風(fēng)力發(fā)電變槳伺服電機(jī)啟動(dòng)策略的探究

徐 斌，蔡羅強(qiáng)，易靈芝，張甲兵

（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2.湘電集團(tuán)技術(shù)中心，湖南 湘潭 411105）

0 引言

變槳驅(qū)動(dòng)器作為風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)中重要的組成部分，對(duì)執(zhí)行的伺服電機(jī)起控制作用，伺服電機(jī)在風(fēng)機(jī)槳葉角度變化過(guò)程中直接起著驅(qū)動(dòng)作用。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可由備用直流電源直接拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行緊急順槳，加上考慮行業(yè)成本因素，所以直流伺服電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電變槳領(lǐng)域占有一席之地。

目前兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的槳葉材質(zhì)一般采用碳纖維增強(qiáng)塑料，制造的槳葉薄、剛性好，減輕了風(fēng)機(jī)的重量，但是，變槳啟動(dòng)時(shí)，為了有好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，必須盡量縮短伺服電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，如果啟動(dòng)電樞電流為電機(jī)過(guò)載能力所允許的最大電流值，必然會(huì)以最大的轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，但容易損壞風(fēng)機(jī)槳葉等附件。所以，本文提出了一種伺服電機(jī)啟動(dòng)控制方式，既能將啟動(dòng)電樞電流控制在允許的過(guò)載電流范圍內(nèi)，又能提供大的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)快速變槳，滿(mǎn)足快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求。

1 永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)方法

1.1 全壓?jiǎn)?dòng)

全壓?jiǎn)?dòng)是直接將電動(dòng)機(jī)接到額定電壓下啟動(dòng)，由公式Ia=（U-Ea）／Ra、Ea=CeΦn和T=CTΦIa（其中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，T為電磁轉(zhuǎn)矩，U為電樞電壓，Ra為電樞電阻，Ea為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Ia為電樞電流，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Φ為磁通量）可知，全壓?jiǎn)?dòng)初始階段，轉(zhuǎn)速n從零開(kāi)始增大，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組Ra很小，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea不能瞬間增大，此時(shí)電機(jī)電樞中電流Ia會(huì)突增，過(guò)大的電流將使電樞過(guò)熱，降低使用壽命，同時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈火花，而與電流成正比的電磁轉(zhuǎn)矩很有可能損壞傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。此種啟動(dòng)方式雖然操作簡(jiǎn)單，不需要添加其他設(shè)備，但只適用于小型電動(dòng)機(jī)，對(duì)于脆弱的變槳傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和采用碳纖維增強(qiáng)塑料材質(zhì)的槳葉是不適合的。

1.2 分級(jí)啟動(dòng)

分級(jí)啟動(dòng)其實(shí)質(zhì)是在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，將電阻串聯(lián)到電動(dòng)機(jī)電樞和電源兩端，通過(guò)不同時(shí)段切除電阻的方法，改變電機(jī)的機(jī)械特性，將啟動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)，達(dá)到安全啟動(dòng)的目的。

圖1為永磁直流電機(jī)分級(jí)啟動(dòng)的機(jī)械特性。其中，I1為最大啟動(dòng)電流，I2為最小啟動(dòng)電流，IN為電機(jī)額定電流，n0為直流電機(jī)空載轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，電機(jī)電樞在接有三級(jí)啟動(dòng)電阻R1、R2和R3的情況下啟動(dòng)加速，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第一條特性曲線(xiàn)n0ba上的ab段；在加速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速n沿ab線(xiàn)段逐漸上升，而電樞電流Ia則逐漸變小，隨著電流的減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值下降，為了使電機(jī)得到較大的加速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到b點(diǎn)時(shí)，將第一級(jí)電阻R1切除，在電阻R1切除的瞬間，由于電機(jī)的慣性，轉(zhuǎn)速n不能突變，電樞電動(dòng)勢(shì)Ea也保持不變，由直流電動(dòng)機(jī)電樞電流公式Ia=（UEa）／Ra可知，電樞兩端電壓U不變，Ea不變，當(dāng)Ra減小時(shí)，Ia增加，所以電樞電流Ia將隨R1被短接而突增，圖1中表現(xiàn)為從b點(diǎn)過(guò)渡到c點(diǎn)，同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也按比例增加，R1切除后，電機(jī)便運(yùn)行在第二條啟動(dòng)特性曲線(xiàn)n0dc上；重復(fù)之上的運(yùn)行過(guò)程，使電機(jī)有較均勻的加速度，沿著固有特性繼續(xù)加速，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩值等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行。該啟動(dòng)方式能緩和轉(zhuǎn)矩對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作機(jī)械的有害沖擊，改善電動(dòng)機(jī)的換向情況，但是變阻器比較笨重，需要消耗許多能量，用于風(fēng)機(jī)上加重了機(jī)身的重量，同時(shí)不能給定一個(gè)恒定增大的轉(zhuǎn)矩值，不適合于風(fēng)機(jī)變槳伺服電機(jī)的啟動(dòng)。

2 直流伺服驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)成

2.1 驅(qū)動(dòng)器的控制框架

直流伺服驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。主要由6個(gè)模塊組成：以DSP芯片R5F70844AD80FPV為處理器的核心處理單元；電壓、電流、位置信號(hào)的檢測(cè)單元完成閉環(huán)控制的信號(hào)檢測(cè)采集過(guò)程；晶閘管主電路模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速；上位機(jī)模塊實(shí)時(shí)改變控制伺服電機(jī)的各類(lèi)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需要達(dá)到最優(yōu)控制；LED顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、故障信號(hào)等。

圖1 永磁直流電機(jī)分級(jí)啟動(dòng)的機(jī)械特性

圖2 直流伺服驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2.2 驅(qū)動(dòng)器的正反橋主電路結(jié)構(gòu)

圖3為驅(qū)動(dòng)器的正反橋主電路結(jié)構(gòu)。主電路由12個(gè)晶閘管構(gòu)成正反橋可逆電路，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，三相交流輸入的電壓標(biāo)準(zhǔn)值為380V，整流濾波直流輸出側(cè)的電壓為520V左右。因關(guān)斷時(shí)環(huán)路中寄生電感的作用，晶閘管在關(guān)斷時(shí)兩端所承受的尖峰電壓可以達(dá)好幾百伏，因此也在晶閘管兩端并聯(lián)了阻容電路來(lái)吸收尖峰電壓。根據(jù)需要，選取的晶閘管型號(hào)為MCC 95-16iO1B，其反向重復(fù)峰值電壓為1 600V，額定正向平均電流為95A，滿(mǎn)足變槳伺服驅(qū)動(dòng)器功率和裕量的要求。

圖3 驅(qū)動(dòng)器的正反橋主電路結(jié)構(gòu)

2.3 晶閘管觸發(fā)電路模塊

圖4為晶閘管觸發(fā)電路模塊。由Q1、Q2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TR以及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門(mén)極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖，D1和R3是為了使Q1、Q2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TR釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的。

3 驅(qū)動(dòng)器主系統(tǒng)控制思路及其軟件功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電變槳的需求，驅(qū)動(dòng)器輸出可控的直流電壓，控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、制動(dòng)，以達(dá)到變槳控制系統(tǒng)精確槳葉位置控制和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。驅(qū)動(dòng)器主系統(tǒng)控制程序流程如圖5所示。系統(tǒng)完成上位機(jī)對(duì)各額定值的讀取及各參數(shù)的初始化設(shè)置，為了使開(kāi)通晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持合適的相位關(guān)系，同時(shí)觸發(fā)電路工作頻率與主電路交流電源頻率保持一致，利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)。

圖4 晶閘管觸發(fā)電路模塊

圖5 驅(qū)動(dòng)器主系統(tǒng)控制程序流程圖

驅(qū)動(dòng)器的主電路是三相橋式反并接可逆電路，三相橋式全控整流電路的6個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖相位依次相差60°，相位控制是以變流電路的自然換相點(diǎn)為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)一定的相位延遲后，再輸出控制信號(hào)給晶閘管觸發(fā)電路，產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。以C相電壓為例，DSP芯片檢測(cè)到C相同步電壓信號(hào)，啟動(dòng)定時(shí)器工作，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出，輸出第一個(gè)脈沖觸發(fā)的控制信號(hào)，同時(shí)上次給予晶閘管導(dǎo)通的控制電路補(bǔ)發(fā)一次觸發(fā)脈沖的控制信號(hào)，這樣實(shí)現(xiàn)了全控電路的雙脈沖觸發(fā)，避免了因?yàn)殡娋W(wǎng)波動(dòng)所帶來(lái)的電位誤差。這種雙脈沖觸發(fā)方式，能防止脈沖變壓器飽和，降低了觸發(fā)電路的功率。

同時(shí)在整流輸出端采用電壓輸出的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓連續(xù)可調(diào)。利用DSP芯片采集輸出的直流電壓信號(hào)，并與程序中所預(yù)設(shè)的輸出電壓值進(jìn)行比較，若小于預(yù)設(shè)值，則繼續(xù)進(jìn)行觸發(fā)脈沖的移相處理，增大輸出電壓，直到輸出電壓和輸出電壓預(yù)設(shè)值相等，則保持恒定輸出，完成啟動(dòng)。

4 仿真輔助及結(jié)果比較分析

以Simulink仿真平臺(tái)為輔助，設(shè)計(jì)仿真參數(shù)，將得到的降壓?jiǎn)?dòng)電流波形與分級(jí)啟動(dòng)和直接啟動(dòng)的仿真電流波形作比較，如圖6～圖8所示。

降壓?jiǎn)?dòng)方法與分級(jí)啟動(dòng)、全壓?jiǎn)?dòng)相比，降壓?jiǎn)?dòng)能將電樞電流限制在驅(qū)動(dòng)器的過(guò)載電流可承受范圍之內(nèi)，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，加快了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)，同在變槳過(guò)程中漸變大的轉(zhuǎn)矩保護(hù)槳葉和伺服電機(jī)之間的傳動(dòng)機(jī)械，是符合風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的需求的。

圖7 分級(jí)啟動(dòng)電流波形

圖6 降壓?jiǎn)?dòng)電流波形

圖8 全壓?jiǎn)?dòng)電流波形

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