詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪
摇摇2016年第44卷第3期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
D设计分析摇esignandanalysis詪
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪无滤波电容整流供电的直流电动机性能分析
于浩霞,王秀和,徐定旺,杨玉波
(山东大学,济南250061)
摘摇要:以一台180W永磁直流电动机为研究对象,对标准直流电源、工频交流电压整流(带滤波电容)和工频交流电压整流(无滤波电容)三种方式供电时电机的稳态性能进行了仿真计算和试验研究。结果表明,前两种供电方式电机的性能相差不大,而第三种供电方式电机供电电压、电磁转矩、电枢电流等性能波动较大,转速降低,换向性能恶化,振动、噪声增大,系统效率降低。
关键词:永磁直流电动机;整流电路;滤波电容;运行性能
中图分类号:TM33摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1004-7018(2016)03-0027-05
AnalysisonPerformanceoftheDCMotorFedbyRectifierCircuitWithoutFilterCapacitor
YUHao鄄xia,WANGXiu鄄he,XUDing鄄wang,YANGYu鄄bo
Abstract:Simulationanalysisandexperimentalresearchwereaccomplishedaccordingtoa180Wpermanentmagnet
(ShandongUniversity,Jinan250061,China)
directcurrentmotor.Thepermanentmagnetdirectcurrentmotorwasfedbythreedifferentways.Onewayistousestand鄄
ardDCpowersupply,onewayistouseDCfromrectifiercircuitsuppliedby220VAC(withfiltercapacitor),theotherwayistouseDCfromrectifiercircuitsuppliedby220VAC(withoutfiltercapacitor).Thesimulationandexperimentresultsvoltage,electromagnetictorque,armaturecurrentandotherperformances,lowerspeed,worsereversingperformance,strongervibration,loudernoiseandlowersystemefficiencythanthefirsttwowaysbecausethereisnofiltercapacitor.
Keywords:permanentmagnetdirectcurrentmotor;rectifiercircuit;filtercapacitor;operationperformanceindicatethattheperformanceofthefirsttwowaysarealmostthesameandthethirdwayshowslargerfluctuationofsupply
0引摇言
永磁直流电动机具有调速平滑、调速范围广、调速、瞬时功率等产生变化,还可能影响电机的换向,增大振动和噪声。
本文研究整流二极管组成的不可控整流桥(无
速方便等优异的调速性能,且结构简单、运行可靠、滤波电容)直接对永磁直流电动机供电时电机的性体积小、重量轻、效率高,得到了广泛应用[1-2]能。首先从原理上阐述取消滤波电容对永磁直流电前永磁直流电动机大多采用整流电路供电。整流电。目动机运行性能的影响,然后对有滤波电容、无滤波电路由主电路和滤波电路两部分组成,主电路由整流容和标准直流电源供电三种情况下电机的性能进行
单元组成,在整流单元和负载之间并联着滤波器进有限元仿真分析和试验验证。结果表明,无滤波电行滤波[3]容时,永磁直流电动机供电电压较大的周期性波动独立电源系统中的不可控整流单元都并联着电解电,以提高负载供电电压的质量[4-6]。许多导致电枢电流、电磁转矩、瞬时输入功率都出现较大容器滤波[7-9]的周期性波动,转速也出现明显波动,供电电压的降用并联电容器滤波,文献,[10]文献中船舶动力系统三相桥采[11-12]中飞机电源系统低导致转速降低,且无滤波电容时系统效率降低,电十二脉二极管整流器也采用并联电容器滤波[13]机换向性能恶化,振动、噪声增强。
为中、指出直流侧采用电容滤波的二极管整流器作。文献大功率电力电子装置的电网侧输入接口而应1无滤波电容对电机运行性能影响的理论分用广泛。由于滤波电容体积较大,在某些对体积要析
求高的场合,有时取消滤波电容。整流电路供电的永磁直流电动机取消滤波电容将导致永磁直流电动摇永磁直流电动机供电的电路拓扑结构如图摇工频单相交流电经过带滤波电容的整流电路对1所示。
机供电电压波形与带滤波电容时的电压波形有较大图中,二极管VD1~VD4构成不可控整流桥,将工差距,势必导致电机的运行性能,如电流、转矩、转
频单相交流电转换为脉动直流电压,滤波电容C对脉动直流电压进行滤波,减小电压波动[14],得到仍詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪收稿日期:2015-09-07
含一定谐波的直流电压[15]。
詪詪于浩霞等摇无滤波电容整流供电的直流电动机性能分析
27
摇摇摇
詪詪
D设计分析摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2016年第44卷第3期摇摇esignandanalysis詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪图1摇整流供电的电路结构
摇的供电电压变化较大摇当供电电路没有滤波电容时,导致电枢电流,永磁直流电动机、电磁转矩产生
较大波动。由于电机及其负载具有一定的转动惯量,电机的转速变化并不大,为便于分析,假定其不
变。永磁直流电动机的气隙磁场随负载变化很小,可以认为每极磁通椎不变,则感应电动势与转速成正比。当转速不变时,感应电动势E也不变,则供电电压与感应电动势的关系如图2所示。
图2摇供电电压与感应电动势波形示意图
摇摇由永磁直流电动机的电路方程IU=a=UR-EE+IaRa可知:
(1)
式中:Ia
Ea为电枢电流;R时,整流电路不给电机供电a为电枢回路总电阻。当U
小于;当U大于E时,整流电路对电机供电,由于Ra较小,由式(1)可知,电枢电流将出现较大的周期性波动,导致电磁转矩也出现较大的周期性波动摇,进而影响转速的波动。入功率波动摇供电电压和电枢电流的波动,供电电压降低,使得电机的转速降低,使得电机瞬时输
,此外还可能使系统效率降低,电机换向恶化,振动、噪声增强。
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪2电机运行性能的有限元仿真
于浩霞为研究取消滤波电容对永磁直流电动机稳态运等行性能的影响,本文采用瞬态有限元法对一台额定摇无直流电压滤波(300V、功率180W、2极永磁直流电动机电研究参数如表。该电机采用单相全波整流1所示)建立二维有限元模型,带270,滋F进行仿真滤波电容整容,电机输入端的直流输出电压约为300V。因此,
流表1摇永磁直流电动机主要参数
供电参数
的额定功率p直流额定转矩Tee//N·mkW
数值
参数
数值0.电额定转速n0.1863换向器直径换向器片数D/mm32动额定电流e/(r·min-1I机性额定电压Ue/A)20.770
电刷厚度电刷个数35啄/mm
4.2
能转子铁芯槽数e/V300
8216电刷高度电刷宽度hb105分转子外径D13析
转子长度lror//mm
mm55极数b//mmmm绕组每元件匝数6458定子内径极弧系数D0.2绕组元件数32定子外径Dsi56.744詪詪28
槽满率75%so//mm永磁体B半匝长w/mm13
r/T
mm
永磁体Hc/(A·m-1)逸2.逸0.91439伊10395
分别用300V直流电源、220V工频交流电压整流(带
270波电容滋F)滤波电容三种供电方式供电)和220V,工频交流电压整流并均带额定负载运行(无滤。
摇建上述三种供电方式对应的供电电路摇二维有限元模型采用外电路供电方式,将供电电路,分别搭和有限元模型进行联合仿真计算。2.1直流300V供电
图3是直流电源300V供电时的供电电压、电枢电流、电磁转矩和转速的计算结果。可以看出,直流供电时,电动机达到稳态时,电枢电流、电磁转矩基本无波动,转速平稳,电机运行稳定。
(a)供电电压(b)电枢电流
(c)电磁转矩
图3摇直流300V供电时的波形
(d)转速
2.2220V工频交流电压整流(带滤波电容)供电
图4是220V工频交流电压整流(带270滋F滤波电容)供电时的供电电压、电枢电流、电磁转矩和转速的计算结果。与图3比较,可以看出,稳态时电枢电流、电磁转矩有明显波动,但转速波动不明显。由于平均电压略低于300V,其稳态转速也略低于
300V直流电源供电的情况。
(a)供电电压(b)电枢电流
图4摇220(c)V工频交流电压整流电磁转矩(带滤波电容(d))转速
供电时的波形
2.3220V工频交流电压整流(无滤波电容)供电
将220V工频交流电压整流,不经电容滤波,直接对电机供电,得到电机供电电压、电枢电流、电磁转矩和转速的仿真计算结果,如图5所示。可以看出,由于无滤波电容,电机的供电电压波动很大,且
摇摇摇
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪摇摇2016年第44卷第3期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
D设计分析摇esignandanalysis詪
其平均值比300V低得多,导致电磁转矩和电枢电流有很大的波动,电机的转速有明显波动且有大幅度下降。
图5(a)、图5(b)显示,当U大于E时,整流电路对电机供电,电机的供电电压随整流电路输出电压波动,当U小于E时,整流电路不给电机供电,当电机电枢电流减小到0时,电机两端电压为电机的反电势E。
(a)供电电压(b)电枢电流
图5摇220(c)V工频交流电压整流电磁转矩
(无滤波电容(d))转速
供电时的波形
摇较大影响摇可以看出,电机稳态运行稳定性变差,取消滤波电容,对电机的运行性能有。
3试验验证
3.1稳态运行时各物理量的测试
为验证采用上述三种方式对永磁直流电动机供电、电机带额定转矩(0.63N·m)达到稳态时运行性能的不同,利用图6的试验装置对电压、电流进行了测试,据此计算出电机的瞬时输入功率P速表测量了转速,利用MTS-1电机测试系统测试了1,利用转整个系统的效率。由于缺乏动态转矩的测量手段且电磁转矩与电流成正比,没有进行动态转矩的测量。
图6摇试验设备
摇摇图7~图9分别是300V直流电压、220V工频
(a)供电电压和电枢电流
图7摇直流300V供电时的测试结果
(b)瞬时输入功率
交流电压整流(带滤波电容)和220V工频交流电压整流(无滤波电容)供电时电机的供电电压、电枢电流和瞬时输入功率的测试结果。
图8摇(a)220供电电压和电枢电流
V工频交流电压整流(带滤波电容(b)瞬时输入功率
)供电时的测试结果
图9摇(a)220供电电压和电枢电流V工频交流电压整流(无滤波电容(b)瞬时输入功率
)供电时的测试结果
摇供电摇图,电机的供电电压随整流电路输出电压波动9(a)显示,当U大于E时,整流电路对电机;当U小于E时,整流电路不给电机供电;当电机电枢电流减小到0时,电机两端电压为电机的反电势E,与仿真波形一致。
试验用转速表测得电机的转速,直流300V供电时转速为(频电压整流带滤波电容2)776供电时转速为r/min,2202V601工频交流电压整流min。
(无滤波电容)供电时转速为r/min,2201780V工r詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪/试验用MTS-1电机测试系统测得整个系统的
效率,直流300V供电时系统效率为74.9%,220V詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪于工频交流电压整流(带滤波电容)供电时系统效率
浩霞为74.3%,220V工频交流电压整流(无滤波电容)等供电时系统效率为73.3%。
摇由以上测试结果可以看出,取消滤波电容,导致无滤电机的供电电压、电磁转矩、电枢电流、瞬时输入功波电率有大幅度的周期性波动,电机的供电电压和转速容整有较大幅度的降低,系统的效率降低。流3.2换向试验
供电从上述仿真计算结果和测试结果可以看出,供
的直电方式的不同导致电机的转速和电流的大小和波动流电幅度都产生较大差异,必然对电机的换向产生影响,
动最直观的表现是电刷和换向器产生的火花强烈程机性度,打开位于机壳上换向器端的视窗孔,可以观察换能分向器表面的火花。电机带额定转矩,采用三种方式析
供电时的火花情况分别如图10(c)10(a)、图10(b)和图
花很轻微所示,带滤波电容的整流电路供电时的火花增。可以看出,直流300V电压供电时的火
詪詪摇29
摇摇
詪詪
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詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪大,而无滤波电容时的火花最严重。前两种情况下电机的转速分别为2776r/min和2601r/min,而第三种情况下电机的转速是1780r/min,考虑到电机的换向受转速影响很大,将第三种情况下的供电电压经自耦单相调压器升高到调压器的最高输出电压如图250V,10(d)电机转速达到所示,可以看出2219,换向火花显著增强r/min,此时的换向火花
。总之,换向试验表明取消滤波电容使电机换向
性能大大恶化。
(a)火花直流(2776r300V/供电时的
min)
整流(b)(带滤波电容220V工频交流电压)供电时的
火花(2601r/min)
整流(c)(无滤波电容220V工频交流电压
)供电时的
整流(d)(无滤波电容250V工频交流电压
)供电时的
火花(1780r/min)
火花(2219r/min)
图10摇火花情况
3.3振动和噪声试验
为研究取消滤波电容对永磁直流电动机稳态运行振动、噪声的影响,对永磁直流电动机采用上述三种方式供电情况下的振动和噪声进行测试。试验用测功机加额定转矩,用TES-1353积分式噪声计测定噪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪V10声,用加速度传感器测振动,用CoinvDASP于验背景噪声数据采集和信号处理系统获得振动时域图浩霞0.5s(2~2.365s)dB,进行分析采集10。
s时间内的数据,取其中
。试等上述三种供电方式下的振动时域图如图11(a)、
摇无图11(b)、图11(c)所示。可以看出,带滤波电容供滤电比直流300V供电时电机振动水平略高,无滤波波电电容供电时电机振动水平最高。直流300V供电时容整噪声计示数为59.1dB,带滤波电容供电时噪声计流供示数为电的63.9dB。
61.0dB,无滤波电容供电时噪声计示数为
直电机的振动和噪声与转速密切相关,而无滤波
流电电容供电时电机的转速较有滤波电容时低很多,将动机该供电方式的供电电压经自耦单相调压器升高到调性压器的最高输出电压能分析
min(d)所示升高到。电机振动水平比前三组试验都大2219r/min,250其振动V,电机转速从、噪声时域图如图1780r/,此时
11噪声计示数为64.7dB。可以看出,取消滤波电容使电机的振动和噪声
詪詪30
水平显著提高。
(a)直流300V供电时
(b)(220带滤波电容V工频交流电压整流
)供电时
(c)(220无滤波电容V工频交流电压整流
)供电时
(d)图11摇振动时域波形
(250无滤波电容V工频交流电压整流
)供电时
4结摇语
本文对一台永磁直流电动机采用直流供电、工频交流电压整流(带滤波电容)供电、工频交流电压整流(无滤波电容)供电三种方式供电,对供电电压、电枢电流、电磁转矩、转速、瞬时输入功率进行了仿真和试验研究,并对系统效率、电机换向火花、电机振动和噪声进行了测试。研究结果表明:
压大幅周期性波动1)取消滤波电容使得电机稳态运行时供电电
,导致电枢电流、电磁转矩、瞬时输入功率大幅周期性波动,进而导致转速出现明显波动,2)降低了电机稳态运行的稳定性取消滤波电容使得电机稳态运行时供电电。压降低3),取消滤波电容使得电机稳态运行时整个系导致电机的转速显著下降。统的效率降低。
花更加明亮4)取消滤波电容使得电机稳态运行时换向火5)取消滤波电容使得电机稳态运行时振动和
,电机换向性能恶化。噪声水平显著提高。参考文献
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agemodeloftwelve-pulsedioderectifierforaircraftapplications
作者简介:于浩霞(1989-),女,硕士研究生,研究方向为永磁电机。
[12]摇BAGHRAMIANA,FORSYTHA.Averaged-valuemodelsof
(上接第26页)
摇摇3)组合永磁体时齿槽转矩表达式到齿槽转矩,即:
永磁体,永磁电机的齿槽转矩减少了52%。有限元齿槽转矩,进而验证了解析式分析的正确性。
计算结果说明合适的组合极弧系数可以很好地削弱
将式(5)、式(6)、式(8)、式(11)代入式(1),得
¥
仔zLFe22
Tcog(琢)=(R2-R1)移nGnBr(nz)sin(nz琢)
4滋0n=1
式中:LFe为电枢铁心的轴向长度;R1和R2分别为电枢外径和定子轭内径;z为定子槽数。由式(12)可知,在B2r(兹)的傅里叶系数分解中,只有Brnz次傅里叶分解系数对齿槽转矩有影响,可以通过减小或消除B2r(兹)的nz次傅里叶系数减小永磁电机的齿槽转矩。假设永磁体玉采用钕铁硼材料,永磁体域采用铁氧体材料,将两种材料的特性参数代入式(11)可得图3。图3为兹2在(0,0.2)范围内变化时Brnz幅值随仔兹2/180变化的曲线。图3中曲线说明,图4摇传统永磁体和组合永磁体模型的齿槽转矩对比
(12)
4结摇语
以气隙磁密为出发点,提出了一种削弱永磁电定的比例组合,具体的比例大小需根据电机的极对数和槽数,利用解析的方法确定。有限元计算结果表明,组合永磁体可以有效减小电机的齿槽转矩。机齿槽转矩的方法。将不同材料的永磁材料按照一
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图3摇Brnz随兹2的变化曲线
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inpermanentmachines[InfluenceJ].ofdesignIEEETransactionsparametersononcogging
Energy詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪转子所受转矩的变化曲线。经计算发现,采用组合
作者简介:唐美玲(1975-),女,博士研究生,讲师。
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浩霞等摇无滤波电容整流供电的直流电动机性能分析
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