直接轉(zhuǎn)矩控制的無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)的異步啟動(dòng)

張愛(ài)玲， 許永順， 王昕

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030024)

0 引言

和雙饋電機(jī)(doubly fed induction machine，DFIM)相比，無(wú)刷雙饋電機(jī)(brushless doubly－fed machine，BDFM)由于無(wú)刷而受到人們的青睞。在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在風(fēng)力發(fā)電及大功率變速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域BDFM有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐漸顯現(xiàn)出取代DFIM的可能性［1－7］。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同BDFM可以分為無(wú)刷雙饋磁阻電機(jī)和無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)(brushless doubly－fed induction machine，BDFIM)。近5年來(lái)BDFIM的控制方法取得了令人矚目的進(jìn)步。其中文獻(xiàn)［1－3］提出了BDFIM的矢量控制策略，發(fā)電［1，3］及電動(dòng)狀態(tài)［2］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了控制策略的可行性，并獲得了令人滿(mǎn)意的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)［4］利用解析表達(dá)式深入分析了BDFIM直接轉(zhuǎn)矩控制策略的可行性，且電動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析十分吻合。上述兩種方法均可用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合。文獻(xiàn)［5］研究了控制繞組相位角控制策略，該方法可用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載。

啟動(dòng)方法和啟動(dòng)性能是任何種類(lèi)電動(dòng)機(jī)的重要性能之一，但是對(duì)于無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的研究卻比較少。文獻(xiàn)［2－4］雖然給出了電動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但并未述及所使用的啟動(dòng)方法。文獻(xiàn)［5－6］提出了一種異步啟動(dòng)方法，該方法將啟動(dòng)過(guò)程分為異步啟動(dòng)和牽入同步兩個(gè)階段，即啟動(dòng)時(shí)將控制繞組短接，功率繞組直接接入電網(wǎng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，再將控制繞組接入逆變器使電機(jī)雙饋運(yùn)行，轉(zhuǎn)速被牽入同步，文獻(xiàn)［5］給出了該方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)［6］采用反饋線(xiàn)性(feedback linearization)控制方法，文獻(xiàn)［7］采用速度開(kāi)環(huán)的v/f控制方式對(duì)異步啟動(dòng)及牽入同步的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。但文獻(xiàn)［5－7］對(duì)異步啟動(dòng)過(guò)程的電流及轉(zhuǎn)矩均未做理論分析，也未述及如何根據(jù)所采用的控制策略改善牽入同步時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。

深入研究了基于直接轉(zhuǎn)矩控制策略的BDFIM的異步啟動(dòng)方法。利用等效電路分析了異步啟動(dòng)階段的性能。為了減小牽入同步時(shí)兩個(gè)定子繞組的沖擊電流，提出一種磁鏈優(yōu)先的控制方法，并在樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 異步啟動(dòng)方法

無(wú)刷雙饋電機(jī)在雙饋運(yùn)行方式下的接線(xiàn)圖如圖1所示，功率繞組接工頻電源，控制繞組由交－直－交逆變器供電。

圖1 BDFIM運(yùn)行示意圖Fig．1 BDFIM operation

異步啟動(dòng)時(shí)，功率繞組接線(xiàn)不變，控制繞組短接(通過(guò)逆變器3個(gè)導(dǎo)通的下橋臂實(shí)現(xiàn))，如圖2(a)所示。轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速附近時(shí)，控制逆變器使電機(jī)進(jìn)入雙饋運(yùn)行狀態(tài)，如圖2(b)所示。在合適的控制方式下，轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值同步運(yùn)行。

圖2 BDFIM控制繞組接線(xiàn)圖Fig．2 Configuration of control winding for BDFIM

2 異步啟動(dòng)電流及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析

2.1 異步啟動(dòng)電流的分析

圖3為BDFIM的雙T型等效電路［8］，圖中所有參數(shù)都已折算到功率繞組，Up，U″c分別為功率繞組和控制繞組電壓;Ip，I″c和 I'r分別為功率，控制和轉(zhuǎn)子繞組電流;Rp，R″c，和 Rr分別為功率，控制和轉(zhuǎn)子繞組電阻;Xlp，X″lc，X'lr分別為功率，控制及轉(zhuǎn)子繞組的漏抗;Mp，M″c分別為功率繞組，控制繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感;ωp為功率繞組角頻率;sp，sc和s為轉(zhuǎn)差率，其表達(dá)式為

式中:np，nc分別為功率繞組和控制繞組的同步轉(zhuǎn)速，由兩個(gè)繞組各自的頻率決定;nr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)瞬間 nr=0，圖3 中 U″c=0，s=sp=1，且由于互感遠(yuǎn)大于漏感，分析啟動(dòng)電流時(shí)可認(rèn)為Mp和M″c所在的支路斷開(kāi)，則啟動(dòng)瞬間的等效電路如圖4所示。

圖3 BDFIM的雙T型等效電路Fig．3 Double T equivalent circuit for BDFIM

圖4 BDFIM的簡(jiǎn)化等效電路Fig．4 Simplified equivalent circuit for BDFIM

由圖4可得啟動(dòng)瞬間功率繞組的電流為

式(3)和感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)電流的表達(dá)式相比，式(3)的分母中多了控制繞組的電阻和漏抗，且由于BDFIM的定子槽中嵌放著兩個(gè)繞組，其漏抗Xlp，X″lc與感應(yīng)電機(jī)相比較大，因此功率繞組啟動(dòng)電流約為同容量感應(yīng)電機(jī)的2/3～1/2。

由圖3可知，控制繞組的啟動(dòng)電流為

式(4)中的分子為轉(zhuǎn)子電流引起的控制繞組的感應(yīng)電勢(shì)。由式(3)和式(4)可知，在控制繞組中串電阻可以有效減小兩個(gè)定子繞組的啟動(dòng)電流，但無(wú)疑增加了啟動(dòng)設(shè)備及啟動(dòng)方法的復(fù)雜性。和感應(yīng)電機(jī)一樣，隨著轉(zhuǎn)速的增加，3個(gè)繞組的電流都將減小，達(dá)到同步速附近穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流取決于負(fù)載，若電機(jī)空載，控制繞組穩(wěn)定時(shí)的電流趨于零。

2．2 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析

不計(jì)定子電阻時(shí)，無(wú)刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的一般形式［8］為

式中:Pp為功率繞組極對(duì)數(shù);Pc為控制繞組極對(duì)數(shù);Xr為轉(zhuǎn)子電抗;Mc為控制繞組與轉(zhuǎn)子之間的互感;Xp為功率繞組電抗;Xc為控制繞組電抗;Rr為轉(zhuǎn)子電阻;Pr為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);δ為功率繞組與控制繞組電壓之間的夾角;Upm和Ucm分別為功率繞組和控制繞組電壓的幅值，以上參數(shù)均未進(jìn)行繞組折算［8］。異步啟動(dòng)時(shí)，式(5)中 Ucm=0，sp=1，再將 s1和R'1r代入，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

由式(7)可知，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電壓的平方及電機(jī)參數(shù)有關(guān)，與感應(yīng)電機(jī)相似。

3 無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理

3.1 基本原理

BDFIM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示［4］，功率繞組接380 V工頻電源不可控，控制繞組由變流器供電。

圖5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．5 Schematic of DTC control for BDFIM

3.2 開(kāi)關(guān)表

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)表如表1所示［4］。

表1 開(kāi)關(guān)表Table 1 Switch table

扇區(qū)的劃分如圖6所示，表1中Ⅰ～Ⅵ為控制繞組磁鏈所在的扇區(qū)，由其 α，β 分量 ψαc，ψβc計(jì)算。表1中當(dāng)ΔT'≥εT時(shí)，ΔT=1，表示需要增加轉(zhuǎn)矩，否則，ΔT=0，表示需要減小轉(zhuǎn)矩;同理，當(dāng) Δψ'≥εψ時(shí)，Δψ =1，否則，Δψ =0。εT，εψ分別為轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器的環(huán)寬。該開(kāi)關(guān)表可以同時(shí)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)矩及磁鏈增加或減少的需要。

圖6 扇區(qū)劃分Fig．6 The sector partition

4 牽入同步運(yùn)行

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，控制逆變器使系統(tǒng)進(jìn)入雙饋運(yùn)行狀態(tài)。由于控制繞組由短接改為由逆變器供電時(shí)，必然存在磁鏈的建立過(guò)程，同時(shí)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差也必然使ΔT較大。雖然使用表1可以同時(shí)兼顧磁鏈及轉(zhuǎn)矩增加或減小的需求，但是使用如表2所示的磁鏈優(yōu)先的開(kāi)關(guān)表進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，可以在切入雙饋的瞬間，使磁鏈先建立起來(lái)，這樣可以有效減小切入雙饋時(shí)的電流，當(dāng)磁鏈達(dá)到給定的閾值時(shí)，再改用開(kāi)關(guān)表1進(jìn)行控制。

表2 磁鏈優(yōu)先開(kāi)關(guān)表Table 2 Switch table with flux priority

磁鏈優(yōu)先開(kāi)關(guān)表的設(shè)計(jì)思想是，當(dāng)磁鏈比給定值小很多時(shí)，采用與磁鏈處于同一扇區(qū)的空間電壓矢量，使磁鏈快速增加?？刂评@組的電壓方程［4］(在控制繞組坐標(biāo)系下)為

將式(8)離散化后可得

式中:Uc，ψc和Ic分別為控制繞組電壓，磁鏈及電流的空間矢量;Rc為控制繞組電阻;Ts為采樣周期。用矢量三角形描述式(9)，如圖(7)所示。

圖7 定子磁鏈與電壓矢量Fig．7 stator flux and voltage vector

設(shè)某一瞬間磁鏈空間矢量ψc位于第Ⅰ扇區(qū)，使用與其位于同一扇區(qū)的空間矢量u0，如表2所示，可使電壓矢量和磁鏈的夾角最小，從而使磁鏈增加最快。同理，采用與磁鏈間隔兩個(gè)扇區(qū)的空間電壓矢量，使磁鏈減小最多。

5 實(shí)驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證本文所提方法的正確性，在交流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)BDFIM樣機(jī)進(jìn)行異步啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)采用籠型轉(zhuǎn)子，4組同心式短路線(xiàn)圈，每組5個(gè)短路環(huán)。功率繞組參數(shù)為:3對(duì)極;額定功率為3 kW;額定電壓為380 V;額定電流為6.9 A?？刂评@組參數(shù)為:1對(duì)極;額定電壓為380 V;額定電流為3.4 A;同步轉(zhuǎn)速為750 r/min。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，直流發(fā)電機(jī)作為BDFIM的負(fù)載，扭矩傳感器用來(lái)測(cè)量BDFIM的輸出轉(zhuǎn)矩，使用OMRON增量式E6C2－CWZ6C光電編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速，由霍爾電流傳感器測(cè)量電流。

實(shí)驗(yàn)中功率繞組接380 V工頻電源，控制繞組接雙PWM變流器，圖9為其結(jié)構(gòu)示意圖。兩個(gè)變流器的控制系統(tǒng)相似，圖中只畫(huà)出電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理芯片(digital signal processor，DSP)TMS320LF2407A是控制系統(tǒng)的核心，其通訊接口CAN及PC機(jī)的USB接口通過(guò)USBCAN接口卡相連，實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。例如，轉(zhuǎn)速及磁鏈等給定值可以由PC機(jī)發(fā)送到DSP，電流、轉(zhuǎn)矩等采樣值及計(jì)算值也可以由DSP發(fā)送到PC機(jī)。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)采樣周期Ts=280 μs，CW磁鏈給定

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．8 Experimental setup

圖9 變流器結(jié)構(gòu)Fig．9 Schematic diagram of the converter

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 異步啟動(dòng)階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10(a)～圖10(d)分別為額定電壓下空載異步啟動(dòng)時(shí)控制繞組、功率繞組電流，轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩的波形。其中功率繞組電流的峰值為17.5 A，約為其額定電流峰值的2.34倍?？刂评@組電流的峰值為11.5 A，約為其額定電流峰值的2.48倍，兩個(gè)繞組的電流均隨著轉(zhuǎn)速的上升衰減。由于電機(jī)空載，控制繞組的電流穩(wěn)態(tài)時(shí)接近零，轉(zhuǎn)速接近同步速即750 r/min;啟動(dòng)瞬間，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，原因有待進(jìn)一步分析。

圖10 啟動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．10 Experimental results for starting

5.2.2 牽入雙饋運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)由異步牽入雙饋時(shí)，將采用表1和磁鏈優(yōu)先兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。采用后一種方法當(dāng)控制繞組磁鏈達(dá)到0.92 Wb時(shí)，開(kāi)關(guān)表切入表1。兩種方式下，給定轉(zhuǎn)速均為795 r/min，其他實(shí)驗(yàn)條件相同，圖11為由異步牽入超同步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖11 從異步牽入超同步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．11 Experimental results from asynchronous to synchronous model

由圖11(a)可知，采用磁鏈優(yōu)先方法時(shí)，磁鏈單方向平穩(wěn)增加，達(dá)到給定值的時(shí)間約為25 ms;由圖11(b)可知，兩種方法下，電磁轉(zhuǎn)矩的大小沒(méi)有明顯區(qū)別，這是由于建立磁鏈所需的時(shí)間很短;由圖11(c)和圖11(d)可知，采用磁鏈優(yōu)先方法時(shí)，兩個(gè)定子繞組的電流明顯減小。另外采用如表1所示的控制方式，在接近1.2 s時(shí)，由于磁鏈的跌落，引起功率繞組電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)磁鏈比給定值小很多時(shí)，優(yōu)先控制磁鏈會(huì)取得較好的控制效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用穩(wěn)態(tài)等效電路分析了BDFIM異步啟動(dòng)時(shí)的電流，理論分析和樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，額定電壓下的直接啟動(dòng)電流小于同容量的感應(yīng)電機(jī)。為了減小牽入同步時(shí)兩個(gè)定子繞組的沖擊電流，提出了一種磁鏈優(yōu)先的控制方法，樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。

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