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BLDC

梯形磁通分布的三绕组无刷直流电机。

类型: AcausalElectricPowerSystems.Electromechanical.PMSM.BrushlessDC

bldc

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Electrical/Electromechanical/Permanent Magnet/BLDC

说明

*BLDC*单元模拟三相定子星形连接的永磁同步电机。该模块有两个选项，用于确定永磁体的磁通量分布与转子角度的函数关系。假设反向电磁场具有完美的梯形，则会出现一个简化参数。对于简化参数，可指定磁通耦合或转子感应反 EMF。

图中显示了定子绕组的等效电路图。

bldc 1

电机设计

该图显示了转子上有一对磁极的电机设计。

bldc 2

对于图中所采用的轴布置，当转子角度 为零时，相磁通量 和永磁磁通量对齐。该模块支持转子轴定义的第二种变体。在第二种定义中，转子角度是磁相轴 与转子轴 之间的夹角。

梯形磁通变化率

永磁体产生的转子磁场会产生梯形磁通变化率，如图所示，它是转子角度的函数。

bldc 3

反向电磁场是流量的变化率，其定义如下

其中

  • - 是永磁体的磁通耦合；

  • - 转子旋转角度；

  • - 机械转速。

梯形磁通量变化率曲线的高度 是根据永磁体的最大磁通量值确定的。

在 至 的范围内对 进行积分，可得

其中

  • - 永磁体的磁通耦合；

  • - 是磁通变化速度曲线的高度；

  • - 定子中永磁体磁通引起的反 EMF 保持恒定的转子角度范围；

  • - 当转子匀速运动时，反 EMF 线性增大或减小的转子角度范围。

由上式可得

定义电气方程

定子绕组电压定义为

其中

  • 、 和 是施加到电机三个电气连接处的外部电压；

  • - 是每个定子绕组的等效有功电阻；

  • 和 是定子绕组中的电流； 和 是每个定子绕组中的磁通变化率。

永久磁铁和三个绕组对连接每个绕组的总磁通量有贡献。总磁通定义如下

* [(Psi_a),(Psi_b),(Psi_c)\]=[[L_(aa),L_(ab),L_(ac)\],[L_(ba),L_(b\b),L_(bc)\],[L_(ca),L_(cb),L_(c\c)\]\]cdot[(i_a),(i_b),(i_c)\]+[(Psi_(am)),(Psi_(bm)),(Psi_(cm))\],

其中 * stem:[Psi_a],stem:[Psi_b], 和stem:[Psi_c] 是连接每个定子绕组的总磁通量； * stem:[L_(aa)] stem:[L_(b\b)] 和 是定子绕组电感； , , 等。- 定子绕组的互感； , , 和 - 连接定子绕组的永久磁铁的磁通量。 定子绕组中的电感是转子旋转角度的函数，定义如下 其中 - 是定子相位特征电感，即每个定子绕组的平均特征电感； - 定子电感变化幅度，即转子旋转角度变化时自身电感和互感的变化幅度； - 定子互感，即定子绕组之间的平均互感。 连接每个定子绕组的永磁磁通对应于上图所示的梯形轮廓。该模块使用查找表来计算永磁磁通值，从而实现梯形轮廓。 简化方程 程序块的应力和扭矩定义方程如下 stem:[L_(c\c)]* stem:[L_(ab)] stem:[L_(ac)] stem:[L_(ba)]* stem:[Psi_(am)] stem:[Psi_(bm)] stem:[Psi_(cm)][stem]++++ L_(aa)=L_s+L_mcos(2theta_r), ++++[stem]++++ L_(b\b)=L_s+L_mcos(2(theta_r−2pi/3)), ++++[stem]++++ L_(c\c)=L_s+L_mcos(2(theta_r+2pi/3)), ++++[stem]++++ L_(ab)=L_(ba)=−M_s−L_mcos(2(theta_r+pi/6)), ++++[stem]++++ L_(bc)=L_(cb)=−M_s−L_mcos(2(theta_r+pi/6−2pi/3)), ++++[stem]++++ L_(ca)=L_(ac)=−M_s−L_mcos(2(theta_r+pi/6+2pi/3)), ++++* stem:[L_s]* stem:[L_m]* stem:[M_s]=== [stem]++++ [(nu_d),(nu_q),(nu_0)\]=P([(nu_a),(nu_b),(nu_c)\]-N_(omega)[((delPsi_(am))/(deltheta_r)),((delPsi_(bm))/(deltheta_r)),((delPsi_(cm))/(deltheta_r))\]),

其中

  • , , 分别为轴电压 , 和零序电压；

  • - 帕克变换，定义如下

;

  • - 转子永磁体的磁极对数；

  • - 转子旋转的机械速度；

  • , 和 是连接各相绕组的永磁体瞬时磁通量的偏导数；

  • 和 分别为轴电流 、 和零序，定义如下：

=P[(i_a),(i_b),(i_c)\]].

  • 轴定子电感 ；

  • 轴定子电感 ；

  • 定子零序电感；

  • 转子转矩。扭矩从电机外壳（端口 C）传递到电机转子（端口 R）。

热效应建模

您可以打开热端口来模拟热损失。为此，请选择*启用热端口*复选框。

端口

非定向

~ - 三相端口 * * * // Deleted multi-line comment=== == === .
三相电

Details

三相端口。

依赖关系

要启用此端口，请将 电气连接 设置为 "复合三相端口"，并将 绕线类型 设置为 "Wye-wound "或 "Delta-wound"。

n - 中性
电力

连接中性点的非定向端口。

依赖关系

要启用此端口，请将 绕线类型 设置为 "绕线"，并将 零序列 设置为 "开启"。

*R*为机器的转子
旋转机械

与机器转子相关的机械端口。

C - 机器外壳
旋转机械

与机器外壳相关的机械端口。

HA - 绕组的热端口 A
热

与绕组 相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请选择*启用热端口*复选框。

HB - 绕组热敏端口 B
热

与绕组 相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请选择*启用热端口*复选框。

HC - 绕组热敏端口 C
加热

与绕组 相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请选择*启用热端口*复选框。

HR - 转子热端口
热

与转子相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请选择 启用热端口 复选框。

参数

热敏端口

启用热敏端口 - 启用热敏端口
已禁用（默认）` | 已启用

该参数的值决定模块的热端口是否可用，以及是否执行热损失建模。

转子

反 EMF 曲线 - 反 EMF 曲线
完美梯形 - 指定最大磁通联结（默认）` | `完美梯形 - 指定最大转子感应反 EMF

用于定义永磁体磁通量分布与转子角度关系的参数。可用值：

  • 完美梯形—​指定最大磁通连线"--使用该值指定永磁体的最大磁通连线和反 EMF 恒定的转子角度。反向电动势的形状假定为完美梯形。

  • 完美梯形 - 指定最大转子感应反 EMF"- 使用该值可指定最大转子感应反 EMF 和相应的转子速度。假定反 EMF 的形状为完美梯形。

最大永磁磁通量 - 最大永磁磁通量值
`0.03 Vb（默认值） `

任一定子绕组的最大永磁通量。

依赖关系

要使用此参数，请将 Back EMF profile 设置为 "完美梯形 - 指定最大磁通耦合"。

反电势恒定的转子角度 - 反电势恒定的转子角度
`pi/12 （默认值）

定子绕组永磁通量恒定的转子角度范围。在图中标注为 。

依赖关系

要使用该参数，请将*反向 EMF 曲线*参数设置为 "完美梯形—​指定最大磁通联动 "或 "完美梯形—​指定最大转子感应反向 EMF"。

最大转子感应反电势 - 最大转子感应反电势值
9.6V（默认）`。

定子绕组中的最大转子感应反电势。

依赖关系

要使用此参数，请将 Back EMF profile 设置为 "完美梯形 - 指定最大转子感应反电势"。

用于测量反向电势的转子转速 - 用于测量反向电势的转子转速
`600 rpm（默认值）

与转子感应的最大反向 EMF 相对应的转子转速。

依赖关系

要使用此参数，请将 Back EMF profile 参数设置为 "完全梯形 - 指定转子感应的最大反 EMF "或 "表格 - 指定转子感应的反 EMF 作为转子角度的函数"。

极对数 - 机器的极对数
6（默认值）

转子上永磁体的磁极对数。

转子角度定义 - 测量转子角度的参考点
a 相磁轴与 d 轴之间的角度（默认）` | a 相磁轴与 q 轴之间的角度。

测量转子角度的参考点。如果选择 "a 相磁轴与 d 轴之间的角度"，则当转子角度为零时，转子和相磁通 对齐。如果选择 "a 相磁轴与 q 轴之间的角度"，则当转子角度为零时，相电流 将产生最大转矩。

定子

绕组类型 - 绕组连接
绕线（默认） | △绕线

选择绕组连接：

  • Wye-wound - 星形连接。

  • Delta-wound - 三角连接。相位 连接在端口 a 和 b 之间，相位 连接在端口 b 和 c 之间，相位 连接在端口 c 和 a 之间。

定子参数化 - 定子参数化
指定 Ld、Lq 和 L0（默认）` | 指定 Ls、Lm 和 Ms

定子参数化方法。

选择 "指定 Ld、Lq 和 L0 "或 "指定 Ls、Lm 和 Ms"。

建模保真度 - 建模精度
不变 Ld 和 Lq（默认）`。

选择建模保真度：

  • 常数 Ld 和 Lq"-- 和 的值是常数，由相应参数决定。

依赖关系

要使用该参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ld、Lq 和 L0"。

定子 d 轴电感，Ld - 沿_d_轴的定子电感
0.00022Gn（默认值）"。

定子 d 轴电感 。

依赖关系

要使用此参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ld、Lq 和 L0"，并将*建模保真度*参数设置为 "恒定 Ld 和 Lq"。

定子 q 轴电感，Lq 是沿 q 轴的定子电感
0.00022Gn（默认值）"。

定子 q 轴电感 。

依赖关系

要使用此参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ld、Lq 和 L0"，并将*建模保真度*参数设置为 "恒定 Ld 和 Lq"。

定子零序电感，L0 - 定子零序电感
0.00016 Gn（默认值） - 定子零序电感

零序电感。

依赖关系

要使用该参数，请设置

  • 绕线类型*参数设置为 "Wye-wound"，零序列*参数设置为 "Enabled"，定子参数化*参数设置为 "Specify Ld, Lq, and L0"。

  • 对于 Winding Type 参数，其值为 "Delta-wound"；对于 Stator parameterisation 参数，其值为 "Specify Ld, Lq, and L0"。

每相定子自感，Ls - 每相定子自感
`0.0002 Gn (默认值) `

三个定子绕组的平均自感。

依赖关系

要使用该参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ls、Lm 和 Ms"。

定子电感波动，Lm - 定子电感波动幅度
`0 Gn（默认值）

定子绕组电感和互感随转子角度变化的幅度。

依赖关系

要使用此参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ls、Lm 和 Ms"。

定子互感，Ms - 定子互感
0.00002Gn（默认值）`。

定子绕组间的平均互感。

依赖关系

要使用该参数，请将*定子参数化*参数设置为 "指定 Ls、Lm 和 Ms"。

每相定子电阻，Rs - 每相定子有功电阻
0.013欧姆（默认值）。

每个定子绕组的有功电阻。

零序 - 开启零序开关
开（默认） | 关

打开或关闭零序列的选项。

  • 开"--考虑零序列。要优先考虑模型精度，请使用此默认设置。

  • 禁用"--不考虑零序列。要提高计算机模拟或实时运行的速度，请选择此选项。

依赖关系

要使用该选项，请将 Winding Type 参数设置为 "Wye-wound"。

机械

转子惯性 - 转子惯性
0.01 kg*m²（默认值） | `非负标量

与机械端口 R 相连的转子的转动惯量。该值可以为零。

转子阻尼 - 转子阻尼
0 N*m/(rad/c) （默认值）。

转子阻尼。

温度相关性

这些参数仅适用于热端口开放的设备。

电阻温度系数 - 电阻温度系数
3.93e-3 1/K （默认值）` - 电阻温度系数

有功电阻与温度关系式中的系数 。假设绕组电阻与温度呈线性关系，其定义为

,

其中

  • - 温度下的有源电阻 ；

  • - 测量温度下的有源电阻 ；

  • - 电阻的温度系数。铜的数值为 3.93e-3 1/K。

永磁磁通温度系数 - 永磁磁通温度系数
-0.001 1/K （默认值）。

永磁磁通密度与温度的偏导数。用于在温度升高时线性降低扭矩和感应 EMF。

测量温度 - 测量温度
298.15（默认值）。

提供电机参数的温度。

热端口

这些参数仅适用于热端口开放的设备。

每个定子绕组的热质量 - 每个定子绕组的热容量
100 J/K（默认值）`。

每个定子绕组的热容量值。热容量是温度升高一度所需的能量。

转子热质量 - 转子热容量
200J/K（默认值）。

转子热容量。热容量是温度升高一度所需的能量。

参考文献

[1] Kundur, P. Power System Stability and Control.New York, NY: McGraw Hill, 1993.

[2] Anderson, P. M. Analysis__of_Faulted Power Systems.Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 1995.

[3] Mellor, P. H., R. Wrobel, and D. Holliday."无刷交流电机计算效率高的铁损模型，可满足额定磁通和磁场削弱操作"。IEEE Electric Machines and Drives Conference.2009 年 5 月。