一種用于直接轉(zhuǎn)矩控制的新型無刷勵磁

何 流

(銅陵有色集團(tuán)中鐵建銅冠投資有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前言

直接轉(zhuǎn)矩控制以其響應(yīng)快、動態(tài)性能好、控制方法簡單等優(yōu)點(diǎn)在變頻調(diào)速中得到越來越廣泛的應(yīng)用,而同步電動機(jī)具有容量大、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小等特性,用直接轉(zhuǎn)矩控制來控制同步電動機(jī)是一種理想驅(qū)動策略。進(jìn)入21 世紀(jì)以來,以永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為代表的相關(guān)研究在國內(nèi)外已獲得深入開拓和發(fā)展,但隨著稀土資源的緊缺和各國資源開發(fā)政策的調(diào)整,以稀土作為核心材料的永磁體價格成本不斷上漲,給永磁同步電機(jī)的發(fā)展帶來嚴(yán)重影響,許多已應(yīng)用永磁電機(jī)的工業(yè)場合在減少或放棄采用永磁電機(jī),用電勵磁替代永磁體是同步電機(jī)現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)電勵磁為有刷勵磁,配備換向器和電刷,需要定期維護(hù),并且不能用于易燃易爆場合,常規(guī)無刷勵磁雖然取消了換向器和電刷,但是穩(wěn)態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性較差,而直接轉(zhuǎn)矩控制中,對電機(jī)的動態(tài)特性要求較高,普通無刷勵磁無法滿足要求。本文介紹的新型無刷勵磁,基于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)將勵磁繞組設(shè)計成一種旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu),變壓器一次側(cè)接三相交流電源,二次側(cè)接整流二極管,具有良好的動態(tài)性能,能夠滿足同步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制要求,該套技術(shù)在國外某大型中資礦山磨機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中獲得成功應(yīng)用。

1 基本原理

整套新型無刷勵磁裝置由驅(qū)動單元、勵磁變壓器和旋轉(zhuǎn)整流器三大部分構(gòu)成。驅(qū)動單元為一套低壓交-交變頻器,變頻器中U、V、W 三相電源進(jìn)線分別連接兩只逆向并聯(lián)的IGCT 晶閘管,利用晶閘管的快速通斷特性完成對輸入電流的調(diào)節(jié)控制。變頻器輸出端接勵磁變壓器,變壓器一次側(cè)為隱極式三相星形繞組,固定在主電機(jī)轉(zhuǎn)子前端,也稱為勵磁機(jī)定子,變壓器二次側(cè)安裝在主電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上,繞組結(jié)構(gòu)與一次側(cè)相同,但會跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,也稱為勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)三相電流通過勵磁機(jī)定子繞組時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中感應(yīng)出三相電壓,輸出給旋轉(zhuǎn)整流器。旋轉(zhuǎn)整流器連接勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子和主電機(jī)轉(zhuǎn)子,將勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子上三相感應(yīng)電壓整流后饋送給主電機(jī)轉(zhuǎn)子,其主要裝置為6 只二極管構(gòu)成的三相橋式整流回路。整套勵磁系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)變壓器原理,完成從三相電源到勵磁變壓器,再到主電機(jī)轉(zhuǎn)子的電能輸送,因為采用高性能可控晶閘管作為控制元件,使勵磁電流調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)快速。另外,在勵磁電源主回路前端配備換向開關(guān),能夠?qū)崿F(xiàn)勵磁電流換向,以滿足同步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制需求。

由于無法在轉(zhuǎn)子軸上安裝傳感器,因此沒有直接測量值可用于控制?？刂茊卧鶕?jù)勵磁機(jī)定子側(cè)輸入電源的測量值和等效模型,計算并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流。下面就等效模型和勵磁電流控制方法給出介紹分析。

圖1 勵磁機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 勵磁系統(tǒng)電路原理圖

2 轉(zhuǎn)子電流

基于星形連接的變壓器,無刷勵磁等效電路圖如圖3 所示。

圖3 勵磁磁場等效電路圖

由于定子電阻Rs和轉(zhuǎn)子電阻Rm很小,計算時可以將兩者忽略,因此,化簡后的轉(zhuǎn)子電流計算公式為:

星形連接的磁場電流:

轉(zhuǎn)子電流計算:

整流后的轉(zhuǎn)子電流:

根據(jù)上述推導(dǎo)公式,可以由三相輸入電壓和輸入電流計算出整流后的轉(zhuǎn)子電流,再通過控制輸入電流來達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)子電流的效果。

3 勵磁電流控制

勵磁電流控制由驅(qū)動單元即低壓交-交變頻器完成,每相三相電源接兩個并聯(lián)逆向晶閘管,晶閘管的導(dǎo)通頻率決定著電流大小,只需要在變頻器控制軟件中調(diào)整參數(shù)就可以實現(xiàn)對勵磁輸入電流的精確控制,但實際應(yīng)用中往往還要考慮其他因素的影響。

3.1 二極管工作狀態(tài)

由于整流二極管安裝在轉(zhuǎn)子軸上,建立磁場的勵磁電流取決于二極管工作狀態(tài),兩種工作狀態(tài)下的等效電路圖如圖4 所示。

圖4 二極管導(dǎo)通與不導(dǎo)通等效電路圖

3.2 低通濾波器

當(dāng)整流的轉(zhuǎn)子電流減小時,勵磁電流根據(jù)其自身的時間常數(shù)減小。因為勵磁繞組電感很大,電阻非常小,實際的電流變換曲線應(yīng)該如圖5 所示。

圖5 實際電流變換曲線

為了適當(dāng)?shù)刂亟▌畲烹娏?一旦整流后的轉(zhuǎn)子電流減小,就會激活一個低通濾波器。該濾波器基于場激勵時間常數(shù)進(jìn)行調(diào)諧。

3.3 磁場頻率和方向

因為勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在主電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上,同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化會影響勵磁變壓器的傳輸效率。勵磁變壓器二次側(cè)感應(yīng)磁場的轉(zhuǎn)差為勵磁機(jī)定子電壓頻率加上同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速頻率,為減小轉(zhuǎn)速變化影響,勵磁機(jī)電源電壓頻率要至少達(dá)到同步電動機(jī)頻率的2～3 倍。同時,為避免轉(zhuǎn)速突變引起的浪涌電流,勵磁機(jī)定子電壓磁場方向需要與同步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,這也是配備輸入電源換向開關(guān)的目的,換向開關(guān)根據(jù)同步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)來控制三相電源相序。

4 動態(tài)響應(yīng)

傳統(tǒng)無刷勵磁多采用交流發(fā)電機(jī)原理,勵磁機(jī)定子電流為直流電,產(chǎn)生靜止磁場,通過勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流,其動態(tài)特性較差,感應(yīng)電流隨負(fù)載變化波動大。新型無刷勵磁由單獨(dú)勵磁回路供電,具有響應(yīng)時間短、穩(wěn)態(tài)性能好、調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)良特性,只要控制好靜態(tài)誤差,就能達(dá)到很好的控制效果。這種無刷勵磁在國外船舶、礦山等行業(yè)已有應(yīng)用業(yè)績,圖6 為項目現(xiàn)場采用高級直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的雙驅(qū)環(huán)齒球磨機(jī)啟動時電機(jī)電流和勵磁電流趨勢圖。

圖6 直接轉(zhuǎn)矩控制電流變化趨勢圖

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的新型無刷勵磁,其主要結(jié)構(gòu)為驅(qū)動單元、勵磁變壓器和旋轉(zhuǎn)整流器,利用電路等效模型推導(dǎo)出了勵磁電流傳遞關(guān)系,并分析了勵磁磁場重建時勵磁電流控制的方法和要點(diǎn),最后比較傳統(tǒng)無刷勵磁突出新型無刷勵磁的優(yōu)點(diǎn)特性,還給出了實際應(yīng)用中采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的電機(jī)勵磁電流動態(tài)響應(yīng)趨勢圖。隨著新能源政策的普及和高性能調(diào)速電機(jī)需求的不斷上漲,新型無刷勵磁擁有廣泛應(yīng)用前景。