無刷直流電機無電解電容控制系統(tǒng)研究

胡 鑫，蔡 鋮，毛夢婷，高芝彤，徐兆麟，趙海玲

(國網(wǎng)丹陽市供電公司,江蘇 丹陽 212300)

0 引 言

現(xiàn)如今，交-直-交供電模式廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中[1]，即電網(wǎng)電壓整流后再經(jīng)過三相電壓源型逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟娫賯鬏數(shù)诫姍C中。在傳統(tǒng)電路中，逆變器直流母線側(cè)通常并聯(lián)一個幾百至幾千微法的電解電容，該電容能夠起到穩(wěn)壓的作用。然而，電解電容存在以下缺點：首先，其內(nèi)部電解液會隨著溫度升高而蒸發(fā)導致電解電容容值變化。經(jīng)測試，普通的電解電容在105攝氏度條件下的壽命只有數(shù)千小時，在此基礎(chǔ)上，每升高十攝氏度壽命便會減半。其次，由于直流母線側(cè)有大電容，電網(wǎng)輸入側(cè)的電流會斷續(xù)，從而產(chǎn)生諧波影響到整體的電能質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，60%的驅(qū)動電路故障都是由電解電容損壞而導致的[2]。因此，設(shè)計出一種無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)成為當下研究熱點。此外，所設(shè)計的電路符合相應(yīng)的諧波標準時，才具有實際意義。

近年來，國內(nèi)外學者研究無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種做法[3-8]：首先是使用單相無電解電容變頻器拓撲結(jié)構(gòu)，即在單相交流電源供電下，直接將單相橋式整流電路和三相電壓源型逆變器之間的電容替換為容值為幾十微法的小電容。在這種簡單的電路拓撲上，可以更改電機側(cè)控制策略，將電機作為功率解耦的一部分，使其吸收電網(wǎng)側(cè)的脈動功率，從而達到輸入側(cè)高功率因數(shù)的目的。

文獻[7]提出了一種逆變器輸入功率跟蹤法，在電機轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)中加入了一個功率環(huán)，然后使用重復(fù)控制器對逆變器的理想輸入功率進行跟蹤，使得實際輸入功率為一個2倍于電網(wǎng)頻率的正弦信號，從而將輸入電壓和輸入電流同相，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。文獻[4]使用比例諧振控制器同樣實現(xiàn)了逆變器功率輸入跟蹤，在此基礎(chǔ)上又提出了一種逆變器功率補償法，能夠更加精確的跟蹤輸入功率，進一步提高了輸入側(cè)功率因數(shù)。

除了在電機控制環(huán)中增加功率環(huán)以外，還有一些學者提出了抬升直流母線電壓，從而提升功率因數(shù)的控制策略。文獻[9]提出了一種梯形波轉(zhuǎn)矩注入法，該方法抬升了整流橋的輸出電壓，讓二極管的導通角度變寬，系統(tǒng)性能得以提高。文獻[6]抬升了直流母線電壓，但是也導致了電網(wǎng)電流斷續(xù)，為此又采用了控制輸出電壓矢量的方法使輸入側(cè)電流諧波滿足IEC61000-3-2諧波標準。

第一種方案的優(yōu)點在于電路結(jié)構(gòu)簡單，無需加裝額外功率因數(shù)校正電路，系統(tǒng)體積小，功率密度高。然而，這種策略也存在著電機側(cè)功率波動大，電機轉(zhuǎn)矩脈動大等缺陷。因此只適用于空調(diào)壓縮電機等高速，小負載的系統(tǒng)中。

第二種方法是設(shè)計新型無電解電容功率變換器拓撲，具體做法是在單相不控整流橋與逆變器之間添加一個功率解耦電路。文獻[3]設(shè)計了一種類Z源的逆變器，并且使用了諧波注入法來抑制直流母線電壓的波動。但是這一電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只適用于大慣性負載。文獻[11]在傳統(tǒng)電路中直流側(cè)電容上串聯(lián)一個IGBT從而控制能量流向，并且對該IGBT進行斬波控制，這一控制策略提高了電能的利用率，并且保證電機三相電流連續(xù)。然而這一拓撲電路只適用于小功率場合，且效率不高。文獻[12]在四開關(guān)三相逆變器的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測控制算法來控制整流側(cè)的兩個開關(guān)管，再配合MTPA控制策略控制電機，從而達到了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，電機側(cè)性能好的效果。

本文以無刷直流電機為控制對象，提出了一種新型無電解電容功率變換器，并建立了系統(tǒng)功率平衡方程，通過該電路在不同工作狀態(tài)下的充放電，從而抵消了電網(wǎng)側(cè)的功率波動，在減小了直流母線電容的同時保證了電機的性能。并且，該電路能確保輸入側(cè)電流跟蹤電壓相位，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，減小了電網(wǎng)電流的諧波含量。其次，針對直流無刷電機的換向轉(zhuǎn)矩脈動，使用了一種移相控制策略，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了整個控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后，通過仿真和實驗驗證了該無解電容控制系統(tǒng)的有效性，電網(wǎng)側(cè)電流諧波含量符合IEC61000-3-2標準。

1 新型無電解電容功率變換器

1.1 功率平衡原理

圖1給出了新型無電解電容變換器拓撲，由單相交流電源，單相橋式整流電路，新型功率解耦電路，逆變器以及無刷直流電機構(gòu)成。設(shè)電網(wǎng)輸入電壓幅值為Vs，輸入電流幅值為Is，在功率因數(shù)為1的情況下，二者同相。則輸入端的瞬時功率為

(1)

式中,ω為電網(wǎng)的角頻率，由公式可知輸入瞬時功率由兩項組成，一項為恒定值，另一項為2倍于電網(wǎng)頻率的余弦變化量。

為使電機側(cè)獲得平穩(wěn)的功率，可得解耦電路的功率表達式為

(2)

由式(1)和式(2)得到系統(tǒng)的功率平衡方程：

Ps+Pbuf=PM

(3)

式中，PM為電機側(cè)的功率，根據(jù)式3繪制出了如圖2所示的功率守恒原理圖。當Pbuf為負時，解耦電路儲存電能，吸收了電網(wǎng)功率；當輸入功率不足以供給電機正常運行時，解耦電路釋放電能，確保電機側(cè)功率不變，起到了能量緩沖的作用。電機側(cè)功率為恒定值，可以表示為

(4)

圖1 新型無電解電容變換器拓撲

圖2 功率守恒原理

1.2 新型功率解耦電路工作原理

圖1為本文提出的新型無電解電容變換器拓撲，在A，B模塊中間的電路是本文提出的新型功率解耦電路。該電路共有三種工作模式，圖3給出了各個模式的電流流向。

工作模式1：S1和S2全部閉合。電網(wǎng)給電感L1充電，此時僅由電容C1，C2給電機供電。電感吸收電能，電容釋放電能。

工作模式2：S1斷開，S2閉合。電網(wǎng)與電感L1同時給C1，C2和電機供能，此時電感釋放上一工作模式中儲存的電能，電容C1，C2吸收電能。

工作模式 3：S1和S2全部斷開。此時電網(wǎng)以及電路中的所有儲能元件都給電機供電。

圖3 解耦電路工作模式

綜上所述，在不同模式中，電網(wǎng)和解耦電路分時交替向電機提供電能，使用這一電路不僅減小了直流母線電容的容值，同時電機側(cè)獲得平穩(wěn)的功率，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1.3 參數(shù)設(shè)計

本文所提出的新型功率解耦電路包含兩個開關(guān)器件S1，S2，一個電感L1以及兩個電容C1，C2。本節(jié)將介紹其中儲能元件的參數(shù)設(shè)計。

從圖2可知，若要使輸出功率PM為恒定值，解耦電路的功率必須與脈動的電網(wǎng)功率互補，因此可以得到儲能元件中的電能為

(5)

由式(5)可知，儲能元件中的能量由輸出功率以及電網(wǎng)角頻率ω決定。電容儲存的電能公式可表示為

(6)

式中，Uc_max和Uc_min分別為一個周期內(nèi)電容兩端電壓的最大值和最小值。將式(6)帶入式(5)中，可得電容容值的計算公式為

(7)

同樣的，可以得到電感感值公式為

(8)

其中，IL_max和IL_min分別為一個周期內(nèi)流過電感上電流最大值和最小值。

本節(jié)介紹了解耦電路的工作原理，包括功率平衡原理以及電路的三種工作模式。電路中的兩種儲能元件參數(shù)的設(shè)計也進行了詳細的描述，電路以及電機的控制方法將在下一節(jié)中進行論述。

2 控制策略研究

2.1 新型功率解耦電路控制

(9)

式中，Vs為輸入電壓幅值，θ為輸入電壓的相位角，可以通過鎖相環(huán)模塊采樣電網(wǎng)電壓獲得θ，PM為電機側(cè)功率，若忽略逆變器上的損耗，則PM可以等效為無刷直流電機的輸出功率：

PM=TΩ

(10)

(11)

圖4 解耦電路控制框圖

開關(guān)S1的作用是控制電感L的充放電，開關(guān)S2的不僅要控制電容C1，還要配合S1共同控制系統(tǒng)的功率因數(shù)。當S1和S2共同閉合時，系統(tǒng)進入工作模式一，輸入側(cè)引入電網(wǎng)電流，提高了輸入電流的正弦度。

圖5給出了S2的驅(qū)動信號產(chǎn)生原理，當脈動的輸入功率大于電機功率時，即在圖中的黑色區(qū)域時，S2的控制信號與S1相同，此時電路進入工作模式二，電網(wǎng)給電容C1和C2充電；當輸入功率小于電機功率時，開關(guān)S2斷開。電路進入工作模式三，電容C1和C2同時放電。

圖5 開關(guān)S2控制原理

2.2 無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制

無刷直流電機通常使用兩兩導通方式運行，即同一時刻只有兩相電樞繞組通電，每隔60°電角度變換一次。以圖一的逆變器為例，開關(guān)管的導通順序依次為T1T2——T2T3——T3T4——T4T5——T5T6——T6T1。

在兩兩導通控制方式下，因為電機內(nèi)部電感的續(xù)流以及總有一相繞組懸空，所以在換相過程中會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動，從而影響電機的性能。針對兩兩導通控制，有五種PWM發(fā)波方式，分別為H_pwm-L_on、H_on-L_pwm、pwm_on、on_pwm、H_pwm-L_pwm。經(jīng)理論分析[11]，常用的pwm_on發(fā)波方式換相轉(zhuǎn)矩脈動最小。本小節(jié)以pwm_on方法為基礎(chǔ)，提出了一種移相控制方式。

圖6 移相控制示意圖

在普通的pwm_on控制中，每個開關(guān)管的控制信號中，pwm和直通信號各占一半，即各占60°電角度。圖6給出了本文提出的移相控制示意圖，在該方法中，每個pwm信號在換相時刻延長一段時間后再切換為on信號，經(jīng)仿真驗證，這種方法有效地減小了換相時刻的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖7是使用移相控制前后的轉(zhuǎn)矩波形，由波形對比可知，圖7(a)的轉(zhuǎn)矩脈動為25%，圖7(b)中的轉(zhuǎn)矩脈動為9%。經(jīng)仿真驗證后得出以下結(jié)論：使用移相控制顯著的減小了無刷直流電機換相時刻的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖7 仿真波形

本文所提出的無刷直流電機無電解電容控制系統(tǒng)如圖8所示，電網(wǎng)側(cè)需要控制新型功率解耦電路中的兩個功率器件S1，S2，電機采用了滯環(huán)控制策略，并增加了移相控制算法。

圖8 系統(tǒng)控制框圖

綜上所述，本節(jié)介紹了新型功率解耦電路的工作原理，通過控制S1和S2兩個開關(guān)器件的切換，使得電路工作在三種不同的模式下。其優(yōu)點在于不僅提高了系統(tǒng)輸出側(cè)的功率因數(shù)，并且在母線電容替換為兩個容值為20 μf的小電容的情況下完成了功率解耦，促使電機側(cè)功率平穩(wěn)，改善了系統(tǒng)的魯棒性，并且負載電機獲得良好的動態(tài)性能。針對無刷直流電機的換相轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點，提出了移相控制策略，經(jīng)驗證，該方法能有效地抑制無刷直流電機的換相轉(zhuǎn)矩脈動。

3 仿真及實驗結(jié)果分析

3.1 仿真驗證

為驗證本文提出的無電解電容控制系統(tǒng)的可行性，在PSIM仿真環(huán)境下建立了該系統(tǒng)的仿真模型。仿真條件如下：單相輸入的交流電壓為150 V，電網(wǎng)頻率為工頻50 Hz，新型功率解耦電路中的電容C1=C2=20 μF，電感L=0.5 mH，電機給定轉(zhuǎn)速為1600 r/min，負載轉(zhuǎn)矩為1 Nm，無刷直流電機的極對數(shù)p=4，定子電阻Rs=1 Ω，定子電感Ls=0.00207 H。

圖9給出了新型功率解耦電路的波形，分別為電網(wǎng)電流ig和電網(wǎng)電壓ug。從圖中可以看出，電網(wǎng)電壓和電流均為工頻50 Hz，可以看出電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位相同，經(jīng)檢測，輸入側(cè)功率因數(shù)高達99.2%。

圖10為電網(wǎng)側(cè)電流ig的FFT分析結(jié)果，由圖可以看出，電網(wǎng)電流雖然含有一定比例的諧波，但是總體符合IEC-61000-3-2的A類標準。圖9，圖10說明了本文提出的新型功率解耦電路提高了電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，減小了輸入側(cè)的電流諧波。

圖9 輸入側(cè)波形

圖10 電網(wǎng)電流諧波含量

圖11 電機三相電流對比

圖11(a)為單相整加大電容的傳統(tǒng)電路控制下的無刷直流電機三相電流波形，圖11(b)為使用新型無電解電容功率變換器系統(tǒng)控制下的無刷直流電機三相電流波形。通過對比可以看出，新型無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的電流波形良好，轉(zhuǎn)矩脈動與傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)相差不大。

圖12給出了電機的轉(zhuǎn)速曲線對比，從圖9～圖12可知，本文提出的新型功率變換器及其控制策略不僅提高了輸入側(cè)電能質(zhì)量，并且確保了電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的無電解電容控制系統(tǒng)具有一定的實際意義。

圖12 轉(zhuǎn)速波形對比

3.2 實驗結(jié)果

最后，基于本文提出的無電解電容控制系統(tǒng)搭建了實驗平臺，由以下幾部分組成：電機驅(qū)動板，新型功率解耦電路，單相不控整流電路，電網(wǎng)輸入為單相50 Hz工頻交流電，主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS302F28335。實驗條件為：負載轉(zhuǎn)矩1 N m，轉(zhuǎn)速為1400 r/min

圖13 電網(wǎng)側(cè)波形

圖14 電網(wǎng)電流FFT分析結(jié)果

圖14為電網(wǎng)電流ig的FFT分析結(jié)果，該電流的諧波含量滿足IEC61000-3-2標準，充分說明了新型功率解耦電路的有效性。

圖15 電機三相電流波形

圖15給出了無刷直流電機的三相電流波形?？梢钥闯觯跓o電解電容控制系統(tǒng)下，三相電流波形為標準的方波，幅值和相位對稱，電流脈動小，電機的轉(zhuǎn)矩性能良好。

4 結(jié) 論

本文在功率平衡理論的基礎(chǔ)上提出了一種新型功率解耦電路，分析了該電路的工作模式，并給出了電路原件的參數(shù)設(shè)計。該電路能然后配合該電路，提出了一種抑制無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制策略。經(jīng)仿真和實驗驗證，得到以下結(jié)論：

(1)使用新型無電解電容變換器后可以提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，降低電網(wǎng)電流的諧波含量，改善了電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量。

(2)該系統(tǒng)完成了功率解耦，通過功率解耦電路的工作確保了電機側(cè)功率的平穩(wěn)，提高了負載側(cè)電機的性能。

(3)實驗結(jié)果表明，新型無電解電容控制系統(tǒng)在應(yīng)用于無刷直流電機時，有效的抑制了換相轉(zhuǎn)矩脈動，具有一定的實際意義。