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考虑绕组电感的无刷直流电动机稳态特性和参数的分析与计算
 
 


                                                                                谭建成
                                                                      (中国电器科学研究院)

      摘要:基于无刷直流电机换相过程分析,推导出考虑绕组电磁时间常数的电流一转速特性和转矩转速特性简洁表达式,给出平均电流比和平均电磁转矩比的函数关系图,讨论了绕组电阻和电感值变化对电机特性的影响。提出了单回路等值电路和视在电阻,给出了转矩系数与反电势系数的计算公式。研究结果解决了现有特性计算没有计及绕组电感的明显不足,有助于提高无刷电机特性预测计算的准确程度。
  关键词:无刷直流电动机;特性;参数;等值电路;转矩系数;反电势系数
      中图分类号:TM36+l;TM351    文献标志码:A    文章编号:1001—6848(2010)08-0001一05

0引言
     现已公开出版的无刷直流电动机中外书籍有关其运行特性公式都只考虑绕组电阻,而忽略了绕组电感的影响{2-11},即使近年出版的新作也是如此。尽管人们早就认识到绕组电感对无刷直流电动机性能有重要的影响,定性分析绕组电感的存在使尢刷直流电动机机械特性变软,转矩系数与反电势系数不相等,并不断探索考虑绕组电感的无刷直流电动机特性定量计算方法{12-19}。
  本文在文[1]对平顶120。梯形反电势的无刷直流电动机换相过程进行分析以及平均电流和平均电磁转矩解析解的基础上,进一步分析得到考虑绕组电磁时间常数的电流转速特性和转矩一转速特性表达式,引入了平均电流比和平均电磁转矩比系数,它们是参数x和Ku的函数。介绍了利用函数关系图求取无刷直流电机电流特性和转矩特性的图解法,以实例说明绕组电阻和电感值变化对电机特性的影响:提出r无刷直流电动机单回路等值电路和视在电阻,及其旁证试验。给出了转矩系数与反电势系数比的计算公式。研究结果可用于无刷直流电动机工程设计计算。
1  平均电流和平均电磁转矩的简洁表达式和函数关系图

    笔者在文{1 }推导出r梯形波反电势无刷直流电动机三相六状态运行方式下平均电流Iav和Tav平均电磁转矩的表达式:

    上述简洁表达式中,平均电流比KA给出了计及电感的平均电流与未计电感的平均电流之比,平均电磁转矩比I给出了计及电感的平均电磁转矩与未计电感的平均电磁转矩之比,它们是换相周期时间比x和转速比Ku的函数。选择x=0.05~100,Ku,=0.9,O.8,O.7,0.6按上述各式计算得到它们的函数关系图,见图l和图2。对于一台无刷电机,只要知道相绕组电阻R和电感L数据,就可以利用式(2)和式(3)或利用图1和图2计算电机的电流特性和转矩特性。

2近似计算公式
  当电机转速接近理想空载转速,即Ku,趋近1时,B—O,由式(1),

     这里kx只是x的函数,已示于图1和图2。它表示Ku=1时的平均电流比和平均电磁转矩比。同时它也可以作为忽略Ku影Ⅱ自的更加简化的Ka、KI近似计算公式,以便于工程计算应用。
  如前所述,X=T/r表示一个换相周期时间与绕组电磁时间常数的比。在图l还给出了£和Kx,与x的函数关系。它显示:随着电机电磁时问常数的增大或转速的提高,x减小,£和Kx。从****值l单调减小到近于零。也就是说,与忽略电感时相比,x越小,电流过渡过程的幅值Io、平均电流和平均电磁转矩将降低得越多。

3转矩系数Kt与反电势系数ke之比
   这里转矩系数与反电势系数比是由x和Ku确定,在图3给出它们的函数关系。式(6)和图3说明:转矩系数Kt与反电势系数ke并不相等,它们之比也不是一个常数。随着x的降低,此比值逐步增加。从图l和图2也可以发现,当Ku,从1向O.6方向变化时(即转速从高速向中速变化),曲线ku和kA曲线分别从曲线疋向上和向下变化。对于同一个x,随着Ku,值的降低,平均电流比在降低而平均电磁转矩比反而在增加,从而使两个系数之比越来越大。从图3可见,由于电感的存在,KT与KE系数比有如下变化规律:

Kr/KE系数比的计算实例
    在文献[19]给出的电机型号57BL—A lO一30H是磁片表面粘贴转子有槽定子的无刷直流伺服电动机,额定功率10O w,绕组星形接法,p=4,一相绕组L=115-8=107 mH,329 V时的理想空载转速no=5 950 r/min,时问常数i=107×2/88=2.432 ms,酶=329/5950=O 528 V/rad s-1。其表2给出了仿真计算结果:在转速4 468 r/min时,输出转矩0.12 Nm,电流O.19l A,对应的kt=0.6463。而由样机实测的转矩电流特性,有kt≈O.65,表明仿真计算结果接近实际。由此可计算得到kt/ke=O.6463/0 528=1.224。
  在该负载点(n=4 468 r/min),ku=4468/5950=O.75l,r=10/pn=O.560 ms,x=t/i=O.230。利用这些数据,按本文式(2)、式(4)计算,得到Ki=0.2846,Ka=0.2332。再由式(6)计算得到Kt/ke。=0.2846/O.2332=l.220。计算结果与文[19]仿真计算的l.224非常接近。这个计算实例表明,所给出的计算公式是可用于工程计算的。

4计及绕组电感的无刷电机特性的简洁表达式    ’
  当只计绕组电阻忽略电感时,无利电机的平均电磁转矩转速特性表达式和有刷直流电机相仿,呈现如下线性关系:


  在图4给出无刷直流电机平均电磁转矩转速特性示意图,图中TAV-Ω表示计及电感的平均电磁转矩一转速特性。如图所示,由于电感的存在,同一个转速Ω下,电机的电磁转矩从tr减少到TAV,转矩特性呈现非线性。
  由式(7),可以得到无刷电机在未计电感时的电流特性(平均电流转速)表达式如下式所示,它与转速Ω呈现线性关系:

  上式表明:由于电感的存在,同一个转速力下,电机的平均电流从IR减少到TAV,电流特性呈现非线性。无刷直流电动机的平均电流一转速特性图与图4类似。

5图解法计算电机特性
    对于一台已知电磁时问常数的无刷直流电动机,可以这样计算它的平均电流转速特性:先计算出未计电感的平均电流转速特性,它是一条直线。然后利用平均电流比公式或函数关系图可以计算出计及电感的平均电流与未计电感的平均电流之比KA,从而得到计及绕组电感的平均电流一转速特性。同样方法,也可以计算平均电磁转矩一转速特性。
  利用本文给出的函数关系图1和图2,采用图解法可以避免繁琐的计算。这个方法可用于电机设计时较方便地预测电机的特性。
  下面是利用图1平均电流比函数关系图计算一个电机平均电流一转速特性的例子。讨论对象电机的数据来自文献[19]:U=329 V,p=4,两相绕组串联等效电阻88Ω,两相电感214 mH,i=2.432ms,理想空载转速no=5950 r/min。
  先进行计算:堵转电流Ts=329/88=3 739 A,由Ir=Ts/(1一Ku)计算对于不同转速(即不同Ku)未计电感的平均电流Ir,计算结果见表1。

  

    在理想空载转速no时的换相周期TO=10/pno0.420ms.xo=T0/r=0.1727。因为图1的x采用对数坐标,要变换为logxo=-0.7627。对于不同转速(即不同Ku)的x=xo/Ku,用x(Ku)表示,logx(Ku)=10g(xo/ku)=logxo-1og Ku,当Ku=0.9,0.8,0 7,0 6时,对应的一log Ku=0.04576,0.09691,0.1549.0 2218。在图1的x=1,即logx=0处,和前面的4个一logKu 处作5条平行线,如图的点画线所示。对于本例子电机,将5条平行线族一起平移,使它的第一条平行线落在logxo=一0 7627处。
  其余4条平行线分别与平均电流比函数曲线交点就可得到4个Ku,下的平均电流比KA的值。再由Ir,可计算出相应的Tav值。计算结果见表1。该电机的平均电流转速特性示于图5的曲线2。
  同样,也可以采用图解法由图2得到电机的平均电磁转矩转速特性。

6绕组电阻和电感变化对电机特性的影响
      利用上述特性表达式,很方便定量计算得到绕组参数变化对电机特性的影响程度。
  首先,看绕组电感变化±20%情况。还是以上面的电机为例进行计算。
  采用图解法计算结果见图5:图中曲线1是只计电阻忽略电感时的电流特性,曲线2是正常电感值时的电流特性,曲线3和4分别是电感减小20%和电感增大20%时平均电流增加和减少的情况。从这个计算例子可见,绕组电感变化对电机特性的影响是十分明显的:例如,电感分别减小20%和增大20%时,在K=0.8转速点,负载电流从0.1702变为0.2018和0.1471,变化百分比为+18.6%和一13.6%。

   再看绕组电阻变化4-_20%情况。还是以上面电机为例,采用图解法计算结果见图6。图中曲线1是只计电阻忽略电感时3种电阻值下的电流特性,曲线2是正常电阻值时的电流特性,曲线3和4分别是电阻减小20%和电阻增大20%的情况。
  相对地绕组电阻变化对电机特性的影响要小得多。设计电机时,人们总是企图减小绕组的电阻值,为的是降低电阻上的铜损耗,另外从只计电阻忽略电感时的转矩特性看,减小电阻值有利于提高电磁转矩。但是,减小电阻值的同时,电磁时间常数却增大了,参数x减小,使KA和Ki降低Iav和Tav、都将会下降。这两个相反的作用下,最后总结果是Iav和tav增加得很少。如本例那样,例如在Ku=0.8时,绕组电阻分别减小20%和增大20%时,负载电流Iav从0.1702变为0.1780和0.1632,变化Fj分比仅为+4.5%和一4.1%。

    如后面要谈到的,降低绕组电阻时电磁时间常数增大还有另外一个问题:使电流波动变大,电流的有效值/平均值比增大,从而铜耗反而有可能增加。所以电机设计时刻意降低绕组电阻对提高电机性能难以得到明显的效果。

7单回路等值电路与视在电阻R。
  三相无刷直流电动机本来是三回路电路,但它日丁以用如图7所示的一个简单的单回路等值电路表示其外在电气物理量关系,这里它给出外施直流电压U,平均电流Iav,等值反电势Eeq=2E,和一个电阻Rs的关系:

   这里,引入一个称为视在电阻的Rs,使图7所示的简单等值电路成立。上式表明,视在电阻Rs与绕组电阻(2R)成正比,与平均电流成反比.由平均电流比函数关系图可见,当计及电感时,视在电阻Rs将大于绕组电阻。如果x<1,视在电阻Rs将是绕组电阻的几倍,甚至几十倍。在表1给出该样机的视在电阻比Rs/2R在不同转速下的值,约为4左右。文[16—17}将此电阻称为无刷直流电动机电枢等效电阻。例如文[16]给出一台50 w无刷直流电动机的分析研究实例,在某负载转矩时其视在电阻比R。/2R=0 802/0.073=11倍。
  必须指出,这个简单等值电路和视在电阻只体现丁,在电压平衡方程式上是等效的,但在功率计算上是不等效的,例如不能够用来计算绕组的欧姆损耗。所以,将它称为视在电阻较好。

    如果这个简单等值电路原理是成立的话,在每相绕组中各串联一个电阻或在直流电源输出线串联一个相同的电阻,这两种情况下电机特性应当相同。下面的试验,可以作为此等值电路一个旁证。一台被试高速三相无刷电机型号DT2213,电压U=9 V.每相绕组电阻R=0.0455Ω,2R=O 091Ω.试验对比在每相绕组输入端各串联电阻Rcl,和在直流电源输出线串联相同的电阻Rcl。分别作了串联电阻Rcl=2R和4R的空载试验和负载试验,负载试验采用同一个风叶作为负载。试验结果如表2和表3。由表可见,两个对比试验说明,串联电阻两种放置方式下空载和负载试验结果是相同的,误差很小.

8结论
      (1)由于绕组电感的存在,无刷直流电动机电流特性和转矩特性呈现非线性特性,它们是参数。
  和Ku的函数。
  (2)利用平均电流比KA和平均电磁转矩比系数K r可由未计电感的特性转换为计及电感的电流特性和转矩特性:
  (3)也可用图解法利用函数关系图求取电机的电流特性和转矩特性。
  (4)计算例子表明,绕组电感变化对电机特性的影响是十分明显的。相对地绕组电阻变化对电机特性的影响要小得多。电机设计时刻意降低绕组电阻对提高电机性能难以得到明显的效果。
  (5)由于电感的存在,只有在理想空载转速点有KT=KE,其余转速下转矩系数KT都大于反电势系数Ke,其比值是参数x和Ku的函数。
  (6)引入一个称为视在电阻的Rs,三相无刷直流电动机可以一个简单的单回路等值电路表示其外在电气物理量:直流电压,平均电流,反电势之间的关系。绕组电阻(2R)与视在电阻Rs之比等于平均电流比KA.












 

 

 
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