無刷勵磁同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的研究

盧力東

摘 要：無刷勵磁同步電機是當前一種新型的電機，這種電機除了具備常規(guī)電勵磁同步電機的優(yōu)點之外，在無電刷滑環(huán)結構方面也具有顯著的優(yōu)勢，并且還具有可靠性的特點，不需要對其進行維護，在這種電機的定子上主要包含了兩套不同極數(shù)的繞組，其中一套主要安裝在電網上，另外一套安裝在單相勵磁繞組上，不斷的為電機帶來勵磁電流。在本電機中，不需要電刷以及滑環(huán)結構，就能達到勵磁的效果，因此在風力發(fā)電以及其他易燃易爆的相關領域中都有所應用。本文將重點對這一電機的控制方法進行簡要的闡述中，并且進行了仿真分析，希望在今后的控制系統(tǒng)中能夠獲得更加可靠的有效性。

關鍵詞：無刷勵磁；靜態(tài)勵磁；聯(lián)合仿真；有限元分析

在當前科學技術的應用以及不斷發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了一種新型的交流同步電機，這種電機就是無刷電勵磁同步電機，在轉子方面具有多種不同的組合方式，為了保證能夠獲得更加理想的效果，本文主要采用的方式是將磁場進行調制，使其具有較好的效果，產生磁障，并且將其與短路籠混合轉子相互結合起來應用，在磁導的作用下就可以實現(xiàn)磁場耦合的現(xiàn)象，實現(xiàn)對電能的轉換。因此省去了在常規(guī)電機應用中的電刷以及滑環(huán)等方面的結構，這一類型的電機是在近幾年中剛剛出現(xiàn)的，并沒有得到全面的應用，因此在結構上可能還存在一定的不完善，具有特殊性的特點，筆者對此設計了一種勵磁控制裝置，希望能夠實現(xiàn)更加完善的功能。

1 勵磁控制裝置的功能

在建立起一個勵磁控制裝置以后，能夠實現(xiàn)以下幾方面的功能。首先是可以對發(fā)電機的負荷變化進行實時監(jiān)測，并且對勵磁電流進行調節(jié)適應，這樣就能夠保證無刷電勵磁同步電機的機端電壓始終處在給定值的范圍內。其次是在多機并網運行的過程中，能夠通過對勵磁繞組電流進行發(fā)電機之間無功功率的有效控制，并且進行合理的分配。第三，在應用的過程中，其最大勵磁以及最小勵磁被進行了限制，這樣就會對安全性產生一定程度的影響。第四，一旦發(fā)電機的內部產生了故障，那么就使用勵磁繞組降低故障的損失，除此之外，還能夠幫助電網的運行效率得到進一步的提升。

2 有限元分析模型的建立

在對電機瞬態(tài)的特征進行分析的過程中，需要在相關軟件的基礎上建立一個有限元的分析模型，這個模型中定子為8+4極，也就是說有8極繞組是一套三相雙層電樞繞組，而另外4極繞組是一套單相單層勵磁繞組，所選擇的轉子是在磁場調制式下產生的混合轉子。這種電機磁路在結構上呈現(xiàn)出不對稱的幾何特點，因此不能簡化有限元模型中的分塊計算。本模型中的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

3 控制系統(tǒng)原理

當勵磁電流比較小時，無刷電勵磁同步電機自身的功率繞組端電壓以及勵磁繞組的勵磁電流之間所產生的關系是呈現(xiàn)線性發(fā)展的，并且當勵磁電流在不斷加大的情況下，電機磁路就會呈現(xiàn)出飽和的狀態(tài)，這樣電機功率繞組端電壓以及勵磁繞組電流之間的關系是正比，這一比例關系將會呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，在采用有限元對其進行分析以后，可以得到一個被控系統(tǒng)響應以及激勵之間的關系。

在進行控制的過程中，系統(tǒng)主要是通過對PWM斬波器對勵磁電流進行調節(jié)的，并且在電流互感器的幫助下，能夠檢測出勵磁電流自身所具有的實時負反饋，這樣能夠達到對電流的閉環(huán)控制，電流在給定值的作用下能夠在端電壓實測值以及給定值進行偏差調節(jié)，這樣就形成了對雙閉環(huán)的控制。在對電流閉環(huán)進行調節(jié)的過程中，所采用的算法是數(shù)字式PI控制算法，這種算法是將繞組電流傳感器中的結果采用AD的方式進行轉化，并且與給定值電流進行比較，這樣就能得到一個誤差，再將誤差帶入到公式中進行計算，將計算結果給入到PWM發(fā)生器中，在比較寄存器中，這樣就能完成一次PI調節(jié)。

在這個公式中，dutyk代表的是這次調節(jié)過程中所占的占空比，dutyk-1代表的是在上一次調節(jié)完成以后所占的占空比，其中k1代表的是比例調節(jié)系數(shù)，ck代表的是此次測量過程中產生的偏差，而k2表示的是微分控制系數(shù)，最后的ek-1代表上次測量偏差量。給定電流主要是在PI輸出的基礎上中在限幅環(huán)節(jié)中確定下來的。將dutyk應用在PWM模塊中的比較寄存器里，能夠實現(xiàn)對電流的一次調節(jié)，信號在產生的過程中是在自動化的環(huán)境下完成的，并不會對CPU時間加以占用，因此這讓CPU具有更加充足的時間進行計算，同時也讓程序的復雜性得到了顯著的降低。

4 軟件流程

圖1為勵磁系統(tǒng)的軟件流程圖，先進行核心模塊及外圍器件的初始化程序，設置默認工作狀態(tài)，對濾波電容進行限流預充電，等待啟動指示，得到啟動命令后，由接觸器切換勵磁繞組連接狀態(tài)到IGBT端，短路充電電阻，同時輸出PWM信號給IGBT驅動模塊，開始對勵磁繞組加電。AD轉換模塊開始檢測勵磁繞組的電流值和電機功率繞組輸出電壓值，與設定的電壓值做比較，調整勵磁電流，以實現(xiàn)負載變化時端電壓的恒定。

傳統(tǒng)勵磁控制裝置的電壓比較環(huán)節(jié)均采用端電壓有效值與給定值比較，但是求解端電壓有效值至少要對端電壓采樣一個電流周期（20ms），如果再加人濾波算法，考慮勵磁電源功率和勵磁繞組電抗，則需要更長的響應時間。故本文采用一種新的電壓控制策略，對二相繞組的端電壓給定位取絕對值并做和，得到如圖2所示的“電壓和”曲線，將采樣結果取和與該曲線比較，即可在很短時間內得到實時電壓與給定的偏差量，再根據(jù)偏差量進行PID計算，依照計算結果來調節(jié)PWM模塊的占空比，進而實現(xiàn)了對該電機的勵磁控制，大大加快了電機端電壓隨負載變化的響應速度。

為了確定“電壓和”的標準曲線的相位，引人了電壓AD轉換和過零檢測裝置，每當發(fā)電機的三相輸出電壓信號有任意一相過零時，“電壓和”信號（電壓環(huán)給定信號）重置相位，實現(xiàn)相位跟蹤。為了防止勵磁繞組過熱而損壞絕緣，要考慮電機勵磁繞組的熱容量，因而流過勵磁繞組的最大勵磁電流要進行嚴格的限制。為了防止發(fā)電機飛車，勵磁繞組的最小勵磁電流也要進行軟件限制。

結束語

本文針對新型混合轉子無刷電勵磁同步電機，設計了一臺專用全靜態(tài)勵磁控制裝置，并應用了新型的電壓控制方式，經過軟件仿真驗證，可以實現(xiàn)無刷電勵磁同步電機變負載端電壓恒定等控制目標，加快了對負載變化時電壓恢復的響應速度，為相應的勵磁控制裝置的研發(fā)提供了理論指導。

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