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2-永磁同步电机的公式推导
2-永磁同步电机的公式推导
PAGE
2-永磁同步电机的公式推导
2 永磁同步电机的公式推导
永磁同步电机的能量转换过程推导
永磁同步电机电压平衡方程:
(2-1)
其中,,为转子机械角位移,为转子机械角速度,电机稳定运行时为常数,即。则有
(2-2)
其中,为电阻压降,表示感应电动势,成为运动电动势。
转矩平衡方程:
(2-3)
其中,为电机电磁转矩,为输出机械转矩,为惯性转矩,为阻力转矩;理想情况下,电机阻力力矩近似为常数,稳定运行时机械加速度为零,所以输出的机械转矩,由于电机阻力力矩近似为常数,电磁功率可近似看作输出机械功率。
磁能的表达式:
(2-4)
由磁能与电磁转矩之间的关系,则:
(2-5)
其中,表示电流矩阵的转置。
则电磁功率为:
(2-6)
由公式两边同时乘以,则:
(2-7)
由式()可知,等式左边为电机输入功率;等式右边为电阻损耗功率,是电磁功率,即电功率转换成机械功率输出的那一部分,表明从电磁耦合场中获得的一半能量转换成了机械能输出;是输入功率除去输出的和内阻损耗功率之后的功率,即为磁场功率。稳态运行时,一个周期内磁场功率应为零,即一个周期内磁场转化的功率与释放的功率相同。
坐标变换
(1)变换(Clark变换)
设三相绕组和两相绕组每相的绕组匝数分别为N1,N2,将两组磁动势分别投影到轴和轴上:
(2-8)
前后保持功率不变,可进一步推倒出此时,所以,三相静止坐标系到两相静止坐标系(3s/2s)的“等功率”变换矩阵为:
(2)变换(Park变换)
同样遵照磁效应等效原则,同一时刻、同一方向上的瞬时磁动势相等,再由功率不变原则得出变换前后各绕组的有效匝数不变,因此可以直接由电流矢量表示合成磁动势。将磁动势投影到正交的α 轴、β 轴上,由三角关系易得:
(2-9)
两相静止坐标系到两相旋转坐标系(2s/2r) 的“等功率”变换矩阵为:
(3)变换
考虑零序电流得
(2-10)
则有,
(2-11)
通过计算可以得出变换矩阵:
旋转坐标系下动态方程
电压方程
根据坐标变换,并考虑:
(2-12)
(2-13)
可以得到
(2-14)
(2-15)
(2-16)
(2-17)
(2-18)
定子电压方程
(2-19)
(2-20)
(2-21)
转子电压方程
(2-22)
(2-23)
(2-24)
(2)磁链方程
轴上绕组:绕组,阻尼绕组,励磁绕组。
轴上绕组:绕组,励磁绕组。
在绕组通三相电流,在绕组中的磁链
(2-25)
其中,为绕组和相绕组重合时的互感
在绕组通电流,,在绕组中的磁链
(2-26)
其中,为直轴电枢反应电感
令绕组与绕组等效,则
(2-27)
同理
(2-28)
轴主磁链
(2-29)
轴总磁链
(2-30)
其中,为定子交直轴的漏感
若,为定子绕组漏自感和漏互感,则总漏感和零序电感为
(2-31)
由交直轴磁链得到交直轴同步电感
(2-32)
定子系统的磁链
(2-33)
(2-34)
(2-35)
励磁绕组的磁链
(2-36)
直轴阻尼绕组的磁链
(2-37)
交轴阻尼绕组的磁链
(2-38)
(3)转矩方程
同步电动机输入总功率
(2-39)
由于
所以
(2-40)
变换为磁势不变,而非功率不变,系数不为1。
展开得到
(2-41)
(2-42)
拉格朗日运动方程
确定电机的动力变量,广义损耗系数,以应外来广义驱动力,列表如下:
表 在广义坐标和广义速度下的系数
定子绕组
定子绕组
转子绕组
转子绕组
机械转子
假设系统为线性的
(2-43)
由,可得
(2-44)
拉格朗日函数为
(2-45)
其中,。
(2-46)
根据式(),同步电机运动方程的推导如下:
当时
(2-47)
则定子绕组轴的电压方程为:
(2-48)
当时
(2-49)
则定子绕组轴的电压方程为:
(2-50)
当时
(2-51)
则转子绕组轴的电压方程为:
(2-52)
当时
同理可得,转子绕组轴的电压方程为:
(2-53)
当时
(2-54)
则力平衡方程为
(2-55)
综上所述,式(2-46)、(2-50)、(2-51)、(2-52)、(2-56)合起来就是永磁同步电机的运动方程。
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