空调系统永磁同步电机运转特性研究.pdf

第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G1 2-1 7技术研究本栏目投稿邮箱:z l d t c h i n a j o u r n a l.n e t.c n*基金项目:山东省自然科学基金(Z R 2 0 2 1 Q E 1 5 7)收稿日期:2 0 2 2-0 3-1 7,修回日期:2 0 2 2-0 4-1 2作者简介:宋守杰,主要从事空调系统优化控制等方面的研究。通信作者:宋永兴,硕士生导师,主要从事流体机械振动与噪声等方面的研究。空调系统永磁同步电机运转特性研究*宋守杰 刘娜 刘正杨 宋永兴 张林华(山东建筑大学)摘 要 针对压缩机内永磁同步电机在运行过程中存在的扭矩脉动现象,通过电机多工况性能试验,得到不同工况下扭矩-时间、转速-时间和功率-时间的变化曲线。通过试验方法,探究永磁同步电机启动特性,运行过程中扭矩脉动对转速和功率的影响,以及理论功率与实际功率的偏差。永磁同步电机在03s内,转速、功率和扭矩保持不变;31 0s内,转速迅速平缓上升,而扭矩和功率呈现波动升高的趋势;1 0s后转速在31 0 0r/m i n上下波动,扭矩在恒定扭矩上下波动,功率呈现波动状态。结果表明:在电机正常运转前期,即01 0s期间,功率的变化与转速和扭矩共同决定;在1 0s之后,功率的变化主要由扭矩决定,并且外部负载因素的影响较大。关键词 永磁同步电机;压缩机;启动特性R e s e a r c ho no p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r i na i r-c o n d i t i o n i n gs y s t e mS o n gS h o u j i e L i uN a L i uZ h e n g y a n g S o n gY o n g x i n g Z h a n gL i n h u a(S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y)A B S T R A C T I nv i e wo ft h et o r q u ep u l s a t i o np h e n o m e n o nt h a te x i s t si nt h ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r(PM S M)i nt h ec o m p r e s s o r,t h e t o r q u e-t i m e,s p e e d-t i m ea n dp o w e r-t i m ev a r i a t i o nc u r v e su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h em u l t i-w o r k i n gc o n d i t i o np e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t.T h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d,t h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fPM S M,t h ei n f l u e n c eo ft o r q u ep u l s a t i o no ns p e e da n dp o w e rd u r i n go p e r a t i o n,a n dt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h e o r e t i c a lp o w e ra n da c t u a lp o w e ra r ee x-p l o r e d.T h es p e e d,p o w e ra n dt o r q u eo fPM S M r e m a i nu n c h a n g e d w i t h i n0t o3s e c-o n d s.W i t h i n3t o1 0s e c o n d s,t h es p e e dr i s e s r a p i d l ya n ds m o o t h l y,w h i l e t h e t o r q u ea n dp o w e rs h o wa t r e n do f f l u c t u a t i o na n d i n c r e a s e.A f t e r1 0s e c o n d s,t h es p e e df l u c t u a t e sa-r o u n d31 0 0r/m i n,t h e t o r q u e f l u c t u a t e su pa n dd o w n t h e c o n s t a n t t o r q u e,a n d t h ep o w e rf l u c t u a t e s.T h er e s u l t ss h o wt h a t i nt h ee a r l ys t a g eo f t h en o r m a l o p e r a t i o no f t h em o t o r,t h a t i s,d u r i n g t h ep e r i o do f 0t o1 0s e c o n d s,t h e c h a n g eo f p o w e r i s j o i n t l yd e t e r m i n e db yt h es p e e da n dt o r q u e;a f t e r1 0s e c o n d s,t h ec h a n g eo fp o w e r i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h et o r q u e,a n dt h e i n f l u e n c eo f e x t e r n a l l o a df a c t o r s i sg r e a t e r.K E Y WO R D S PM S M;c o m p r e s s o r;s t a r t-u pc h a r a c t e r i s t i c s 电机是空调系统中能耗及噪声的主要来源。相较于传统异步电机,永磁同步电机凭借其体积小、稳定性好、功率因数高等优点,在空调系统中作为变频压缩机的核心驱动机构得到广泛的应 第9期宋守杰 等:空调系统永磁同步电机运转特性研究1 3 用1-2。随着异步电机的关键技术固化,且对于噪声指标要求的不断提高,永磁同步电机的应用将成为空调系统优化的新趋势3。基于电枢绕组发热现象,王立坤等4针对压缩机用水冷永磁同步电机,进行了流固耦合数值模拟分析,得到了永磁电机内部流场及温度场的分布规律。然而,存在于压缩机中的振动和噪声问题,主要取决于电机的传动结构。在压缩机的运行过程中,电机扭矩具有脉动性,会随着电机转子角度的变化而波动,进而影响压缩机动盘运行的稳定性。因此在压缩机设计和运行中,确保动盘的稳定运转是保证空调系统平稳运行的关键。针对电机运行过程的转矩脉动特性,国内外学者进行了广泛的研究:丁佐蓬5在高扭矩密度永磁同步电机的设计过程中,研究了电磁转矩各部分对平均转矩和转矩波动的影响;基于转矩脉动、振动以及噪声的关系,S UME GA等6对电机驱动中的转矩脉动源进行了分析,并对启动过程中由转矩脉动产生噪声进行了评估;B A E K等7提出了一种永磁同步压缩机的优化方案,并通过试验方法,对比了优化前后的齿槽转矩脉动、输出功率、转速等运转特性,对电机各运转特性参数进行了系统的分析。但以上对于永磁同步电机的运转特性分析主要针对于齿槽转矩,缺少对于不同负载工况下的转矩特性研究。文章在上述研究基础之上,以一台2.2kW的永磁同步电机为例,通过试验方法,测试不同负载下启动及运行过程中扭矩、转速及功率的变化,探究扭矩脉动对转速和功率的影响,为优化压缩机用永磁电机传动结构,提高其运转稳定性及减振降噪提供参考。1 试验系统为研究转速、扭矩和功率三者之间的关系,判别电机在运行过程中存在的转矩脉动对电机输出的稳定性的影响,试验设计了永磁同步电机多工况性能测试平台(图1)。试验装置由变压器、永磁同步电机、变频器、扭矩转速传感器、动扭矩测控仪、磁粉离合器、电源和张力控制器组成。变压器用于调控永磁同步电机的输入电压,在该试验系统中主要是用于验证永磁同步电机在启动过程中的运行特性。变频器用于调控永磁同步电机转速。在该试验系统中,变频器主要用于调节电机的转速实现电机的多工况控制。显示器与扭矩转速传感器配合使用,可以输出扭矩转速传感器所测量的扭矩、转速和功率的数值。磁粉离合器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的元件。激磁电流和传递转矩基本成线性关系,具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪声、无冲击振动节约能源等优点。在该试验系统中,磁粉离合器为一个恒转矩负载。张力控制器是由单片机或者一些嵌入式器件及外围电路开发而成的系统,与磁粉离合器配对使用。在该试验系统中,张力控制器和磁粉离合器共同作为一个可调节的恒功率输出的负载,主要是用张力控制器调节磁粉离合器使磁粉离合器处于不同的输出功率下,可以使用一种仪器代替多个负载,避免了替换负载所带来的困扰。图1 试验装置及连线图永磁同步电机为该试验系统的研究对象,该试验系统中永磁同步电机的具体参数见表1。表1 永磁同步电机参数表参数数值额定功率/k W2.2额定电压/V3 8 0转数/(r/m i n)30 0 0极数82 试验原理2.1 转速、扭矩和功率变化电机在运转过程中,力矩输出信号随时间不 1 4 第2 3卷 断变化,且围绕某一值上下波动的现象称为转矩脉动。电机的转矩脉动过大时,会造成速度及功率的波动增大,从而影响电机运行的稳定性。因此保持转矩脉动在极小的范围内,对电机运行的稳定性具有重要意义。在本研究中利用永磁同步电机性能试验台,在保持供给电源恒定不变下,分别测量在不同输出负载工况下的转速,扭矩和功率。分析数据,从而得出结论。2.2 理论功率与实际功率在物理学中存在扭矩、转速和功率的三者关系的公式,即:P=Tn95 5 0(1)式(1)中:P为功率(W);T为扭矩(Nm);n为转速(r/m i n)。观察使用式(1)所得出的理论功率与实际功率的误差值,确 认 该 公 式 在 该 试 验 系 统 中 的 适用性。3 试验结果3.1 转速随时间的变化不同负载工况下的转速变化曲线如图2所示,其中负载值对应张力控制器的功率,其恒定功率可控制磁粉离合器维持恒定转矩。当负载为0 W时,转速上升阶段与负载工况下相同,在1 2s和2 0s时刻,电机转速均出现峰值,分别为32 3 1r/m i n和33 2 3r/m i n。2 5s后电机转速趋于稳定。当负载 为4.8 W、9.6 W、1 4.4 W、1 9.2 W、2 4W和2 8.8 W时,03s转速为0,表明该款电机的启动时间为3s;31 0s转子被定子绕组产生的旋转磁场带动,转速迅速增加,并且未发生明显驼峰现象而达到稳定;稳定时转速大致为31 0 0r/m i n,上述负载工况达到稳定后均未出现明显的波动。图2 时间转速变化曲线3.2 扭矩随时间的变化不同负载工况下的扭矩变化曲线如图3所示。扭矩在03s保持与起始扭矩相同,基本无变化;35s由于转速迅速升高,扭矩发生波动,出现驼峰现象;对比不同负载工况下,1 52 0s的扭矩峰值发现,随着负载增大,扭矩峰值伴有逐渐减小的趋势;2 0s后转速趋于稳定,扭矩会围绕一个固定值上下波动。波动范围位于0.1 5Nm到0.2Nm之间。图3 时间扭矩变化曲线当负载为0W时,扭矩变化曲线见图4。扭矩在02 0s持续波动,共出现4次峰值,且幅值逐渐升高;第一次的峰值出现在第4s,为0.2 9Nm;第二次峰值出现在第8s,为0.4 5Nm;第三次峰值出现在第1 2s,为0.5 8Nm。在第2 0s的时候,达到了最大扭矩为0.7 7Nm。在2 0s后,扭矩突然下降,随后波动趋于稳定。由此可见,在负载为0W时,扭矩不断出现波动,当波的波峰达到最大值时,开始下降,随后趋于稳定的运行。图4 负载为0W时时间扭矩变化曲线当负载为4.8W,其扭矩变化曲线见图5。扭矩并未在35s达到峰值,而是继续上升;在第 第9期宋守杰 等:空调系统永磁同步电机运转特性研究1 5 6s达到峰值,之后下降达到稳定运行的状态。图5 负载为4.8W时时间扭矩变化曲线综上所述,可以看出不同负载下的扭矩波动较大,造成该种现象的原因有:1)电磁原因引起的转矩波动。定子线圈中的电流和转子永磁体之间相互作用所影响的,其与电流、电压和气隙磁密分布均匀度有关。2)齿槽转矩作为永磁同步电机的特性之一,会使电机转矩产生波动,从而引起转速波动,负载功率为0W时对电机的影响更明显。3)功率因数角对转矩的影响8。3.3 功率随时间的变化由图3和图6可以看出功率和扭矩的变化趋势相同。根据式(1)可知功率的变化与转速和扭矩有着密不可分的关系。由前文可知:转速及功率在0 3s均为0;扭矩在03s为0Nm或者为初始值;此时电机处于准备状态,还未开始运转。图6 不同张力控制器功率下的电机功率随时间的变化曲线由图3和图6可以看出功率和扭矩的变化趋势相同。根据式(1)可知功率的变化与转速和扭矩有着密不可分的关系。由前文可知:转速及功率在03s均为0;扭矩在03s为0Nm或者为初始值;此时电机处于准备状态,还未真正运转。扭矩在35s间处于迅速增加的状态,达到峰值后下降之后会出现波动;而转速相对扭矩存在一定的滞后性,在31 0s之间处于迅速增加的状态,因此功率在31 0s之间同样呈上升趋势,并伴有波动,符合之前的总结的规律。下面以负载处于0W为例具体分析:图7中,在31 0s之间,扭矩在第4s达到一个峰值为0.2 9Nm,在第6s达到一个低值为0.1 8Nm,在第8s达到一个峰值为0.4 5Nm,在第1 0s又降回低值为0.1 4Nm。功率在第4s的取值为0.2 2kW,在第6s的取值为0.3 0kW,在第8s的取值为1.4 1kW,在第1 0s的取值为0.4 5kW。在图7中可以看出在46s之间功率的变化较为平缓,而扭矩出现了峰值,并且在此过程中转速是迅速上升的,由此可以得出在此过程中扭矩和转速共同起作用决定着功率的变化,并且运行时间越长,定子转子实现同步旋转后,转速逐渐趋于稳定;转速在1 0s之后基本保持在31 0 0r/m i n左右波动,且波动幅度不大。因此在转子达到同步转速后,功率的波动主要受扭矩的波动所决定。图7 负载为0W时扭矩、功率时间变化曲线在前面的分析中提到,扭矩的波动与气隙磁 1 6 第2 3卷 密、齿槽转矩和电机本身的加工工艺有关,这也就说明电机的扭矩波动不可避免,仅能通过减少扭矩波动来降低对功率的影响,从而保证电机运行的稳定性。3.4 理论功率与实际功率对比对比图8、图9、图1 0可以得出:当负载处于0W时,由式(1)所得的理论功率与所测的实际功率曲线基本重合;而对于负载处于1 4.4 W和2 8.8 W时前1 0s的理论功率和实际基本重合,而对于1 0s之后出现明显的差别,具体差值见表2、表3。图8 负载为0W时理论、实际功率曲线图9 负载为1 4.4W时理论、实际功率曲线图1 0 负载为2 8.8W时理论、实际功率曲线表2 1 4.4W理论功率与实际功率差值时间/s功率差值/k W占实际功率比值/%时间/s功率差值/k W占实际功率比值/%1 00.0 2 67.7 82 2-0.0 5 0-0.4 91 20.0 0 40.8 12 4-0.0 4 0-0.4 21 40.0 3 88.8 22 6-0.0 4 0-0.7 61 60.0 2 74.4 62 80.1 1 31 1.2 31 8-0.1 3 2-2 7.4 03 00.0 3 34.5 92 0-0.0 8 8-1 3.2 0表3 2 8.8W理论功率与实际功率差值时间/s功率差值/k W占实际功率比值/%时间/s功率差值/k W占实际功率比值/%1 0-0.0 5 6-8.9 42 2-0.0 5 2-8.8 81 2-0.1 2 6-3 2.6 02 40.0 1 72.3 41 4-0.0 1 5-2.3 82 60.0 1 62.3 81 6-0.0 0 6-1.0 62 80.0 7 21 6.9 21 8-0.0 0 3-0.5 23 00.0 0 3-0.5 02 00.0 5 99.1 2在表2和表3中得知:理论功率与实际功率的差值最大达 到了3 2.6%,考虑由以下 几项因 素引起:1)随着负载的增加,电机内部参数发生微小变化,且试验设备连接过程中,无法达到连接轴的绝对同心,可能出现程度很小的偏心负载,造成扭矩波动变化,从而产生了实际功率与理论值的偏差。2)磁粉离合器设计存在偏差,对于可调负载控制精确度不高。在此变化中可以看出,理论功率只与转速和功率有关,但是实际功率在有载时,特别是达到稳定运行之后与理论功率存在偏差。因此可以得出在有载运行状态下,除转速及扭矩外,电机实际运行工况还受负载因素的影响。这种非平稳性会导致压缩机内振动及噪声水平的增强,从而降低整个空调系统的稳定性。4 结束语1)扭矩及转速的波动与电机本身的加工工艺有关,压缩机设计过程中,可通过对定子槽及永磁体的结构优化,来减少扭矩波动来降低转速及功率波动,从而保证压缩机动盘运转的稳定性。2)在电机启动至正常运转前,即转速上升阶段,功率的变化受转速和扭矩共同决定;转速达到稳定后,功率的变化主要由扭矩决定,并且与所受负载的影响较大。3)在空载情况下,理论功率与实际功率的差值较小;在负载情况下,在达到稳定运行之前,理 第9期宋守杰 等:空调系统永磁同步电机运转特性研究1 7 论功率和实际功率的差值不大,在达到稳定运行之后,实际功率与理论功率的差值较大。因此,作为永磁电机的核心负载,压缩机动盘的结构及回转稳定性优化同样为抑制其产生非平稳运行状态的关键。参 考 文 献1 杨建辉.新型氨用半封闭螺杆压缩机的研发与应用J.制冷与空调,2 0 1 7,1 7(0 5):1-4.2 何亚屏,胡家喜,文宇良,等.中央空调高速永磁直驱变频传动系统关键技术研究及应用J.制冷与空调,2 0 1 8,1 8(0 9):1-6+8 5.3 张海岩,段续皇,任晓平,等.电动汽车空调驱动系统的仿真研究J.电工技术,2 0 2 1(1):1 0-1 4+1 7.4 王立坤,李渊,陶大军,等.压缩机用水冷永磁同步电机转子旋态下流固耦合传热研究J.中国电机工程学报,2 0 2 1,4 1(2 2):7 8 3 0-7 8 4 1.5 丁佐蓬.电动汽车用高扭矩密度永磁电机的设计与分析D.南京理工大学,2 0 1 8.6 S UME G A M,Z O K,VA R E CHA P,e t a l.S o u r c e so f t o r q u er i p p l ea n dt h e i ri n f l u e n c ei nB L D Cm o t o rd r i v e sJ.T r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c hP r o c e d i a,2 0 1 9,4 0:5 1 9-5 2 6.7 B A E KS W,L E ES W.D e s i g no p t i m i z a t i o na n de x-p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o-n o u sm o t o ru s e d i ne l e c t r i c c o m p r e s s o r s i ne l e c t r i cv e-h i c l e sJ.A p p l i e dS c i e n c e s,2 0 2 0,1 0(9):3 2 3 5.8 何志敏.永磁同步电机开环控制问题研究D.浙江大学,2 0 1 9.(上接第6页)3 1 P R A S HE RR,S ON G D,WAN GJ,e ta l.M e a s u r e-m e n t so fn a n o f l u i dv i s c o s i t ya n di t si m p l i c a t i o n sf o rt h e r m a la p p l i c a t i o n sJ.A p p lP h y sL e t t,2 0 0 6,8 9(1 3):1 3 3 1 0 8.3 2 CHE N H,W I THA R ANAS,J I NY,e t a l.P r e d i c t i n gt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f l i q u i ds u s p e n s i o n so fn a n o p-a r t i c l e s(n a n o f l u i d s)b a s e do nr h e o l o g yJ.P a r t i c-u o l o g y,2 0 0 9,7(2):1 5 1-1 5 7.3 3 E L E NAVT,J U L E SLR,D I L E E PS.P a r t i c l e s h a p ee f f e c t s o n t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f a l u m i n an a n o f l u i d sJ.JA p p lP h y s,2 0 0 9,1 0 6(1):0 1 4 3 0 4.3 4 王学会.表面张力对脉动热管传热特性影响的理论与实验研究D.浙江大学,2 0 1 8.3 5 P.D.邓恩,D.A.雷伊.热管M.周 海 云,译.第2版.北京:国防工业出版社,1 9 8 2:2 2.3 6 席洋洋.氧化石墨烯-A l2O3杂化纳米流体的热物性及其相 变 特 性 研 究 D.郑 州:华 北 水 利 水 电 大学,2 0 1 9.