感 應 馬 達 運 用 控 制 模 擬 器 和 JMAG-RT 的 線 啟 動 模 擬

感 應 馬 達 運 用 控 制 模 擬 器 和 JMAG-RT 的 線 啟 動 模 擬
原 著 :
JSOL Co., Ltd.
編 譯 : 勢 流 科 技 陳 桂 村
摘 要
馬 達 開 發 製 作 過 程 中 的 協 同 設 計 是 不 易 達 成 的 , 其 中 最 大 的 挑 戰 則 是 在 研 發 之 初 即 須 以
高 度 精 確 的 模 擬 來 定 義 設 計 , 使 得 馬 達 與 控 制 設 計 能 夠 協 調 , 進 而 獲 知 馬 達 的 電 流 需 求 。
藉 由 JMAG-RT 來 與 電 路 控 制 模 擬 器 連 結 , 即 能 夠 同 時 涵 蓋 馬 達 非 線 性 特 質 以 及 其 相 關
控 制 特 性 的 模 擬 。 本 範 例 內 容 係 使 用 JMAG-RT 系 統 與 一 個 電 路 控 制 模 擬 器 , 呈 現 一 款
感 應 馬 達 線 啟 動 的 分 析 。
( 一 ) 馬 達 的 規 格
用 於 本 範 例 中 之 三 相 繞 組 感 應 馬 達 的 規 格 如 下 所 列 :
Fig. 1
三 相 繞 組 感 應 馬 達 外 觀
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定 子 鐵 心
轉 子 鐵 心
鼠 籠
線 圈
電 源 供 應
Table 1
馬 達 規 格
極 數 4
外 觀 尺 寸
外 直 徑 :120 [mm], 內 直 徑 :70 [mm],
積 厚 :42 [mm]
槽 數 24
外 觀 尺 寸
外 直 徑 :69.4 [mm], 積 厚 :42 [mm]
槽 數 34
端 環 截 面 積 17.8 [mm 2 ]
端 環 圓 周 長 度
190.1 [mm]
匝 數 66 [ 匝 / 相 / 極 ]
槽 連 接
串 聯
電 阻 2.92 [Ω/ 相 ]
連 接 樣 式
Y- 接
繞 組 分 佈 繞 , 參 Fig. 2
激 磁
頻 率
電 壓
三 相 交 流
50 [Hz]
100 [V/rms]
負 荷 轉 矩 參 Fig. 3
慣 性 矩 1.5 × 10 3 [Kg-m 2 ]
Table 2 材 料 性 質
零 件 磁 化 性 質 導 電 性 質 其 他
定 子 鐵 心
相 對 導 磁 率 :
JFE Steel: 50JN1300
-- 疊 片 系 數 :98%
轉 子 鐵 心
相 對 導 磁 率 :
JFE Steel: 50JN1300
-- 疊 片 系 數 :98%
定 子 線 圈 相 對 導 磁 率 :1 -- --
鼠 籠 相 對 導 磁 率 :1
導 電 率 :
2.9841× 10 7 [S/m]
--
軸 桿
相 對 導 磁 率 :
參 Fig. 4
-- --
[ 註 :] “--” 表 示 相 關 材 料 的 性 質 並 未 參 與 分 析 運 用
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Fig. 2 線 圈 分 佈 繞 組 配 置
3.0
2.5
2.0
轉 矩 (Nm)
1.5
1.0
0.5
0.0
0 300 600 900 1200 1500
速 度 (rpm)
Fig. 3
負 載 轉 矩
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Fig. 4
軸 桿 材 料 的 B-H 曲 線
( 二 ) 分 析 結 果
依 前 述 資 料 完 成 分 析 之 後 , 將 可 獲 致 三 相 感 應 馬 達 轉 速 的 波 形 、 轉 矩 的 波 形 以 及 電 流 的
波 形 。
A. 轉 速 的 波 形
Fig. 5 展 示 感 應 馬 達 運 轉 過 程 的 轉 速 波 形 。 其 中 , 啟 動 時 的 加 速 度 陡 然 增 強 ; 當 馬 達 趨
於 穩 定 狀 態 , 加 速 度 即 逐 漸 減 小 。
1400
1200
1000
轉 速 (RPM)
800
600
400
200
0
200
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時 間 ( 秒 )
Fig. 5 轉 速 的 波 形
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B. 轉 矩 的 波 形
Fig. 6 顯 示 感 應 馬 達 運 轉 過 程 的 驅 動 轉 矩 和 負 載 轉 矩 。 其 中 , 啟 動 時 發 生 一 個 極 強 大 的
驅 動 轉 矩 ; 並 在 負 載 轉 矩 平 衡 作 用 下 趨 緩 而 達 於 穩 定 狀 態 。
3.0
驅 動 轉 矩
負 荷 轉 矩
2.0
轉 矩 (N-m)
1.0
0.0
1.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時 間 ( 秒 )
Fig. 6 轉 矩 的 波 形
C. 電 流 的 波 形
Fig. 7 顯 示 感 應 馬 達 線 啟 動 開 始 之 際 的 定 子 線 圈 的 電 流 波 形 。 同 樣 地 , 啟 動 時 發 生 一 個
極 大 的 電 流 ; 這 是 由 於 線 啟 動 開 始 時 的 反 電 動 勢 較 小 , 使 得 大 部 份 的 供 應 電 壓 都 施 加 在
定 子 線 圈 。 此 外 , 達 到 穩 定 狀 態 後 , 三 相 交 流 電 流 的 幅 值 維 持 在 5 [A] 以 內 。
10
U- 相 V- 相 W- 相
8
6
4
電 流 (A)
2
0
2
4
6
8
10
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
時 間 ( 秒 )
Fig. 7 電 流 的 波 形
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( 三 ) 分 析 步 驟
JMAG-RT 系 統 係 基 於 做 為 暫 態 響 應 電 磁 分 析 的 輸 入 FEM 模 型 並 且 計 算 其 相 關 特 性 而
獲 致 一 個 JMAG-RT 模 型 。 本 範 例 採 取 JMAG-RT 系 統 所 產 生 的 馬 達 數 學 模 型 即 已 包 含
材 料 、 幾 何 等 非 線 性 的 特 性 , 並 使 之 置 於 一 個 電 路 控 制 模 擬 器 中 以 進 行 感 應 馬 達 線 啟 動
的 模 擬 。 相 關 分 析 步 驟 如 下 :
STEP1: 建 構 一 個 有 限 元 素 (FEM) 模 型
STEP2: 運 用 JMAG-RT 系 統 產 一 個 JMAG-RT 馬 達 模 型
STEP3: 將 JMAG-RT 模 型 載 入 電 路 控 制 模 擬 器 , 執 行 電 路 模 擬
STEP4: 評 析 結 果
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附 件 :
附 件 一 :FEM 網 格 模 型
Fig. A-1 馬 達 的 網 格 模 型
( 左 : 包 含 空 氣 的 網 格 模 型 ; 右 : 未 包 含 空 氣 的 網 格 模 型 )
附 件 二 :MATLAB/Simulink 電 路 模 型
Fig. A-2
MATLAB/Simulink 電 路 模 型
參 考 文 獻
[1] JSOL Co., Ltd. Engineering Technology Division, “Line Start Simulation of An
Induction Machine Using a Control Simulator and the JMAG-RT System”,
JMAG Application Catalog JAC-166, 2011.
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