矢量控制的雙繞組磁阻電機電磁特性分析

宋桂英，趙曉明，魯 兵，劉笑笑

(河北工業(yè)大學(xué)，天津300130))

0 引 言

開關(guān)磁阻電機是隨著功率電子學(xué)和微電子學(xué)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型調(diào)速電機，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、魯棒性好、高轉(zhuǎn)矩密度等眾多優(yōu)點，從20世紀(jì)90年代以來，已被越來越多地應(yīng)用于電動車輛、礦山、油田、紡織機械等工業(yè)部門的驅(qū)動系統(tǒng)［1－3］。由于具有較好的高速(超高速)性能和較強的容錯能力，使其在航空航天、高速離心機等環(huán)境惡劣且安全性要求很高的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而相比于其它傳統(tǒng)電機，其高轉(zhuǎn)矩波動以及振動噪聲的問題也尤為突出，其應(yīng)用場合受到了限制［4－5］。

為了減少磁阻電機的振動和噪聲，國內(nèi)外研究人員主要從優(yōu)化電機的幾何結(jié)構(gòu)以及控制繞組電流波形等方面進行了大量研究［6－8］。然而無論是優(yōu)化電機幾何尺寸還是控制電流波形，這些方法都是被動地減少磁阻電機的轉(zhuǎn)矩波動和噪聲，并沒有從根本上解決其由于凸極結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的脈動電磁轉(zhuǎn)矩和噪聲的問題。

近年來，文獻［9－10］提出磁阻電機定子采用雙繞組的改進方案:電機定子采用兩套繞組即電樞繞組和勵磁繞組，電樞繞組采用正弦雙極電流供電，勵磁繞組直流供電。文獻［11］對雙繞組磁阻電機的電磁振動和噪聲進行了分析。本文采用矢量控制實現(xiàn)雙繞組電機電樞電流的正弦控制，同時對其轉(zhuǎn)矩波動進行了分析研究。與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機相比，該新型繞組電機在轉(zhuǎn)矩輸出和波動控制方面也具有明顯的優(yōu)勢。

1 雙繞組磁阻電機的構(gòu)

雙繞組磁阻電機定子和轉(zhuǎn)子都是雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無任何繞組，是一種非永磁雙凸極電機。該電機采用集中繞組作為電樞繞組，纏繞在每個定子磁極上，直流勵磁繞組與電樞繞組同時嵌在定子槽內(nèi)。文獻［10］的雙饋雙凸極電機盡管也是采用雙繞組，但是其只是在2個相對的定子槽內(nèi)嵌放了直流勵磁繞組，使得各相的磁通路徑不相同，導(dǎo)致各相繞組的磁勢和磁鏈不對稱，從而引起高齒槽轉(zhuǎn)矩波動和轉(zhuǎn)矩波動，并引起高振動和噪聲。本文提出的雙繞組電機將直流繞組嵌放在每一個定子槽內(nèi)，線性調(diào)節(jié)氣隙磁通密度，改善了電機的磁鏈，進而使得其轉(zhuǎn)矩波動和噪聲降低。圖1為該電機的結(jié)構(gòu)圖和二維模型圖。

圖1 電機的結(jié)構(gòu)和模型圖

2 雙繞組磁阻電機的控制

雙繞組磁阻電機的主電路拓?fù)淙鐖D2所示，電樞繞組采用三相全橋逆變電路供電，三角形連接，勵磁繞組直流勵磁。

圖2 雙繞組磁阻電機的主電路圖

雙繞組磁阻電機控制系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡稱SVPWM)技術(shù)。SVPWM技術(shù)通常采用固定采樣頻率，從而產(chǎn)生一個相對集中的頻譜。此外，它有著較低的開關(guān)損耗，易于在數(shù)字處理器中實現(xiàn)。這些優(yōu)點使SVPWM技術(shù)廣泛用于永磁同步電機和感應(yīng)電動機［12］中。圖3給出了Id=0時，雙繞組磁阻電機的矢量控制系統(tǒng)框圖。

圖3 Id=0雙繞組磁阻電機的矢量控制框圖

通過位置傳感器檢測出電機的轉(zhuǎn)子位置，計算得到電機實際轉(zhuǎn)速ω，將電機實際轉(zhuǎn)速ω與轉(zhuǎn)速給定值ω*做比較，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出給定值，電流傳感器檢測的定子三相電流iA，iB，iC經(jīng)坐標(biāo)變換成d，q軸電流 id，iq，分別與給定值比較(=換及脈寬調(diào)制得到逆變器驅(qū)動信號驅(qū)動逆變器控制雙繞組磁阻電機運行。

3 雙繞組磁阻電機的電磁特性

為了分析雙繞組電機的電磁特性，有限元法對電機的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行了仿真分析。實驗所用電機額定電壓48 V，功率70 W，表1給出了電機的主要參數(shù)。

表1 雙繞組磁阻電機的基本參數(shù)

3． 1 繞組電流

圖4給出的是雙繞組電機和傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機在一個電周期內(nèi)的電流波形對比圖，圖4(a)是雙繞組磁阻電機相電流波形，圖4(b)為開關(guān)磁阻電機的相電流波形。雙繞組磁阻電機由正弦雙極性電流勵磁，采用矢量控制，電流波形更趨近于正弦，換相時，相電流變化平穩(wěn)。

圖4 雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機電流波形對比圖

3． 2 磁鏈

圖5為雙繞組磁阻電機和開關(guān)磁阻電機的磁鏈波形。雙繞組磁阻電機由于磁路對稱的且磁通路徑短，因此，三相磁鏈對稱;開關(guān)磁阻電機是單極性供電，磁鏈只存在正向，波形近似于三角形，因此諧波比重較大。圖6的諧波分布圖表明，雙繞組磁阻電機磁鏈的第8至第8階諧波分量比開關(guān)磁阻電機明顯減少。

圖5 雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機電流波形對比圖

圖6 雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機磁鏈諧波對比圖

3． 3 轉(zhuǎn)矩

基于能量轉(zhuǎn)換的原理，雙繞組磁阻電機每相(以A相為例)的電磁轉(zhuǎn)矩由磁共能來計算如下:

式中:為電樞電流ia和勵磁電流if所產(chǎn)生的磁鏈;La為A相自感。

式(1)計算的是瞬時電磁轉(zhuǎn)矩，可知轉(zhuǎn)矩與電流和磁鏈密切相關(guān)。圖7為在電流有效值相同(I=3 A)時雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機瞬時電磁轉(zhuǎn)矩波形對比圖，雙繞組磁阻電機的轉(zhuǎn)矩波動明顯減小。雙繞組磁阻電機由三相雙極性橋式逆變電路供電，全周期出力，輸出轉(zhuǎn)矩高，圖8給出了2種電機的平均轉(zhuǎn)矩的對比圖。

圖7 雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩波形對比圖

圖8 雙繞組磁阻電機與開關(guān)磁阻電機平均轉(zhuǎn)矩對比圖

4 結(jié) 語

雙繞組磁阻電機定子采用電樞繞組和勵磁繞組2套繞組。仿真實驗表明:同傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機相比，電樞繞組由正弦雙極性電流供電使得繞組電流變化平穩(wěn)，不僅使得轉(zhuǎn)矩波動得到改善，也有利于減小電機的轉(zhuǎn)速波動和噪聲;同時雙極性電流全周期出力，提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

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