于电流匹配反电势的无刷直流电机节能策略

引言

无刷直流电机相比于有刷直流电机,利用了位置传感器来判断转子的位置,电换相器取代了传统电刷,既保持了有刷电机的优良特性,同时也具备有刷电机所没有的优点[l]。近年来,节能减排的号召不断加强,而电机作为能源消耗主力耗能占据了世界工业用电量的2/3左右,因此提出一种有效的电机节能方案对于节约能源、减少排放将大有裨益。

1无刷直流电机工作原理

本文分析的无刷直流电机均采用星形接法,工作在传统的两两通电方式,其控制系统包含驱动电路模块、控制电路模块、位置传感器模块、无刷电机模块等结构,如图1所示。

2无刷直流电机数学模型

2.1电压方程

定子电压方程为:

式中,uA、uB、uC为电机定子相电压:iA、iB、iC为电机定子相电流:eA、eB、eC为电机定子相反电势:R为电机相电阻:L为电机相自感:皿为电机相间互感。

2.2转矩方程

电磁转矩方程如式(2)所示:

其中,是转矩常数。

2.3运动方程

无刷直流电机的运动方程如下:

式中,7d为电磁转矩:76为负载转矩:J为转子转动惯量:2为电机机械角速度,:BV为黏滞摩擦系数。

3基于电流匹配反电动势的节能策略

三相无刷直流电动机的电磁功率如式(4)所示:

相电压和相电流如下:

式中,E和I为电流和电压各次谐波大小:on为每相电流与电压谐波相位之差。

为增加电机的输出功率,相位和相电流谐波的相电压应该是同步的。否则,两者的乘积甚至会产生负值,并且平均功率不能最大化。因此,令on取零,平均功率计算公式如式(7)所示:

提高电机功率还有一个约束条件就是确保电压和电流的均方根值不变,且等于额定值,如式(8)所示:

因此,提高电机功率的最优电流波形如下:

式中,g为电流参考增益:eabcm(t)为消除零序谐波的反电势。

电流谐波与消除零序谐波的反电势eabcm(l)互相匹配,就使得无刷直流电机效率得到了提高,从而达到了节能效果。

4系统仿真分析

在simulink下建立仿真模型,图2是在使用电流匹配反电势控制策略后A相仿真图。上图是消除零序谐波的反电动势波形,下图是获得的参考电流波形,该电流可以使得电机效率提高,达到节能效果。由图可以看出,参考电流和反电动势相位一致,验证了前述理论分析。

5结语

本文通过分析无刷直流电机的输出功率,提出得到不含零序分量的线反电动势,进而使得电流匹配该反电势来获得最优参考电流,可以提高电机效率,达到节能效果。仿真结果表明,该方法是可行的。