高转矩密度多相鼠笼电机的建模与分析

发布时间：2017-06-27 16:09

  本文关键词：高转矩密度多相鼠笼电机的建模与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：与三相电机相比,多相电机由于相数多、磁动势谐波含量少而拥有众多优点：更高的能量转换效率和系统可靠性；转矩脉动的频率更高、幅值更小；容错运行能力强；可通过变电流相序变极,低频谐波电流注入甚至可以提高电机的转矩密度。鉴于多相电机的众多优点,从20世纪80年代至今多相电机的研究一直是电机学者关注的焦点。本文对高转矩密度多相鼠笼感应电机的工作机理、数学建模及非正弦供电的特点进行了研究,全文的主要内容如下：基于绕组函数方法和绕组结构圆图,对任意相数对称与不对称感应电机的磁动势进行了全面分析,从而论证了多相电机具有磁动势谐波含量少、变电流相序变极的特点。由于改善的非正弦气隙磁密波形可以充分利用铁芯,提高电机转矩密度,因此对一维任意形状行波的特点进行了分析,阐述了在多相电机中利用定子电流基波和谐波合成任意形状行波的方法,从理论上解释了逼近方波气隙磁密时励磁电流的尖峰现象。根据绕组函数方法和转子多回路理论,建立了任意相数对称鼠笼感应电机在自然坐标系下的数学模型,给出了模型参数的计算表达式,揭示了简化该模型的多相变换矩阵的特点。为了反映多相电机变电流相序变极,进而产生转矩的特点,提出了在集中整距电机中考虑空间谐波次数最大值的准则,给出了任意旋转速度dq坐标系下多相鼠笼感应电机数学模型的参数计算表达式。同时,将三相电机中定义的空间矢量推广到多相电机中。为了验证所建模型的正确性,在Matlab\Simulink环境下搭建了考虑基波、3、5、7次空间谐波的九相44根导条集中整距鼠笼感应电机的状态方程模型；根据一台450kW样机的设计参数和实验数据,将其在方波、梯形波电压供电下的仿真电流、转矩转速特性仿真曲线和实验波形或数据进行了对比分析；另外,对该九相电机在方波、SPWM两种供电方式下转矩脉动情况进行了仿真与分析。为了进一步说明多相集中整距电机的优点,将其和一台中等功率三相电机在各种常用PWM调制策略供电下的仿真性能进行了比较。最后,根据九相电机dq坐标系下的电气参数和空间矢量定义,对九相电机等效电路的参数折算进行了初步分析。
【关键词】：高转矩密度 多相鼠笼电机 磁动势分析 数学建模 非正弦供电
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM343.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 插图和附表清单11-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 课题研究背景13-16
• 1.2 多相电机发展概述16-18
• 1.3 感应电机高性能变频调速控制技术概述18-21
• 1.3.1 三相感应电机的变频调速控制18-19
• 1.3.2 多相感应电机的变频调速控制19-21
• 1.4 本文研究内容21-22
• 第2章 任意相数鼠笼电机的磁动势分析22-35
• 2.1 多相电机的分类与绕组排布22-23
• 2.2 任意相数感应电机的磁动势分析23-32
• 2.2.1 绕组函数23-24
• 2.2.2 π/n相带感应电机的磁动势分析24-29
• 2.2.3 2π/n相带感应电机的磁动势分析29-30
• 2.2.4 多套绕组多相感应电机的磁动势分析30-31
• 2.2.5 转子磁动势分析31-32
• 2.3 任意非正弦气隙磁密行波波形的实现32-34
• 2.3.1 非正弦气隙磁密行波波形的特点32-33
• 2.3.2 非正弦气隙磁密与电流过冲现象33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 多相鼠笼电机的数学建模35-48
• 3.1 多相感应电机在自然坐标系下的数学模型35-36
• 3.2 多相鼠笼电机参数计算36-40
• 3.2.1 电阻矩阵各元素表达式36-37
• 3.2.2 电感矩阵各元素表达式37-39
• 3.2.3 空间谐波次数最大值选取原则39-40
• 3.3 多相鼠笼电机在dq旋转坐标系下的数学模型40-46
• 3.3.1 多相变换矩阵40-41
• 3.3.2 dq旋转坐标系下参数矩阵元素的计算41-46
• 3.3.3 定转子变换矩阵中自由角度的确定46
• 3.4 多相鼠笼电机的空间相量模型46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 九相鼠笼电机的仿真与实验分析48-70
• 4.1 九相鼠笼电机的状态方程模型48-52
• 4.1.1 dq坐标系下九相鼠笼电机的数学模型48-50
• 4.1.2 状态变量的选择50-52
• 4.2 九相鼠笼电机Simulink仿真模型的搭建52-53
• 4.2.1 模型参数初始化52
• 4.2.2 多相变换矩阵模块正确性测试52-53
• 4.3 实验系统拓扑与逆变器输出波形特点53-56
• 4.4 梯形波电压供电下的仿真与实验分析56-60
• 4.4.1 仿真模型正确性验证56-59
• 4.4.2 梯形波电压供电对电机性能的影响59-60
• 4.5 九相电机方波和PWM供电下的转矩脉动分析60-63
• 4.6 三相电机在不同供电方式下的仿真分析63-67
• 4.6.1 方波与六步模式供电下三相感应电机性能分析63-65
• 4.6.2 SPWM与SVPWM供电下三相感应电机性能分析65-66
• 4.6.3 三相电机不同供电方式时的带载能力分析66-67
• 4.7 九相电机的复数运算等效电路67-69
• 4.8 本章小结69-70
• 第5章 工作总结与展望70-72
• 5.1 全文工作总结70-71
• 5.2 工作展望71-72
• 参考文献72-77
• 作者简历77

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