组合转子电机稳定性和负载性能比较研究

陈学珍，陈旭武，刘 俊

(湖北理工学院，黄石435003)

0 引 言

组合转子电机结构主要有磁障式磁阻电机、永磁辅助磁阻电机、永磁开关磁链电机等［1－5］，所有组合电机都具有单一电机的优点，因此吸引了国内外学者的广泛关注。本文研究的组合电机的转子是高密度轴向叠片各向异性和面贴式永磁段组合而成。文献［6］研究了电机参数对组合转子电机性能的影响。文献［7］研究了两段d 轴重合的组合式转子电机空载稳定性能。文献［8］分析了组合转子电机在恒流控制下提高综合性能的基本设计规律。文献［9］分析了ALA 段和永磁段的比例关系对电机电磁阻尼系数的影响。但ALA 段d 轴和永磁段d 轴间的偏转角α 对电机稳定性和最大负载能力的理论和实验研究很少见。

为此，本文用小信号模型分析两段d 轴重合(α=0°)和两段d 轴夹角α=90°的四极组合转子电机稳定性能;由功角特性表达式推导了两种转子同步电机最大电磁功率之间的关系并进行了实验验证。

1 电机结构和主要参数

4 极组合转子电机的转子截面如图1 所示，组合转子电机如图2 所示，其中图2(a)为两段d 轴重合的转子样机，图2(b)为两段d 轴夹角α=90°的转子样机。两种转子ALA 段和SPM 段结构分别相同，只是两段d 轴夹角α 不同。

图2 不同偏转角的组合转子实物图

图1 ALA 段和SPM 段截面

电机的主要参数:额定功率PN=2.2 kW，额定相电压UN=220 V，额定频率fN=50 Hz，极对数p=2，永磁磁链幅值ψm=0.48 V/(rad·s－1)，直轴电感Ld，交轴电感Lq与电流的变化关系如图3 所示。

图3 组合式转子电机直轴和交轴等效电感与电流关系曲线

图3 表明组合转子电机的直轴电感随电流增大而减小，交轴电感随电流的变化很小，等效电感基本不受ALA 段和SPM 段d 轴夹角α 的影响。

2 稳定性能分析

为简便分析和计算，忽略ALA 段与SPM 段之间的漏磁影响并假设SPM 段各向同性。

组合转子电机在d，q 坐标系下的状态方程:

式中:B 为机械粘性摩擦阻尼系数;ψf为组合转子电机的永磁磁链;ωs为同步电角速度;TL为负载转矩;J 为电机的转动惯量;δ 为功角。

式(1)～式(4)小扰动线性化变换矩阵A(x):

式中，下标“0”表示稳态值。

变量x 的小扰动矩阵Δx［12］:

图4为两种组合转子电机在空载不同频率下A(x)的主导特征值轨迹。根据线性系统稳定理论，α=90°的组合转子电机全频范围内能稳定运行，α=0°的组合转子电机存在不稳定频率区。

图4 组合转子电机空载不同频率下A(x)主导特征值轨迹

3 负载性能分析

组合转子电机(α=0°)的功角特性表达式:

式(5)与传统凸极同步电机功角特性一样，由基本电磁功率和附加电磁功率组成。

组合转子电机(α=90°)的功角特性表达式:

同理可得最大电磁功率:

由于Xd受饱和的影响很大，Xq基本不受饱和影响，最大负载时可近似认为式(6)中b 与式(8)中c 相等。

经过近似处理后，由式(6)和式(8)得:

显然，α=90°的组合转子电机与α =0°的组合转子电机的最大电磁功率之比等于凸极比的3/2 次方。由于Ld＞Lq，所以前者的最大负载能力比后者强。

4 样机实验

4.1 两种转子电机空载起动实验

空载起动实验线路如图5 所示。实验供电变频器是Panasonic 公司的通用变频器M1X374BSA。

图5 空载起动实验线路

设置变频器的控制方式为恒压频比V/f 控制，采用8 kHz 的三角波与正弦波调制输出SPWM 调制波。通过操作变频器面上的功能按钮，可以实现手动升频控制实验，实验数据如表1 和表2 所示。表中，f 为变频器输出的目标频率，n0为变频器输出的目标频率对应的同步转速，n 为电机实际转速，Ip为电机相电流。

表1 α=0°的组合转子电机实验数据

表2 α=90°的组合转子电机实验数据

由表1 和表2 可知，α=0°的组合转子电机的振荡随着电源频率的升高越来越显剧［11－12］，电流也越来越大，最终导致变频器限流保护。α =90°的组合转子电机在15 Hz ～40 Hz 之间只出现轻微振荡。大于40 Hz 后基本不振荡。

图6 为α=90°的组合转子电机2.5 s 空载起动速度波形(α =90°的组合转子电机由于振荡剧烈，没能获得空载起动过程的速度曲线)。从图6 可以看出，从零速到额定转速整个空载起动过程基本不振荡且能同步稳定运行。

图6 α=90°的组合转子电机起动过程的速度曲线(截图)

4.2 两种转子电机负载性能实验

组合转子电机负载性能实验线路如图7 所示，直流电机作为发电机带电阻负载运行，负载大小可以调节。通过直流电压表和电流表来测量负载电压U 和电流I 以获得发电机的输出功率。机组的空载转矩T0:

式中:机组的机械功率Pm是在负载性能实验之前，用直流电机拖动组合式转子电机到某个转速空载运行［10－12］，通过测量直流电机的电枢电压和电流来计算机组的空载功率，然后减去直流电机的铜损可得Pm。

图7 组合式转子电机负载性能实验线路图

组合转子电机的电磁功率Pem计算式［10］:

式中:Ωr为电机的机械角速度;Ra为直流电机的电枢电阻。

表3 和表4 分别为两种组合转子电机在不同转速下最大失步负载实验数据。表中左边3 列数据为实测值，右边3 列数据为计算值。比较两表中对应数据可发现α =90°的组合转子电机最大负载能力比α=0°的组合转子电机强，与理论分析一致。

表3 α=0°的组合式转子电机最大失步负载实验数据

表4 α=90°的组合式转子电机最大失步负载实验数据

5 结 语

理论分析了α =0°和α =90°的组合转子电机的空载稳定性及负载能力，得到如下结论:

(1)α =90°的组合转子电机空载起动在全频范围内能同步升速至额定转速稳定运行，α =0°的组合转子电机存在不稳定频率区;

(3)实验结果与理论分析一致。表明通过改变两段式组合转子电机的d 轴夹角来提高电机的运行性能是有效的。

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