自起动内嵌式变频永磁同步电动机性能分析

吴 攀，王淑红

(1.国网山西省电力公司电力科学研究院，太原030001；2.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024)

0 引 言

自起动永磁同步电动机运行效率及功率因数高、起动及动态响应快、控制系统简单，是我国家现阶段主推的一类节能电机，能满足高精度伺服场合驱动系统既要有良好的起动性能(起动转矩大，起动电流小)又要有良好的调速性能的要求，在各行业得到了广泛应用[1-2]。但对转子带起动笼条的内嵌式永磁同步电机而言，由于结构的复杂，即使正弦电源供电，电机起动及调速过程中电机内部存在异步转矩、同步转矩、由于交直轴磁阻不同造成的磁阻转矩，电机的数学模型建立、参数计算及动态性能分析都较一般的永磁同步电机要复杂得多[3-4]，其起动性能分析也更困难。特别是在某些调速场合使用变频器供电，通过调节频率来改变永磁同步电动机转速，电机的性能分析更加复杂。现有文献对异步起动永磁同步电机的起动性能进行了分析，文献[5]采用时步有限元法分析了一台自起动永磁同步电机三相对称正弦交流电供电，转子位置不同起动时冲击电流及转矩，文献[6]利用时步有限元法分析了自起动永磁同步电机起动过程鼠笼异步电机效应及变频永磁发电机效应。

本文在分析内嵌式永磁同步电动机静态特性的基础上，建立了基于有限元分析的电机正弦电源及变频电源供电时的场-路结合时步有限元分析模型，在Matlab环境下搭建了内嵌式自起动永磁同步电机的常参数模型，对两种供电方式下电机的起动及运行性能进行了分析，并采用谐波电流注入法减小了变频器供电时电机转矩脉动。

1 电机本体及有限元分析

本文针对一台转子带铸铝式起动笼条内嵌式永磁同步电机进行分析，电机的主要参数值如表1所示，电机有限元仿真模型(结构示意图)如图1所示，为改善气隙中磁场分布波形，使其内部磁场分布更接近于正弦，且增强电机弱磁调速能力，永久磁极采用不对称的W型结构，为了减小漏磁，磁极部分设置有隔磁桥。

图1 有限元计算模型

参数参数值额定功率PN/kW18.5额定电压UN/V380额定频率fN/Hz50额定转矩TN/Nm118极数2p4每槽导体数N22并联支路数a1额定转速nN/(r/min)1500转子槽数44定子槽数48

1.1 有限元分析静特性

在Ansoft/Maxwell软件环境下建立内嵌式自起动永磁同步电机电磁场有限元分析模型，分析电机及其控制系统联合动态性能仿真提供了基础。图2为电机额定负载时一对极下气隙磁密径向分量随转子位置变化曲线(负载时电枢反应与直轴重合)，图3为此时电机内磁力线分布图，从图中可见电机磁密中齿谐波含量较大，这对电机运行过程中转矩脉动、噪声等均会有较大影响。

图2 气隙径向磁密分布图

图3 电枢反应与直轴重合时磁力线分布图

图4为有限元计算所得样机自感系数随转子位置变化曲线LAA=f(θ)，电机控制系统设计过程中的非线性变参数由此曲线提供，若不考虑电机磁路饱和等非线性及参数变化，经park变换后可得永磁同步电机交直轴电感，对本样机若采取恒功率变换，则直轴电抗Ld为4.893mH、交轴电抗Lq为5.603mH。

图4 LAA随转子位置变化曲线

图5为电机不同定子电流下电磁转矩随转子位置变化曲线(即矩角特性)Te=f(i,θ)，其中对应i=0时的转矩即为具有凸极特性的内嵌式永磁电机附加磁阻转矩，从图中可以看出，自起动内嵌式永磁同步电机矩角特性与凸极式永磁电机矩角特性相似，且随电枢电流增大齿槽效应造成的转矩脉动也增大，为改善对永磁同步电机运行性能，转矩脉动减小是电机本体设计及控制系统参数设定时主要应解决的问题。

图5 矩角特性

1.2 有限元分析起动特性

建立电机的时步有限元模型，在正弦波电源供电时分析了电机自起动过程，得到空载起动时电机转速随时间变化曲线，如图6所示。由图可见即使正弦电源供电，由于在内嵌式自起动永磁同步电机启动过程中同时存在异步电磁转矩、同步电磁转矩及交直轴磁阻不同造成的磁阻转矩，电机空载起动仍较一般异步电机起动过程中转速脉动大，这点在永磁同步电机驱动的伺服系统应加以重视。

图6 正弦电源下自起动PMSM转速变化曲线

2 变频器供电时电机性能

与正弦波电源相比较自起动永磁同步电动机变频器(PWM供电方式)供电时，由于转子鼠笼导条存在及供电电源谐波分量增大使得电机定子电流中谐波含量增大，电磁转矩及转速的脉动变大。

2.1 Ansoft环境下场路耦合(Simplorer)模型及分析

在Maxwell环境下电机的有限元计算是电机本体的电磁性能，是场的计算，即使对电机的动态过程(Transient)进行分析，其电压激励源也是用函数设定的(激励电压可以是时间、位置、速度等变量的函数)，不能将电机与其控制电路联合仿真，为得到电机在变频器供电下的动态性能，建立有限元分析中电机场-路结合的分析模型。

2.1.1 模型建立

Ansoft /Simplorer是功能强大的多领域机电系统设计与仿真软件，可以进行变频器供电的自起动永磁同步电机场路耦合多物理域联合仿真。在Simplorer环境下搭建三相桥式逆变电路如图7所示。

图7 Simplorer环境下电机及控制系统仿真模型

电机本体模型是Maxwell中建立的，Simplorer仿真模型中电机采用PWM变频供电方式，调制波与载波相比较决定图中主电路中IGBT开通关断时间。由于永磁电机初始位置直接影响起动性能，仿真时应实时改变调制波的初始角以确保逆变后输出电压与电机初始位置匹配，与异步电机变频供电相同，在开断器件允许的条件下尽量选择载调制比的大小以调节直流侧电压。

2.1.2 仿真结果及分析

Maxwell+Simplorer联合仿真所得电机的定子电流、转矩、转速波形如图8所示(实验结果对比附后)，电流的谐波分析结果如图8(c)所示，由图可见与正弦波电源供电相比较，变频器供电时自起动内嵌式永磁同步电机定子电流的谐波含量较大，电磁转矩及转速脉动较大。为减小变频供电引起的转矩脉动，采用谐波电流注入法可以减小电机转矩脉动[7-8]，Simplorer环境下注入谐波后定子电流、转速仿真结果如图9所示，其电流谐波含量如图9(c)所示，由图可见，补偿后电流谐波分量所占比例减小，稳定运行时转速脉动减小，对应的电机噪声及振动将减小。

图8 补偿前Simplorer下仿真结果

图9 谐波补偿后仿真结果

3 实验结果

图10为实验测量与有限元计算所得电枢电流为6A时电机矩角特性对比，图11为实验测量与有限元计算所得自感系数随转子位置变化曲线对比，由图可见有限元计算模型及实验测量的正确性。

图10 实验及有限元计算所得矩角特性曲线对比(IA=6A)

有限元分析过程中模型搭建及变频供电外电路设置正确性，将有限元分析结果与实验结果进行对比。在实验室现有的永磁同步电机及其控制系统实验台上进行，对电机变频器开环供电方式下进行实验，实验时电机起动过程频率采用斜坡增大方式增加到稳定运行频率，实验所得电机稳定运行时定子电流波形与有限元仿真结果对比如图12所示。从图中可以看出，变频器(PWM方式)供电时自起动内嵌式永磁同步电机电流谐波含量大，电机转速脉动大，且随着频率增大电流波形变坏，谐波含量增大，这主要是由两个原因造成的：①变频器供电时永磁电机谐波含量本身就较正弦波供电时大，②异步起动笼条的存在在电机速度达到同步转速前，异步导条中有感应电流，此感应电流存在会使电流谐波含量增大。

图12 实验与有限元计算所得电机稳定运行时电流波形

4 结 语

本文借助有限元分析软件，详细分析了自起动内嵌式永磁同步电机采用变频器供电时电机的静、动态特性，利用场-路结合方法，在Ansoft/Simplorer环境下搭建了模拟PWM变频供电外电路模型与Ansoft/Maxwell环境下的电机联合仿真，得到如下结论：(1)采用PWM调制的变频供电方式时异步起动永磁同步电机定子电流谐波含量较正弦供电时大；(2)采用谐波电流注入法可以减小谐波电流及转矩脉动；(3)实验结果验证了仿真分析的正确性，为变频供电时自起动永磁同步电机运行性能的改善提供了理论基础。