彭 莲, 王鑫磊

应用研究

阻尼绕组对永磁同步电机运行性能影响的研究

彭 莲, 王鑫磊

（武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084）

舰用永磁同步电机转子上加装阻尼绕组能使电机具备自启动能力，提高电机在负载变化和受到扰动时的稳定性，提升系统的适应性和生命力。带阻尼绕组的永磁同步电机模型更为复杂，传统的矢量控制方法在电机调速时无法对其电流实现解耦控制。本文结合矢量控制方法，分析了阻尼绕组对永磁同步电机在调速过程中的影响，搭建了id=0矢量控制下带阻尼绕组永磁同步电机和普通永磁同步电机调速系统的Simulink仿真模型，进行对比研究，结果表明阻尼绕组能加速永磁同步电机调速，减小调速过程中转速和转矩的震荡。

阻尼绕组 永磁同步电机 矢量控制

0 引言

舰用永磁电机为了减小输出转矩脉动、提高电机适应力，通常会在转子上加装阻尼绕组。

在直接由三相正弦电网供电的同步电动机中,阻尼绕组的主要作用有产生异步起动转矩、消弱非对称运行而引起的谐波电流、衰减转子的自由振荡。在早期的同步电机中得到了广泛应用。随着变频器的普及，阻尼绕组在变频调速的同步电机中的作用和必要性也成为学者和电气工程师关注的焦点。

文献[3][4]分别研究采用电流型和电压型变频调速装置供电时阻尼绕组对系统的动态和静态性能的影响，指出在电流型变频调速系统中，阻尼绕组对系统的动态特性无实质性影响。在电压型变频调速系统中，阻尼绕组的作用主要体现在对系统动态特性的改善，特别是当系统中采用定子绕组磁通控制方式时，阻尼绕组的存在加快了定子电流的响应速度，同时弥补了励磁绕组时间常数大，难以瞬时补偿电枢反应的缺点。但这是以控制系统能精确估测定子磁通为前提的。而阻尼绕组的存在使精确估测磁通变得困难。因此只有当希望获得十分好的转矩响应特性时才有必要考虑设置阻尼绕组。而这时必须适当设计磁通控制器以保证有效利用阻尼绕组带来的对动态特性的改善。国外学者Hussels P. 认为阻尼绕组在电机动态过程中能起到保持气隙磁链不变的作用[5]。文献[6]研究磁场定向控制的交一交变频同步电机阻尼绕组的作用，认为交一交变频器的输出电压有谐波，在稳态情况下交一交变频同步电机的阻尼绕组中就有感应电流，会引起转矩脉动和谐波损耗。对于用在轧钢厂的交一交变频同步电机来说，装设阻尼绕组，特别是q轴阻尼绕组，是十分必要的[6]。文献[7]对电励磁同步电机转子阻尼绕组对电机的动态行为影响进行研究，推导并分析了电励磁同步电机中电磁转矩与转矩角关系式，结合仿真结果，指出在主转矩角为零点附近主转矩与主转矩角的变化趋势始终一致；交轴阻尼绕组能有效地抑制动态中转矩及转速振荡幅度；直轴阻尼绕组对改善系统动态性能不明显，且该绕组的存在易引起系统的不稳定。从改善系统的动态特性出发，转子上不宜设置直轴阻尼绕组[7]。

目前关于阻尼绕组对同步电机的影响的研究多集中在负载变化时的稳定性。

对带阻尼绕组永磁同步电机（line start permanent magnet synchronous machine，LSPMSM）进行调速时通常采用普通永磁同步电机（permanent magnet synchronous machine，PMSM）的控制方法。但对阻尼绕组在PMSM矢量控制下的运行性能的影响，以及现有的矢量控制方法对LSPMSM的适用性等问题，目前还缺少详细、完备的理论分析。

1 带阻尼绕组永磁同步电机模型与分析

1.1 带阻尼绕组永磁同步电机模型

无阻尼绕组的永磁同步电机模型（permanent magnet synchronous machine，PMSM）比较普遍[8]，在采用id=0的矢量控制方法时，电机电磁转矩与交轴电流成正比，能通过对定子电流完全控制来调节电磁转矩和转速[9]。

带阻尼绕组的永磁同步电机（LSPMSM，line start permanent magnet synchronous machine）启动和调速过程中，定子电流和转子阻尼绕组电流互感，转子运行不仅受到永磁体转矩和异步转矩同时作用[9]，模型更加复杂[10～12]。

目前常用的带阻尼绕组的永磁同步电机电压模型为：

带阻尼绕组的永磁同步电机磁链模型：

电磁转矩：

运动平衡方程:

其中：u、u为定子电压在、轴上的分量；为转子旋转电角速度；、为定子磁链在、轴上的分量；L、L为定子绕组在、轴上的电感；i、i为定子绕组直轴和交轴电流；为永磁体产生的磁链，T为负载转矩；W为电机机械角速度；W为电机阻尼系数；为转动惯量。L、L为定转子之间直、交轴互感；2d、2q为转子直、交轴自感；2d、2q为转子直、交轴绕组电阻；2d、2q为转子直、交轴磁链；2d、2q为转子直、交轴电流。

1.2 矢量控制下阻尼绕组影响的分析

对于普通PMSM，采用i=0矢量控制调速的实质是，根据i、i与各自参考值i*、i*的偏差量调节输出电压，保证i、i在各自参考值上下来回波动，由于调节速度很快，波动量很小，i可看作零。

实现解耦控制后转矩方程可简化为式（5）：

对于LSPMSM，根据i、i与i*、i*的偏差调节输出电压，结合式（1）可知电压u、u的变化不仅会导致i、i，的变化，还会导致2d、2q的变化，而2d、2q无法检测，2d、2q的变化在i、i上产生的影响不可控，导致无法将i、i控制在i*、i*附近。所以采用传统i=0矢量控制对LSPMSM调速时，无法保证i=0，转矩方程不可简化，为式（6）：

从公式（6）反应出，LSPMSM转矩包含永磁转矩和感应转矩，有阻尼绕组作用时采用传统的矢量控制方法，无法实现对因为定转子之间感应产生的转矩实现有效控制。

假设开关器件为理想器件，忽略电力电子器件以及电机本体导致的电机电流上的5、7、11、13次谐波。当LSPMSM处于稳态运行时，i、i与i*、i*的偏差为零，u、u不变，由式（1）可知此时i、i保持不变，且2d、2q均为零，阻尼绕组对电机运行不产生影响。

2 带阻尼绕组永磁同步电机仿真模型

Simulink没有自带的带阻尼绕组永磁同步电机模型，需要自建模型。根据原有的带阻尼绕组的永磁同步电机数学模型进行推导与化简，可得到：

其中：

根据式（9）、（10）搭建带阻尼绕组永磁同步电机的ui模块如图1所示：

图1 LSPMSM的udqidq模块

根据公式（8）、（9）可搭建带阻尼绕组永磁同步电机的i2d2q模块如图2所示；

图2 LSPMSM的idqi2d2q模块

根据LSPMSM电磁转矩公式（7）和转矩平衡公式（6）可以搭建LSPMSM的Simulink仿真模块如图3所示；

图3 LSPMSM仿真模块

3 阻尼绕组对电机运行性能影响的仿真分析

假设开关器件为理想器件，忽略电力电子器件以及电机本体导致的电机电流上的5、7、11、13次谐波。为了研究阻尼绕组对永磁同步电机运行性能的影响，在i=0量控制下带阻尼绕组和去掉阻尼绕组后永磁同步电机的运行性能进行对比研究，带阻尼绕组的永磁同步电机参数，不带阻尼绕组的普通永磁同步电机除没有阻尼绕组外其它参数均为表1所示。

相同控制参数下，电机初速为0，给定转速1000 r/min带50 Nm 负载启动，运行稳定后在0.6秒给定转速增加到1500 r/min。电机1有阻尼绕组（LSPMSM）和去电阻尼绕组（PMSM）运行对比图如图4。

表1 带阻尼绕组永磁同步电机参数

图4 50 Nm负载下，PMSM与LSPMSM增速矢量控制效果对比图

从图4（a）、（b）可以看出，在相同控制方法和参数下，带阻尼绕组永磁同步电机转矩响应和调速快，超调量小，进入稳态更快。

而从图4（d）可以看出，普通永磁同步电机在采用i=0矢量控制方法时，增速过程中轴电流i能控制为0，而带阻尼绕组永磁同步电机采用同样方法控制时，由于只对i进行控制，对转子上阻尼绕组电流2d无法控制，2d会影响i，导致i≠0。

由图4（d）、（e）可知，在带有阻尼绕组的永磁同步电机增速过程中，i为负，i为正，2d为正，2q为负，结合公式（6），此时(L-L) ii、i、L2di为正值，L2qi为负，i、i、2d、2q均产生正向转矩。阻尼绕组在LSPMSM增速时能促进电机转速增加到指定转速。

采用i=0矢量控制方法，在增速过程中i为负，起到产生正向转矩作用，LAPMSM在增速过程中的相电流要大于PMSM的相电流。达到稳态后LSPMSM转子阻尼绕组电流2d、2q均为0，LSPMSM与PMSM的定子直、交轴电流及相电流、转速均相同，说明达到稳态后阻尼绕组不会对电机运行产生影响。

相同矢量控制参数下，对PMSM和LSPMSM减速过程进行仿真。电机初速为1 500 r/min，负载50 Nm，在t=2.5s时将制定转速设为1 000 r/min。带阻尼绕组电机和普通永磁同步电机相关波形如图5：

图5 50 Nm负载下，PMSM与LSPMSM减速矢量控制效果对比图

从图5（a）、（b）可以看出，在相同控制方法和参数下，LSPMSM转速由1 500 r/min降到1 000 r/min并进入稳态相比PMSM更快，转速和转矩波动更小。而从图5（c）可以看出，采用id=0矢量控制方法控制电机减速时，LSPMSM直轴电流同样无法控制为零。结合图3（c）、（d）可知，在带有阻尼绕组的永磁同步电机减速过程中，i为正，i为负，2d为负，2q为正，结合公式（6），此时(L-L) ii、i、L2di为负值，L2qi为正，i、i、2d、2q均产生负向转矩。阻尼绕组在LSPMSM减速时能促进电机转速减到指定转速。

综合图4和图5可知，现有的矢量控制方法无法对LSPMSM定子电流实施精准控制，但能实现对转速的精准调节。现有的矢量控制方法对于带阻尼绕组的永磁同步电机仍然适用。

4 结论

本文分析了矢量控制下阻尼绕组对永磁同步电机运行性能的影响，建立了带阻尼绕组永磁同步电机的Simulink仿真模型，进行LSPMSM与PMSM在i=0控制方法下的对比仿真，得到了如下结论：

1）建立的模型有效，对阻尼绕组对永磁同步电机运行影响的理论分析正确；

2）现有的矢量控制方法没有考虑阻尼绕组的影响，但对于带阻尼绕组的永磁同步电机仍然适用；

3）阻尼绕组产生的感应转矩能促进电机调速，调速过程超调量小，进入稳态快，但调速时电流相对较大。

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Study on the influence of damper winding on the running performance of permanent magnet synchronous motor

Peng Lian, Wang Xinlei

（Wuhan marine machinery plant CO.,LTD., Wuhan 430084, China）

TM341

A

1003-4862（2022）11-0044-05

2022-03-25

彭莲（1987-），女，工程师，研究方向：船用电气技术。E-mail：penglian99@163.com