬于計算復雜的研究對象,正確合理地建立或選擇數學模型,取決于對電機內部電磁現象的深刻理解,取決于對近似程度的適當選擇。

  2007年10月15日,國家科技支撐計劃重點項目“電力電子關鍵器件與重大裝備研制”總體專家組第一次全體大會在廣西桂林召開。會議由總體專家組組長賈利民教授主持,項目總體組9名專家悉數與會。中國電工技術學會名譽理事長周鶴良、華中科技大學陳堅教授也應邀列席了會議。

  會議主要針對“電力電子關鍵器件與重大裝備研制”項目總體專家組的工作機制、項目的實施管理辦法、中國電力電子技術發展戰略及發展路線圖編制相關工作計劃以及科技部領導提出的關于成立中國電力電子技術及產業聯盟的意見的必要性和可行性及其對我國電力電子技術及應用的重要性等四個議題進行了充分探討和意見交流。

  會議最后確定了總體專家組下一步的工作進程和任務分工,要求專家們近期盡快完成“電力電子關鍵器件與重大裝備研制”項目總體專家組工作細則(討論稿)、項目管理實施細則(討論稿)、中國電力電子技術發展戰略及路線圖相關工作安排(討論稿),同時擬定《關于建立國家電力電子技術及產業聯盟的草案》。會議還提議盡快召開總體組第二次全體大會。

  通過這次會議,總體組專家進一步明確了下一步的具體工作目標,為確保項目實施管理及總體專家組工作順利有效進行、切實履行科技部賦予專家組的責任、有效推動項目總體專家組的工作進程打下了基礎。

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