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[Maxwell] 基于ansoft maxwell的同步电机稳态交直轴电感计算

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[LV.5]常住居民I

发表于 2011-6-19 23:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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forlink原创,转载请注明。

交直轴电感,是同步电机分析和控制所必须的重要参数。关于如何计算,只要是电磁场有限元和电机方面的论坛,都有相关的讨论。遗憾的是大都停留在泛泛层面,鲜有具体阐述。
授人以鱼,不若授人以渔。本帖拟从电感矩阵变换的角度出发,从原理上对此问题讲清楚,并给出具体操作流程。
一、基本流程
1、参考方向(reference direction)

参考方向

参考方向

图1  电机参考方向的定义

2、冻结磁导率(frozen permeability)
对于线性材料来说,它的磁导率是一个常数,不存在冻结磁导率(frozen permeability)之说,也不存在饱和之说;但对于电机里面的铁磁材料而言,不同电流下,铁磁材料的磁导率是不同的,因此电感参数也不一样;实际计算电感时,要考虑电机额定运行工况时的饱和程度,计算出来的电感才有实际意义。这只有通过冻结磁导率的办法,才能实现。

冻结磁导率具体步骤如下:
(1)、计算额定工况饱和程度。此时的激励包括额定电枢绕组电流、额定励磁绕组电流,铁磁材料为非线性磁化曲线,方程为非线性方程;

(2)、在(1)中的非线性方程迭代求解结束后,计算各个单元的磁导率,并冻结各个单元的磁导率(frozen permeability),此时磁导率为常数;

(3)、去掉(1)中所加的所有激励,将电机铁磁材料的非线性磁化曲线更换为(2)中保存各个单元的磁导率,此时电机电机电感与电流无关;然后分别给每个绕组施加1A的电流,计算磁场,此时的方程为线性方程;

(4)、计算(3)中能量,再依据能量法计算电感。Ansoft maxwell计算电感矩阵时,是会自动冻结磁导率和考虑饱和影响的,没必要手动冻结磁导率。 当然我们也可以依照上述四步,手动冻结磁导率,然后计算电感,两种方法结果是完全一样的。

3、电流的加载(excitation)
采用静磁场计算,为了计算额定工况,电机应该施加额定电枢电流和额定励磁电流
施加额定电枢电流时,需要施加对应于该转子位置时刻的三相电流瞬时值,这样才能与额定工况相符。

4、派克变换(park transformation)
采用静磁场,施加3中所述的额定励磁电流和额定电枢电流,计算出abc坐标系下的电感矩阵Labcf,取其中的Labc,然后对其进行如下的派克变换,即可得到交直轴电感Ldq,这一步工作可以采用excel或matlab完成。其中θ为1中参考方向定义的电角度。转子位置角θ可为0~90度之间的任一角度

派克变换

派克变换

图2  派克方程及其变换

二、有关说明:
1、本帖虽然以电励磁同步电机为例,但所述方法完全适用于永磁同步电机,爪极电机,盘式电机,感应子电机等同步电机系列。

2、静磁场计算电感,在assign matrix中可以直接指定匝数和并联支路数。因此若采用全模型,计算出来的电感只需要乘以电机铁心长度就是实际电感。为了减小计算量,常常采用周期模型,此时计算出来的电感除了乘以电机铁心长度外,还需要乘以周期性对称系数,才是实际电感。

3、由于采用二维静磁场,因此没能计及端部电感的影响。但端部电感一般占电机总电感的3%左右,影响很小。当然,更准确的计算可采用三维静磁场,基本原理与二维静磁场完全相同。

4、不建议采用瞬态场,理由是瞬态磁场需要做两次计算,一次是空载时的定子磁链,一次是负载时的定子磁链,由于瞬态场磁导率不能冻结,因此无法保证两次饱和程度相同,故而电感精度无法得到保证。

5、若需要计算电机带不同负载时的电感,可以将电机电流设置成变量,然后进行参数扫描。就可以得出交直轴电感随功率因数角变化时的曲线。

6、本帖所述方法与其他方法的优点在于,只需要一次静磁场计算即可同时完成交直轴电感的计算,避免了其他方法的两次或多次计算,减少了计算量。同时还可以考虑电机实际运行工况时的饱和程度。经与路算相比,本帖所述方法误差在5%左右,完全能满足工程需要

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 楼主| 发表于 2011-6-19 23:28 | 显示全部楼层
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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2011-6-20 09:13 | 显示全部楼层

特此留笔,以带支持
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 楼主| 发表于 2011-6-20 10:26 | 显示全部楼层
这个话题,应该是搞同步电机的人都关心的了,希望大家发表见解。
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该用户从未签到

发表于 2011-6-20 15:24 | 显示全部楼层
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     队长:
   请问一下,求某一相的自感和相间互感具体应该如何操作呢?望队长详细指导。
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 楼主| 发表于 2011-6-20 15:35 | 显示全部楼层

这个,就是采用静磁场,给电机加上额定负载,然后assign matrix指定线圈回路,匝数,和并联支路数就行了。
求解完毕后,右键result/solution data,matrix,勾选postpropost,自感和互感就有了
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发表于 2011-6-20 19:19 | 显示全部楼层
上楼这样算出来的是三相的电感 ,而不是交直轴的电感
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 楼主| 发表于 2011-6-20 19:28 | 显示全部楼层
上楼这样算出来的是三相的电感 ,而不是交直轴的电感
wgs860818 发表于 2011-6-20 19:19


然后进行派克变换就行了,帖子已经讲得很清楚了
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发表于 2011-6-20 19:34 | 显示全部楼层
4中 角度是随意取得,还是转子位置角等? 我试验下,呵呵
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[LV.1]初来乍到

发表于 2011-6-20 20:39 | 显示全部楼层
哇,顶一下,电感确实很难理解~
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发表于 2011-6-21 20:48 | 显示全部楼层
好帖,顶!
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发表于 2011-6-21 21:01 | 显示全部楼层
好东西,正在找这种资料
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发表于 2011-6-21 21:06 | 显示全部楼层
楼主,这个交直轴电感都能用电机参数测试可以测出来。今天我测的时候发现D轴电感突然减小了很多,请问什么原因
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 楼主| 发表于 2011-6-21 21:28 | 显示全部楼层
楼主,这个交直轴电感都能用电机参数测试可以测出来。今天我测的时候发现D轴电感突然减小了很多,请问什么原 ...
254339861 发表于 2011-6-21 21:06


先排除有没有操作失误的地方,再有可能就是电感与饱和程度成反比,是不是饱和程度不一样造成的?
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发表于 2011-6-22 22:16 | 显示全部楼层
很好的文章 其实结合一个实际的工程来做  就更清晰明了  更有说服力了
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 楼主| 发表于 2011-6-23 08:48 | 显示全部楼层
回复 15# y1949b

主要考虑到,把思路讲清楚之后,都是基本操作了。
让新手们多练习练习,有好处
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发表于 2011-6-23 14:30 | 显示全部楼层
最新贴,支持
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发表于 2011-6-23 19:27 | 显示全部楼层
回复 14# forlink

饱和程度是什么意思啊
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该用户从未签到

发表于 2011-6-24 10:13 | 显示全部楼层
学习了,楼主所说的静态场电感法很好,我们实验室一直采用交叉耦合瞬态场计算电感法,和实验对比精度很好,但就是工作量比较大,我试试楼主的磁导率冻结法计算,如果好了给楼主反馈哦。
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发表于 2011-6-30 09:05 | 显示全部楼层
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    其实我的想法  是拿出一个公共的例子   ,具体讲讲  ,大家也用不同方法都算算  ,看看到底哪个更简练
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