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本文对感应电动机软起动过程中存在的电流、电磁转矩以及转速振荡问题进行了系统的理论分析和实验研究.论文首先根据感应电动机的数学模型,利用MATLAB仿真工具建立了感应电动机软起动的通用仿真模型,其次分析了晶闸管触发角度、机组的转动惯量、负载转矩以及转子电阻这四个因素对振荡的影响,进而探讨了感应电动机软起动过程中出现电流、电磁转矩以及转速振荡的原因.结果表明:在感应电动机软起动过程中,当转子转速达到同步转速并在其附近变化时,电动机的续流角会大幅度变化,当续流角围绕晶闸管的触发角变化时,三相交流调压电路的输出电压会产生振荡,在电动机定、转子磁场的相互作用下会使振荡加剧,因而就会造成电动机电流、电磁转矩以及转速的振荡.特别需要指出的是电动机在软起动过程中出现的转速振荡是在同步转速附近振荡而并非象有些文章所说的在低速下振荡.根据上述原因,本文提出了采用关断角控制的新型控制策略,这种控制策略是使电动机在起动过程中的电流关断角由某一初始值逐渐减小到零,利用该方法可以使感应电动机起动过程中的续流角始终小于晶闸管的触发角,这样续流角的变化就不会引起电动机端电压的振荡,因而就从根本上消除了感应电动机软起动过程中的振荡现象.文中首先通过仿真验证了该控制策略的正确性,在此基础上研制了基于关断角控制的感应电动机软起动装置的硬件电路和软件程序,并进行了样机试验,实验结果验证了理论分析的正确性.另外,文中还探讨了软起动对于感应电动机起动过程中转轴扭矩振荡的影响.大型感应电动机驱动大转动惯量负载直接起动时,其转子轴上会出现过大的扭矩振荡,这是由于定子绕组中电源频率的电流与转子中直流电流相互作用产生的具有转差频率的电磁转矩分量造成的.采用软起动会使电动机起动时转子中产生的直流电流分量大为减小,进而可以减小电磁转矩的转差频率分量,故可以有效地抑制感应电动机起动过程中作用在转轴上过大的扭矩振荡.
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准确计算电机铁耗一直是困扰电机设计者的一个难题。传统方法是假设电机内部磁场仅是交变磁化的,根据铁磁材料在交变磁化条件下测量的数据,计算电机齿部和轭部由基波磁场造成的损耗,对于计算值与实测值之间的误差通过经验系数来修正。这种方法对于已经长期制造和使用的电机而言勉强适用,对于近年来发展很快的永磁电机、高速电机和其他新结构电机,由于缺乏合适的经验系数,导致此方法难以适用。众多研究人员的成果已经证明电机的铁耗有相当一部分是由旋转磁化导致的,因此顾及旋转磁化的电机铁耗计算模型是本文的一个重要内容。 本文从铁磁材料的铁耗入手,先研究铁磁材料在交变磁化和旋转磁化方式下的计算和测量方法,目的是得到铁耗分立模型中磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗的计算系数。本文提出并实现了数字式的25cm爱泼斯坦方圈测试系统,它可以测量在任何频率和波形电源供电下硅钢片的损耗,本文还在二维铁耗测试系统中对硅钢片在圆形旋转磁化条件下的损耗进行了测量。结果表明,在同样频率和磁密的条件下,旋转磁化下的损耗要比交变磁化下的损耗大。本文提出了基于磁密轨迹的电机铁耗计算模型,它只采用较容易获得的交变磁化损耗系数,但又能顾及到旋转磁化带来的影响。通过实际电机的计算和测试,表明轨迹法的计算结果在未经任何系数修正的情况下就具有很好的精度,适合推广使用。 软磁复合材料是一种新型的粉末金属材料,它具有涡流损耗小和易制造成具有复杂结构电机等特点。为了探索这种材料在高频领域中的应用和验证本文提出的铁耗计算模型,本文成功地设计和制造了一台采用软磁复合材料的爪极式永磁电机,由于结构复杂,本文通过三维有限元分析,对该电机的磁通、磁链、电感、转矩和铁耗等参数和性能的计算提出了计算方法。对该种电机的热分析,本文提出了热网络法和磁热耦合有限元法。由于铁耗在高速电机总损耗中占有很大比例,因此在有限元方法中,本文通过映射剖分法,使磁场和热场模型中的单元总数、大小和顺序保持完全一致,轨迹法计算得到的各单元铁耗直接耦合进热场进行计算,得到了电机准确的温度分布。本文还进行了高速电机转子的模态分析,合理地调整转子的直径、长度和轴承位置,使转子的自然共振频率远离电机的工作频率范围。本文构建了一测试平台对样机进行了发电机状态测试,并通过假转子法测量了电机铁耗,实验结果证明了本文所用方法的可行性,得到的结论对软磁复合材料的应用及爪极式电机的设计与分析都具有很好的参考价值。
上传时间: 2013-06-27
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