绕线转子自起动永磁电机研究

【摘要】本文以国家自然科学基金项目为背景,针对频繁重载起动,变负荷运行的起重、冶金、矿山等机械装备存在的问题,提出并研究一种绕线转子自起动永磁电动机(WRLS-PMM:Wound-rotorline-startpermanentmagnetmotor)。该型电机兼具绕线异步电机起动可控的特点和永磁电机轻载高效的特点。根据这种新结构带来的特殊问题,本文重点研究了该型电机的转子绕组和磁路结构设计方法,以及转子斩波控制电路器件选型依据。研究电网回路阻抗特性和增加弱磁绕组对于发电制动转矩的影响。提出并研究了基于实时输出最大异步转矩的斩波起动控制方法,并对WRLS-PMM的起动性能进行场路运动耦合仿真分析和实验研究。主要研究成果体现在如下几个方面：(1)总结了WRLS-PMM转子绕组和磁路结构设计方法。提高转子每槽绕组有效导体截面积,降低转子等效电阻,可提高牵入转矩。发现在保持转子等效电阻不变的情况下,增加转子绕组匝数能够有效降低转子电流。提出了基于饱和系数和电压迭代的转子堵转电压电流计算方法,为转子斩波控制器件选型提供依据。鉴于反电势对电机效率、功率因数、额定电流、牵入转矩以及发电制动转矩具有重要影响,给出了反电势标幺值的设计依据。总结出永磁体和转子槽相对位置的设计规律,以及永磁转矩、磁阻转矩和过载倍数与磁路结构的内在关系。(2)研究了发电制动转矩受外部供电回路阻抗特性影响规律。发现供电回路等效电阻只会改变最大制动转矩出现时刻,而不改变其最大值。供电回路等效电感则同时影响制动转矩最大值及其出现时刻,并与最大制动转矩成反比。建立并编制了考虑转子斩波调阻过程的场路运动耦合有限元仿真计算程序。总结分析了转子绕组开路和转子绕组调阻对于堵转特性影响。发现转子绕组开路时,堵转转子感应电压大幅提高,需校核此时转子控制器件耐压等级。提出并研究一种增加转子弱磁绕组的方法,通过将转子每极弱磁绕组与单向导通二极管串联的方式使永磁磁场受到削弱,抑制起动阶段发电制动转矩。仿真结果表明弱磁绕组能够有效削弱起动初始时刻气隙磁场,抑制发电制动转矩。(3)为了充分发挥WRLS-PMM起动性能,提出并研究了基于实时输出最大异步转矩的转子斩波调阻起动控制策略。结合转子斩波控制需求,建立了基于两种缓冲电路的转子回路IGBT斩波调阻准动态数学模型。分析了转子回路电感、电容、电阻、转速以及斩波频率对转子等效外串电阻计算模型的影响规律。给出了基于RCD型缓冲电路的斩波电路中导通占空比的计算方法,并发现斩波频率超过1k时,等效外串电阻计算模型对外界参数敏感性很低,而且等效外串电阻与斩波占空比具有非常简洁的线性关系。研究了温度对于斩波控制策略的影响。研究表明,当定子绕组温度高于转子绕组温度且温差较大时,温度对于斩波控制策略影响有限。搭建了WRLS-PMM斩波起动控制器,并编制了控制程序。(4)设计制造了相同额定参数的WRLS-PMM、绕线异步电机和鼠笼转子自起动永磁电机(LS-PMSM)。实验结果表明,相比LS-PMSM,WRLS-PMM能够达到永磁电机的高效高功率因数指标,当采用合理的斩波调阻控制方法时,最大起动转矩可提高80%以上,起动电流冲击降低20%。总结了供电电源对WRLS-PMM起动性能影响规律。
【作者】李庆旭；
【导师】张炳义；冯桂宏；
【作者基本信息】沈阳工业大学，电机与电器，2014，博士
【关键词】绕线转子自起动永磁电机；设计方法；场路运动耦合；PWM斩波调阻；起动控制；

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