無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略研究

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

同步電機根據(jù)勵磁方式分為有刷和無刷等形式。無刷直流勵磁同步電機由于取消了電刷和集電環(huán)，可避免火花產(chǎn)生，既簡化了操作及維護，又減少了電刷粉塵對電機絕緣的危害，大大提高了電機的整體可靠性，因而在石油、化工、煤礦等具有爆炸性環(huán)境及要求長時間高可靠性運行的場合有著廣泛的應(yīng)用。同步電機啟動方式有兩種：一種先投勵，后同步啟動；另一種是先異步啟動，后投勵牽入同步。高性能的同步電機矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制都建立在同步啟動方式上。普通有刷同步電機在啟動時，整個勵磁磁通已經(jīng)建立，而無刷直流勵磁裝置在同步電機啟動時不能提供任何勵磁電流，無法建立勵磁磁通，因此只能采用異步啟動方式，其啟動也是應(yīng)用的難點。無刷直流勵磁同步電機傳統(tǒng)采用勵磁繞組串接電阻的工頻啟動方式，啟動電流大，整步瞬間電流沖擊劇烈，容易導(dǎo)致電機繞組溫升過高而損壞絕緣強度。文獻[1-2]提出一種采用變頻啟動方式能減小啟動電流，但采取常規(guī)UF開環(huán)控制方式啟動帶載能力不強，投勵整步過程機電震蕩嚴(yán)重，存在啟動失敗的可能。文獻[3-4]提出頻率自控式矢量控制啟動方法，但所涉及的同步電機勵磁系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加了輔助啟動的單相交流勵磁繞組，方法不適用于普通無刷直流勵磁同步電機。

因勵磁系統(tǒng)具有特殊性，無刷直流勵磁同步電機只能采取異步啟動方式，普通有刷同步電機的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略無法直接使用。本文通過分析同步電機異步啟動過程等效電路，建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現(xiàn)不同閉環(huán)矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動和整步運行過程的閉環(huán)矢量控制。通過實驗驗證表明，該控制策略啟動電流小，具有啟動迅速、整步平穩(wěn)、帶載能力強等優(yōu)點，在無刷直流勵磁同步電機的變頻調(diào)速領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

1 無刷直流勵磁同步電機簡介

無刷直流勵磁同步電機及勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其與普通有刷同步電機的主要區(qū)別在于勵磁系統(tǒng)，無刷直流勵磁系統(tǒng)主要包括靜態(tài)勵磁裝置、交流勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器及滅磁電阻（亦作為啟動電阻）等部分[5]。

圖1 無刷直流勵磁同步電機勵磁裝置原理圖Fig.1 Diagram of brushless synchronous motor with DC excitation

同步電機啟動時，先把轉(zhuǎn)子繞組通過滅磁電阻短接，然后把定子繞組接通三相交流電源。依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩，電機旋轉(zhuǎn)起來。與同步電機轉(zhuǎn)子同軸安裝的滅磁電阻、旋轉(zhuǎn)整流器、勵磁機也同步旋轉(zhuǎn)。靜止勵磁裝置向勵磁發(fā)電機的定子輸入直流電流，由于勵磁發(fā)電機發(fā)出電壓與電機轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機定子電流的乘積近似成正比，在啟動初期轉(zhuǎn)速較低，勵磁發(fā)電機發(fā)出電壓亦低，旋轉(zhuǎn)整流器無法工作，同步電動機將無法獲得勵磁電流；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速高于最低轉(zhuǎn)速后，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出的三相交流電壓將超過旋轉(zhuǎn)整流器最低工作電壓，整流橋開始將交流電壓整流后供給同步電機轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生勵磁電流。調(diào)節(jié)勵磁機定子電流，就可使勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的三相交流電壓得到調(diào)整，從而改變同步電機勵磁繞組的勵磁電流。

2 無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略

由上述分析可知，與有刷同步電機可以同步啟動不同，無刷直流勵磁同步電機只能異步啟動，因此高性能的同步電機矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制無法直接應(yīng)用于無刷直流勵磁同步電機，需要對無刷直流勵磁同步電機的高性能啟動控制進行研究。

2.1 同步電機異步啟動數(shù)學(xué)模型分析

同步電機在轉(zhuǎn)子d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓、磁鏈方程分別為[6-7]

式中：Usd，Usq，Uf分別為定子繞組d，q軸電壓、勵磁繞組電壓；isd，isq，if，iDd，iDq分別為定子繞組 d，q軸電流，勵磁電流，阻尼繞組d，q軸電流；Rs，Rf，RDd，RDq分別為定子電阻、勵磁電阻、阻尼繞組d，q軸電阻；Lsl，Lfl，LDdl，LDql分別為定子繞組漏感、勵磁漏感、阻尼繞組d，q軸漏感；Lad，Laq分別為 d，q軸電樞反應(yīng)電感；Ψd，Ψq，Ψf，ΨDd，ΨDq分別為定子繞組d，q軸磁鏈、勵磁磁鏈、阻尼繞組d，q軸磁鏈；ωs為同步轉(zhuǎn)速；p為微分算子。

由同步電機電壓和磁鏈方程可得d-q坐標(biāo)系下的等效電路如圖2所示。

圖2 同步電機等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of synchronous motor

在同步電機異步啟動的過程中包括四個轉(zhuǎn)矩[8]：勵磁回路短接形成的單軸轉(zhuǎn)矩；阻尼繞組形成的異步轉(zhuǎn)矩；凸極轉(zhuǎn)子d，q軸磁阻不等形成的磁阻轉(zhuǎn)矩；勵磁后形成的同步轉(zhuǎn)矩。其中轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)和投勵產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子牽入同步；阻尼繞組和勵磁繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子勵磁建立前驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。在啟動初期勵磁繞組經(jīng)滅磁電阻短接，單軸轉(zhuǎn)矩和凸極結(jié)構(gòu)引起的同步轉(zhuǎn)矩作用可以忽略，電機主要由阻尼繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩來加速。同步電機異步啟動時，同步電機的定子等效為異步電機定子，同步電機的阻尼繞組等效為異步電機的轉(zhuǎn)子繞組，與感應(yīng)電機類似，定子繞組通入三相交流電壓，定子旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn)子阻尼繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，其與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩。由此可得如圖3所示的同步電機異步啟動時的近似等效電路圖。

圖3中 L′Ddl，L′Dql，R′Dd，R′Dq可等效為異步電機轉(zhuǎn)子漏感和電阻，－（ωs－ωr）Ψ′rq，（ωs－ωr）Ψ′rd可等效為異步電機的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢。

待轉(zhuǎn)速上升到勵磁機最小工作轉(zhuǎn)速時，將勵磁繞組換接到勵磁電源，使轉(zhuǎn)子建立勵磁磁場，這樣依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩，再加上轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到同步。與此同時，由阻尼繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩也會隨著遷入同步逐漸衰減為零，啟動過程結(jié)束。

2.2 無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略

根據(jù)上述同步電機異步啟動過程近似等效電路，研究建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現(xiàn)不同閉環(huán)矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動及運行階段的閉環(huán)矢量控制。圖4為本文提出的無刷直流勵磁同步電機無速度矢量啟動控制框圖。

圖3 同步電機異步啟動近似等效電路圖Fig.3 Approximate equivalent circuit diagram of synchronous motor starting asynchronously

2.2.1 異步啟動矢量控制過程

在開始啟動和較低轉(zhuǎn)速段，無刷直流勵磁裝置無法工作，同步電機的磁場由變頻器供電的定子勵磁電流提供，變頻器通過異步電機模型矢量控制策略驅(qū)動同步電機工作在異步啟動階段。

圖4 無刷直流勵磁同步電機啟動控制框圖Fig.4 Starting control block diagram of brushless synchronous motor with DC excitation

1）定子磁通計算模塊根據(jù)電機參數(shù)及三相參考電壓 Ua，Ub，Uc和三相定子電流Ia，Ib，Ic等采集值計算出定子磁通幅值|Ψ|、位置θΨ和角速度ωΨ。

2）Ia，Ib，Ic經(jīng)矢量變換得到定子電流轉(zhuǎn)矩分量反饋值Iq_fdb和定子電流勵磁分量反饋值Id_fdb。

此過程K2開路，設(shè)定磁鏈Ψref與反饋磁鏈幅值|Ψ|進入磁鏈調(diào)節(jié)器中控制，勵磁調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)控制量全部分配給定子電流勵磁分量設(shè)定值Id_ref，進行定子繞組勵磁，如下式所示：

式中：KP_Ψ，KI_Ψ分別為磁鏈調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)和積分參數(shù)；s為積分算子；Ir_ref為轉(zhuǎn)子勵磁電流設(shè)定值；KΨ為過渡系數(shù)，此階段設(shè)為1。

3）此過程K1閉合，轉(zhuǎn)差補償模塊根據(jù)電機參數(shù)、定子電流勵磁分量設(shè)定值Id_ref和定子電流轉(zhuǎn)矩分量設(shè)定值Iq_ref計算轉(zhuǎn)差ωslip，如下式所示：

式中：kTr為根據(jù)圖3同步電機異步啟動近似等效電路模型設(shè)置的轉(zhuǎn)差參數(shù)，可由 R′Dd/L′Ddl計算近似得出。

反饋電機轉(zhuǎn)速ωr由下式得到：

設(shè)定轉(zhuǎn)速ωref和反饋電機轉(zhuǎn)速ωr經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生Iq_ref，如下式所示：

式中：KP_ωr，KI_ωr分別為速度調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)和積分參數(shù)。

4）Iq_ref與Iq_fdb經(jīng)轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩參考電壓Uq，Id_ref與Id_fdb經(jīng)勵磁電流調(diào)節(jié)器得到勵磁參考電壓 Ud。Uq和 Ud經(jīng)矢量反變換得到 Ua，Ub，Uc，送入三相變頻器經(jīng)PWM調(diào)制輸出同步電機定子繞組。

在速度和磁鏈閉環(huán)作用下產(chǎn)生足夠的啟動轉(zhuǎn)矩使同步電機逐漸加速到無刷直流勵磁裝置工作所需的最小轉(zhuǎn)速（該轉(zhuǎn)速由無刷直流勵磁裝置工作特性決定）。

2.2.2 整步運行矢量控制階段

當(dāng)達到最小轉(zhuǎn)速后，變頻器通知靜態(tài)勵磁裝置輸出強勵電流，旋轉(zhuǎn)整流器開始工作，向同步電機轉(zhuǎn)子繞組投入勵磁電流，同時切除滅磁電阻。此時同步電機磁場由轉(zhuǎn)子勵磁裝置和定子電流共同提供，完成異步到同步的整步過程。最終同步電機磁場由轉(zhuǎn)子勵磁裝置獨自提供，平滑過渡到正常同步閉環(huán)控制過程。

1）此過程K2閉合，如式（3）所示，Ψref與|Ψ|進入磁鏈調(diào)節(jié)器中控制，KΨ按斜率逐漸由1變?yōu)?，勵磁調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)控制量逐漸由Id_ref轉(zhuǎn)移分配給Ir_ref，并最終達到勵磁全部由轉(zhuǎn)子勵磁裝置給定。

電機由異步到同步到整步過程中，要保證電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，關(guān)鍵在于電機磁鏈的穩(wěn)定控制。磁鏈調(diào)節(jié)器可以保證整個過程中電機磁鏈的穩(wěn)定，過渡系數(shù)KΨ按斜率由1變?yōu)?則保證了電力勵磁由定子勵磁轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子繞組勵磁，實現(xiàn)了整步過程的平滑過渡。

2）隨著整步過程的完成，轉(zhuǎn)差補償也按KΨ斜率逐漸減為零，并最終斷開K1，此時變頻器進入正常的同步電機閉環(huán)矢量控制模式，啟動結(jié)束。

3 實驗驗證

為了驗證本文所提出的無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略的有效性，在某電機試驗站進行了相關(guān)試驗研究。采用一臺10 kV，2 000 kV·A的級聯(lián)高壓變頻器驅(qū)動無刷直流勵磁同步電機，被試電機參數(shù)為：額定功率1 600 kW；額定電壓10 kV；額定電流107 A；額定頻率50 Hz。電機實物圖如圖5所示。

圖5 無刷直流勵磁同步電機實物圖Fig.5 Practicality picture of brushless synchronous motor with DC excitation

為驗證無刷直流勵磁同步電機帶載啟動性能，使用陪試系統(tǒng)施加30%額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩。無刷直流勵磁同步電動機啟動過程波形圖如圖6所示。

圖6 無刷直流勵磁同步電機啟動過程波形圖Fig.6 Waveforms of brushless synchronous motor with DC excitation when starting

由圖6可以看出，整個啟動過程主要分為兩個階段。0～27 s為異步啟動階段，此階段轉(zhuǎn)子勵磁電流尚無法提供，由定子電流d軸分量提供轉(zhuǎn)子磁場，通過異步啟動矢量控制策略實現(xiàn)同步電機快速穩(wěn)定地加速到30 r/min，電流和轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)；從27 s開始，靜止勵磁轉(zhuǎn)置輸出較大的勵磁電流，同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁，定子電流d軸分量逐漸下降到零，進入投勵整步過程。此過程電機定子電流和轉(zhuǎn)速存在一定波動，但在閉環(huán)控制下會很快趨于穩(wěn)定，完成啟動過程，電機進入同步運行階段。

通過實驗結(jié)果可以看出，本文所提出的無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機從異步啟動到同步運行的平滑切換，有效消除電流沖擊，具備優(yōu)良的帶載啟動能力，實現(xiàn)較好的啟動控制性能。

4 結(jié)論

本文對無刷直流勵磁同步電機的啟動過程建立等效模型，在此基礎(chǔ)上提出了無刷直流勵磁同步電機的啟動控制策略。通過建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現(xiàn)不同閉環(huán)矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動及運行階段的高性能閉環(huán)矢量控制。通過實驗驗證表明，該控制策略能在無刷直流勵磁同步電機啟動過程提供優(yōu)異的調(diào)速性能和高啟動轉(zhuǎn)矩，平滑實現(xiàn)從異步啟動到同步運行的切換，擴展變頻調(diào)速范圍，在無刷直流勵磁同步電機的變頻調(diào)速領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。