一種用于直流幅壓供電的多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制策略研究

王鐵軍 饒 翔 姜小弋 吳旭升

海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033

一種用于直流幅壓供電的多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制策略研究

王鐵軍 饒 翔 姜小弋 吳旭升

海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033

針對(duì)潛艇直流供電系統(tǒng)中換向器幅壓直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和維護(hù)中存在的問題，提出了一體化多相逆變器—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)替代方案。該方案在利用多相結(jié)構(gòu)抑制諧波的同時(shí)，能夠減少裝備體積，并提高可靠性。為了解決蓄電池供電時(shí)直流電壓幅值變化的問題，引入了特定諧波消除PWM技術(shù)對(duì)逆變器的輸出進(jìn)行恒壓控制。以雙Y移30°感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和逆變器為對(duì)象，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和仿真分析。結(jié)果表明，該方案在起動(dòng)、恒壓、抑制脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面擁有較好的效果，適用于對(duì)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性有較高要求，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的各類潛艇輔機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；直流供電；特定諧波消除；潛艇

1 引言

所謂幅壓是指為蓄電池組供電的潛艇電力系統(tǒng)電壓。蓄電池組在充/放電周期中供給負(fù)載的電壓變化幅度較大［1］，例如，可以在 180～330 V 之間大范圍變化。目前，潛艇電氣設(shè)備中應(yīng)用了大量直流幅壓電動(dòng)機(jī)。除了換向器引起的常見問題外，該類電機(jī)體積大，起動(dòng)設(shè)備笨重。在電壓大幅度變化時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯，影響設(shè)備運(yùn)行。目前，多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高，可靠性好的特點(diǎn)，尤其能抑制產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的電磁脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩［2-6］。為此，可以將一體化的多相逆變器—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以拖動(dòng)潛艇中的各類輔機(jī)設(shè)備［7］。針對(duì)該系統(tǒng)，本文將研究一種能夠根據(jù)幅壓變化來自動(dòng)改變開關(guān)角的方法，以消除幅壓對(duì)多相電機(jī)的影響。同時(shí)，結(jié)合仿真技術(shù)，對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2 多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒壓控制原理

圖1為雙Y移30°感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其供電逆變器的主電路圖。在Vd穩(wěn)定于額定值時(shí)，若主開關(guān)采用180°方波信號(hào)控制，多相感應(yīng)電機(jī)可獲得良好的特性。但在直流幅壓供電條件下，當(dāng)直流電網(wǎng)電壓升高時(shí)，逆變器輸出電壓也會(huì)升高，從而引起電機(jī)磁路飽和，并影響運(yùn)行性能。因此，需對(duì)逆變器輸出電壓進(jìn)行恒壓控制。

圖1 多相逆變器—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主電路Fig.1 C ircuit d iagram ofmulti-phase induction motor and inverter

根據(jù)特定諧波消除PWM原理，在方波信號(hào)中，加入幾個(gè)開關(guān)動(dòng)作，可以大大削弱某些次特定諧波［8-10］，如 5、7 次諧波，從而使得輸出波形接近正弦波，圖2為輸出電壓在半個(gè)周期內(nèi)的波形。

圖2 特定諧波消除PWM原理圖Fig.2 Principle of special harmonics elimination PWM

當(dāng)輸出電壓νao為半對(duì)稱波形時(shí)，其Fourier表達(dá)式為：

式（2）中包含K個(gè)角度變量，因此，可以構(gòu)成K維方程組。 可用 K 個(gè)角度變量 α1，α2，…，αK，從而消除K-1個(gè)諧波，同時(shí)對(duì)基波的幅值加以控制，由此從理論上證明了消除任意次諧波的可能性。特定諧波消除PWM方法具有以下特點(diǎn)：

1）與SPWM相比，顯著減少了開關(guān)頻率，從而也降低了開關(guān)損耗；

2）直流側(cè)的電壓利用率高；

3）可以主動(dòng)消除某些特殊頻率的諧波；

4）通過開關(guān)角控制輸出電壓的幅值。

在研究的多相電動(dòng)機(jī)及其逆變系統(tǒng)中，由于多相結(jié)構(gòu)的電磁特點(diǎn)，使得逆變器輸出的主要諧波不再產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，本文主要運(yùn)用SHE PWM對(duì)基波的調(diào)幅原理，對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行了恒壓控制。而當(dāng)僅對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制時(shí)，根據(jù)式（2），只需1個(gè)開關(guān)角。此時(shí)，輸出電壓相對(duì)值M 與開關(guān)角α1的關(guān)系為：M=1-2cosα1，如圖 3 所示。以開關(guān)角為縱軸，電壓幅值為橫軸，以α1=π／2為對(duì)稱軸作對(duì)稱延拓，再以π為周期對(duì)（0～π）內(nèi)的函數(shù)作無(wú)限的周期延拓，從而得到圖4所示的信號(hào)波形。再用一個(gè)直流信號(hào)U g去調(diào)制，就得到了圖中的基波幅值可變的PWM控制脈沖波形。

圖3 開關(guān)角與調(diào)制電壓關(guān)系Fig.3 Relation between switch angle andm o d ul ating voltage

圖4 控制基波幅值的PWM脈沖波形生成原理Fig.4 Generation of pulses for controlling fundamentalmagnitude

3 仿真分析

本文在Matlab環(huán)境中搭建了雙Y移30°感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其幅壓供電逆變仿真系統(tǒng)，并對(duì)以上提出特定諧波消除PWM控制方法進(jìn)行了仿真，系統(tǒng)原理如圖5所示。針對(duì)潛艇全速航行工況時(shí)電網(wǎng)電壓迅速下降的情況，設(shè)定運(yùn)行過程如下：蓄電池電壓在1 s時(shí)，從330 V開始以0.2 V／s的速度下降。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)在0.6倍的額定電壓下空載起動(dòng)，1 s后帶上負(fù)載，第3 s時(shí)進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)，15 min（900 s）后，蓄電池電壓降到 180 V，圖6為主要仿真結(jié)果。

圖5 多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle diagram ofmulti－phase inductionmotor driving system

圖6 幅壓供電時(shí)系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of the proposed system supplied bymagnitude voltage source

圖6a模擬了上述情況蓄電池的電壓變化。圖6b為多相電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，由于電機(jī)采用了雙Y移30°的多相結(jié)構(gòu)，在方波逆變供電條件下的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩比普通三相感應(yīng)電機(jī)得到了明顯的改善。圖6c為電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化波形，由于采用了特定諧波消除PWM恒壓控制策略，并結(jié)合PI閉環(huán)控制，使當(dāng)蓄電池供電電壓明顯變化時(shí)，電機(jī)具有非常好的穩(wěn)速性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來直流幅壓供電系統(tǒng)中，將逐漸淘汰傳統(tǒng)換向器的直流電動(dòng)機(jī)，一體化的多相逆變器—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)則是非常好的替代方案。本文針對(duì)蓄電池幅壓供電電壓變化的問題，提出了基于特定諧波消除PWM技術(shù)對(duì)逆變器進(jìn)行恒壓控制的方案。分析表明，該方案在起動(dòng)、恒壓、抑制脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面擁有較好的效果，尤其適合對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的風(fēng)、泵類負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，其控制系統(tǒng)也非常簡(jiǎn)單。

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Control Strategy Study on M ulti-Phase Induction Motor for one DC Amp litude-Voltage Power System

Wang Tie－jun Rao Xiang Jiang Xiao－yi Wu Xu－sheng
College of Electric and Information Engineering， Naval Univ ersity of Engineering， Wuhan 430033， China

For t he traditional DC motor with commutator in submarines＇DC power supply system have obvious disadvantages in operation andmaintenance，an alternative scheme was proposed which applying integrated multi-phase inverter and induction motor.The scheme is not only able to eliminate harmonics in motor bymulti-phase principle， but also saves the volume of equipment and improve s the reliability.Focusing on the voltage adverse influence on the driving system of the batteries，the Special Harmonics Elimination （SHE） PWM technique was introduced to stabilize the output voltage.A numericalmodel of dual Y shifted 30°induction motor with inverter was built up.The analysis results show that the starting process， voltage stabilization and pulsing torque were improved dramatically.This control strategy is suitable for a variety of auxiliarymechanical driving deviceswhich focused on high reliability and stability in submarine.

multi-phase induction motor； DC power supply system； special harmonic s elimination；submarine

U664.14

A

1673-3185（2011）06-75-03

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.015

2011-06-29

王鐵軍（1965-），男，博士，副教授。研究方向：電機(jī)教學(xué)和多相電機(jī)。E-mail：wtjtt＠163.com

饒 翔（1971-），男，博士，講師。研究方向：電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和船用電氣設(shè)備。E-mail：raoxiang1971＠sina.com

王鐵軍。