無(wú)刷雙饋電機(jī)的雙饋與異步起動(dòng)控制策略

李珍平 王雪帆 陳 曦 孔 銘,2

無(wú)刷雙饋電機(jī)的雙饋與異步起動(dòng)控制策略

李珍平1王雪帆1陳 曦1孔 銘1,2

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074 2. 易事特集團(tuán)股份有限公司 東莞 523808）

無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種定子勵(lì)磁的雙電氣端口電機(jī)，與常規(guī)的異步電機(jī)、同步電機(jī)相比，具有多個(gè)自由度，運(yùn)行方式靈活。在電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，兩套電源需要先后投入使用。為了避免施加激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生沖擊并獲得理想的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)根據(jù)電機(jī)機(jī)械特性與應(yīng)用工況選擇合適的起動(dòng)方式。該文首先利用無(wú)刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型對(duì)其雙饋及異步運(yùn)行模式下的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析；然后針對(duì)這兩種運(yùn)行模式，分別提出了基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)控制策略與基于定子控制繞組開(kāi)路電壓跟蹤的雙饋起動(dòng)控制策略；最后利用一臺(tái)30kW的樣機(jī)建立無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提雙饋與異步起動(dòng)控制策略的可行性與有效性。

無(wú)刷雙饋電機(jī) 虛擬電阻 異步起動(dòng) 恒轉(zhuǎn)矩 雙饋起動(dòng)

0 引言

隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)與電力電子器件的發(fā)展，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注多電氣端口電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1-4]。其中，從級(jí)聯(lián)電機(jī)演化而來(lái)的無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brush- less Doubly Fed Machine, BDFM）作為一種定子勵(lì)磁型感應(yīng)電機(jī)，具有高可靠、間接控制與節(jié)省變頻器容量等優(yōu)點(diǎn)，在高低壓變頻調(diào)速[5-6]與變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域[7-8]有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖1a所示為繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子上有兩套極對(duì)數(shù)不同的獨(dú)立繞組，分別稱(chēng)為功率繞組與控制繞組，兩定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子繞組實(shí)現(xiàn)間接耦合。圖1b所示為基于無(wú)刷雙饋電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用兩象限變頻器可以滿(mǎn)足電機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速區(qū)間的控制需求。變頻器僅需承擔(dān)系統(tǒng)的一部分功率，對(duì)于僅需要在有限范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速的風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載而言，該系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，首要解決的是如何控制電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)快速地由0上升至設(shè)定值。然而，關(guān)于無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制策略研究，目前主要針對(duì)雙饋運(yùn)行模式進(jìn)行[9-10]，關(guān)于系統(tǒng)的起動(dòng)控制策略鮮有涉及。無(wú)刷雙饋電機(jī)具有異步、同步與雙饋三種運(yùn)行模式，工作在異步運(yùn)行模式時(shí)電機(jī)特性與繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)類(lèi)似[11]。對(duì)控制系統(tǒng)要求較低，但該模式下電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可能低于系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)矩。

文獻(xiàn)[12]針對(duì)籠型轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的不同起動(dòng)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真。文獻(xiàn)[13]參考繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的起動(dòng)方式提出了串聯(lián)電阻的方法，通過(guò)選擇合適的電阻使電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出較大的轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[14]則通過(guò)控制變頻器逆變橋下橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)定子控制繞組流出的有功功率，從而模擬外接電阻的特性。改變下橋臂導(dǎo)通占空比即可調(diào)整等效電阻的大小，控制方式較為靈活。文獻(xiàn)[15]專(zhuān)利基于風(fēng)力發(fā)電同步并網(wǎng)控制提出了一種適用于高壓無(wú)刷雙饋電機(jī)的雙饋起動(dòng)方法，隨后文獻(xiàn)[16]利用該方法在低壓系統(tǒng)中完成了雙饋起動(dòng)。但在應(yīng)用中，需要針對(duì)變頻器的輸出配置濾波器，且高壓電機(jī)系統(tǒng)中定子功率繞組的電壓檢測(cè)成本較高，不利于市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

對(duì)于調(diào)速范圍較寬且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的負(fù)載，選擇雙饋起動(dòng)的方式較為合適，但目前已有的雙饋起動(dòng)方案是基于風(fēng)力發(fā)電同步并網(wǎng)控制提出的，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，變頻器輸出需要增加濾波器。對(duì)于調(diào)速范圍較窄的場(chǎng)合，需要變頻器輸出的頻率范圍有限，為提高變頻器母線電壓的利用率，降低變頻器的輸出電流，無(wú)刷雙饋電機(jī)定子控制側(cè)通常選擇較高的壓頻比。由于靜止?fàn)顟B(tài)下電機(jī)定子兩套繞組的頻率一致[17]，定子控制側(cè)感應(yīng)出的開(kāi)路電壓大都高于變頻器的母線電壓，一般采用異步起動(dòng)模式，但在具體應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式。例如，對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的泵類(lèi)負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，在定子控制繞組中串接適當(dāng)?shù)碾娮璞憧梢詽M(mǎn)足異步起動(dòng)的要求。但多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)時(shí)泵的進(jìn)出口壓力差近似為額定值，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，依靠串聯(lián)電阻的方式難以滿(mǎn)足要求。無(wú)刷雙饋電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)方式需要綜合現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性與電機(jī)方案進(jìn)行選擇，因此研究無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步與雙饋起動(dòng)特性，為不同工況下的系統(tǒng)提供合適的起動(dòng)方案具有重要意義。

本文基于無(wú)刷雙饋電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，研究了電機(jī)在異步與雙饋運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩特性，分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)異步最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系。指出無(wú)刷雙饋電機(jī)異步軟起動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是選擇合適的電阻使電機(jī)能夠循一條最優(yōu)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線完成異步起動(dòng)。然后，推導(dǎo)了異步轉(zhuǎn)矩與定子控制側(cè)電流幅值的關(guān)系，在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)控制策略，采用電流滯環(huán)的方式控制逆變橋下橋臂的導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)便易行。根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)雙電氣端口交流勵(lì)磁的特性，提出了基于定子控制繞組開(kāi)路電壓跟蹤的雙饋起動(dòng)控制策略，無(wú)需對(duì)變頻器輸出進(jìn)行濾波，將電壓檢測(cè)轉(zhuǎn)移至定子控制側(cè)。最后，通過(guò)一臺(tái)30kW的樣機(jī)驗(yàn)證了這兩種控制方式的有效性。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性

對(duì)于定子功率繞組與工頻電網(wǎng)直接相連的系統(tǒng)，無(wú)刷雙饋電機(jī)主要有異步與雙饋兩種運(yùn)行模式，同步運(yùn)行模式通常僅為過(guò)渡狀態(tài)，可視為雙饋運(yùn)行時(shí)的一種特殊情況。在兩種運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)表現(xiàn)出不同的機(jī)械特性。本節(jié)將在無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)雙饋運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析。

1.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程

無(wú)刷雙饋電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可表示[18]為

式中，為極對(duì)數(shù)。

無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

根據(jù)式（1）中的轉(zhuǎn)子電壓方程，忽略轉(zhuǎn)子電阻，可以得到轉(zhuǎn)子電流矢量rdq、控制側(cè)電流矢量cdq與功率側(cè)電流矢量pdq之間的關(guān)系為

將式（3）代入式（2）中，無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以變換為

1.2 雙饋運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性

式（4）可進(jìn)一步改寫(xiě)為

式中，T為電流矢量pdq與cdq經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換之后相對(duì)各自同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸靜止的功率與控制側(cè)電流矢量之間的等效夾角，可視為雙饋運(yùn)行模式下電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩角。

表1所示為一臺(tái)1/3對(duì)極，30kW的繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的參數(shù)，利用該樣機(jī)參數(shù)可以繪制出如圖2所示雙饋運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，能夠較為直觀地反映出無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨定子電流幅值及轉(zhuǎn)矩角度變化的情況。

表1 無(wú)刷雙饋電機(jī)樣機(jī)參數(shù)

Tab.1 The parameters of prototype brushless doubly-fed machine

圖2 無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性

由圖2可以看出，雙饋運(yùn)行狀態(tài)下，無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性類(lèi)似于一臺(tái)由外部提供交流勵(lì)磁的同步電機(jī)。在電流pdq與cdq幅值恒定的情況下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨等效轉(zhuǎn)矩角T以正弦的方式變化，T=±p/2時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。

在矢量控制模式下，通過(guò)分解電流的勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩分量，可以控制式（5）中轉(zhuǎn)矩角的正弦量保持在一個(gè)較大數(shù)值，該方法可最大化地利用電機(jī)的輸出電流，有助于提高無(wú)刷雙饋電機(jī)的輸出能力。同時(shí)，合理地分配電機(jī)功率側(cè)與控制側(cè)的電流分量同樣有利于降低調(diào)節(jié)電機(jī)的損耗。相對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行模式，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩沒(méi)有最大值的限制。該模式下，無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出能力與轉(zhuǎn)速等無(wú)關(guān)，主要由變頻器容量與電機(jī)溫升決定，適合異步最大轉(zhuǎn)矩較小但又需要帶重載起動(dòng)的無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)。

2 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性

2.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩特性

在異步運(yùn)行模式下，無(wú)刷雙饋電機(jī)定子控制側(cè)通常直接短接或者串聯(lián)三相電阻后短接。為分析這種狀態(tài)下電機(jī)的機(jī)械特性，應(yīng)對(duì)式（1）中電機(jī)控制側(cè)的電壓方程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。異步運(yùn)行狀態(tài)下，式（1）中的定子控制側(cè)電壓方程可以改寫(xiě)為

式中，cL為控制側(cè)串聯(lián)的電阻。

針對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)，式（6）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式中，ceq為定子控制側(cè)串聯(lián)三相電阻后得到的等效電阻，可表示為

從而穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電流矢量rdq與控制側(cè)電流矢量cdq之間關(guān)系為

結(jié)合式（3）、式（4）與式（8）可以得到異步運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

其中

利用表1所示樣機(jī)參數(shù)可以繪制出異步運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線，能夠較為直觀地反映出外接電阻參數(shù)對(duì)電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩的影響。

串聯(lián)阻抗起動(dòng)的一個(gè)目的是降低電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，由式（1）、式（3）與式（8）可以得到圖3中異步運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)刷雙饋電機(jī)定子電流與外接電阻cL的關(guān)系曲線。如圖3a和圖3b所示，在不同轉(zhuǎn)速下通過(guò)串聯(lián)電阻的方式均可明顯降低異步起動(dòng)階段電機(jī)的定子電流。

圖3 異步運(yùn)行狀態(tài)下定子電流與外接電阻的關(guān)系

串聯(lián)電阻起動(dòng)的另一個(gè)目的是提高電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)無(wú)刷雙饋電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)式（11）可以得到如圖4所示在亞同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，e_asy=(cL,r)的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)定子控制側(cè)串聯(lián)三相電阻不會(huì)改變其異步運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)矩，但最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著cL發(fā)生偏移。因此，在異步起動(dòng)的過(guò)程中，適當(dāng)?shù)馗淖冸娮鑓L，可以讓電機(jī)保持理想的轉(zhuǎn)矩輸出。

圖4 異步運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

根據(jù)圖4中的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性可知，無(wú)刷雙饋電機(jī)串聯(lián)三相電阻異步起動(dòng)的實(shí)質(zhì)是選擇合適的電阻cL使電機(jī)能夠沿一條最優(yōu)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線完成異步起動(dòng)。在該過(guò)程中，電機(jī)的定子電流被限制在一定范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生沖擊。

2.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步最大轉(zhuǎn)矩與參數(shù)的關(guān)系

由式（11）可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩主要由定子功率側(cè)磁鏈幅值、電機(jī)參數(shù)與1決定。幅值與電機(jī)參數(shù)可視為常數(shù)，1則代表了外接電阻cL與電機(jī)轉(zhuǎn)速。假定外接電感為常數(shù)，分析式（3）～式（11）中1對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響即可得到無(wú)刷雙饋電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩隨外接電阻與電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。以e_asy為變量，1為自變量，對(duì)式（11）求導(dǎo)可得

無(wú)刷雙饋電機(jī)處于異步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速低于自然同步速，在該轉(zhuǎn)速區(qū)間，c為正數(shù)。因此，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，1將隨著電阻cL的增大而增大。另外，由于2與3同為正數(shù)，對(duì)一個(gè)固定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，e_asy是cL的減函數(shù)。在2-13＞0的階段，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩隨cL的增大而增大；在2-13＜0的階段，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩隨cL的增大而減小。因此，當(dāng)cL滿(mǎn)足式（13）時(shí)，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)處的cL表示為cL_max。

將式（13）代入式（11）即可得到電機(jī)在異步運(yùn)行階段的最大轉(zhuǎn)矩為

從式（14）可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步最大轉(zhuǎn)矩與定子功率側(cè)磁鏈幅值的二次方成正比，不隨外接電阻的變化而變化。由于式（13）的約束條件中電阻與c成正比，因此當(dāng)定子控制側(cè)外接電阻增加時(shí)，e_asy_max保持不變。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電阻ceq之間為線性關(guān)系，隨ceq的增大而下降。

對(duì)常見(jiàn)的無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，定子功率側(cè)直接與電網(wǎng)相連，定子控制側(cè)由變頻器提供激勵(lì)。作為多端口電機(jī)，其直觀反映出來(lái)的外部特性即為定子功率側(cè)連接電網(wǎng)后，定子控制側(cè)感應(yīng)出的開(kāi)路電壓。根據(jù)式（1）中電機(jī)的電壓方程，定子控制側(cè)的穩(wěn)態(tài)開(kāi)路電壓cdqo可表示為

結(jié)合式（9）與式（16）可以得到用定子控制側(cè)磁鏈表示的異步轉(zhuǎn)矩為

將式（13）中最大異步轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻cL代入式（16）可以得到該阻值下對(duì)應(yīng)的定子控制側(cè)磁鏈表達(dá)式為

從而無(wú)刷雙饋電機(jī)的最大異步轉(zhuǎn)矩也可以表示為

對(duì)式（21）進(jìn)行化簡(jiǎn)，忽略其中的極小項(xiàng)可以得到

式中，s為繞組漏感；m為繞組的勵(lì)磁電感。

由式（23）可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)異步最大轉(zhuǎn)矩e_asy_max與轉(zhuǎn)子繞組對(duì)應(yīng)控制側(cè)極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)的自感部分rc及定子控制側(cè)自感部分mc呈正相關(guān)。同時(shí)，e_asy_max與定轉(zhuǎn)子繞組漏感呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路方程，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流由p與c極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、回路電阻與轉(zhuǎn)子漏抗決定。因此，在繞組匝數(shù)不變的情況下，提高定轉(zhuǎn)子繞組的繞組利用率，降低轉(zhuǎn)子漏抗有助于增大無(wú)刷雙饋電機(jī)的最大異步轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（14）與式（15）可得，表1中樣機(jī)在1對(duì)極與3對(duì)極分別做功率繞組，與電網(wǎng)直連時(shí)，控制繞組處于開(kāi)路狀態(tài)下的壓頻比及電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 功率繞組采用不同極數(shù)時(shí)的定子控制側(cè)開(kāi)路壓頻比及異步最大轉(zhuǎn)矩

Tab.2 The open circuit voltage-frequency ratio of the control side and maximum asynchronous torque when the power winding selecting different pole numbers

從電機(jī)外特性來(lái)看，繞組利用率的增大將會(huì)提高電機(jī)定子控制側(cè)的開(kāi)路磁鏈。根據(jù)式（15），電機(jī)開(kāi)路狀態(tài)下定子控制側(cè)的壓頻比與磁鏈幅值成正比，該參數(shù)可作為電機(jī)異步最大轉(zhuǎn)矩的一個(gè)簡(jiǎn)單判據(jù)。對(duì)于控制側(cè)開(kāi)路狀態(tài)下壓頻比較高的無(wú)刷雙饋電機(jī)來(lái)說(shuō)，異步運(yùn)行模式下能夠提供的最大轉(zhuǎn)矩通常也較大。

3 電機(jī)的起動(dòng)控制策略

3.1 基于定子控制繞組開(kāi)路電壓跟蹤的控制策略

無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)雙饋起動(dòng)時(shí)需要解決的問(wèn)題包含電機(jī)定子兩個(gè)電源平滑接入及電機(jī)轉(zhuǎn)速由靜止升高到接近自然同步速。

作為一個(gè)多端口輸入電機(jī)，在定子的兩個(gè)激勵(lì)源分別投入的過(guò)程中可將無(wú)刷雙饋電機(jī)視為一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)下的發(fā)電機(jī)。文獻(xiàn)[15]參考無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方式，提出了一種適用于高壓無(wú)刷雙饋電機(jī)的起動(dòng)方法。首先使功率繞組與電網(wǎng)之間的接觸器保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，調(diào)節(jié)變頻器的輸出即可在定子功率繞組感應(yīng)出相應(yīng)的開(kāi)路電壓。然后根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)三相電壓與功率側(cè)三相電壓對(duì)變頻器的輸出進(jìn)行調(diào)整，使定子功率側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓保持一致。最后在該狀態(tài)下閉合定子功率側(cè)的接觸器即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的平滑接入，系統(tǒng)直接進(jìn)入雙饋運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)控制變頻器的輸出對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

采用上述方法完成電機(jī)定子兩個(gè)激勵(lì)源的平滑接入較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中存在下面兩個(gè)問(wèn)題：

（1）變頻器直接輸出的是高頻斬波，雖然與一定頻率的交流電壓等效，但直接作用到電機(jī)定子控制繞組，在定子功率繞組側(cè)感應(yīng)出的電壓波形如圖5所示。

圖5中的波形不能直接用于電壓采樣，需要在變頻器輸出側(cè)增加LC濾波器，成本較高，且電抗器本身體積較大，同時(shí)會(huì)增大系統(tǒng)損耗。

圖5 電機(jī)控制側(cè)與變頻器直連時(shí)功率側(cè)開(kāi)路電壓波形

（2）為實(shí)現(xiàn)定子功率側(cè)開(kāi)路電壓與電網(wǎng)電壓的同步，需要同時(shí)檢測(cè)定子功率側(cè)與電網(wǎng)電壓。對(duì)于高壓電機(jī)來(lái)說(shuō)，原本僅需在電網(wǎng)側(cè)安裝電壓互感器向控制系統(tǒng)提供采樣信號(hào)，現(xiàn)需要在電機(jī)定子功率側(cè)額外增加一套電壓互感器，提高了系統(tǒng)的成本。

考慮到電網(wǎng)與變頻器均可對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)提供激勵(lì)，相比于變頻器輸出的高頻斬波，電網(wǎng)電壓的正弦性較好，諧波含量可以忽略?？刹捎没诙ㄗ涌刂评@組開(kāi)路電壓跟蹤的起動(dòng)控制策略，首先閉合電機(jī)功率側(cè)接觸器，則定子控制側(cè)會(huì)感應(yīng)出與電網(wǎng)同頻率的開(kāi)路電壓。電機(jī)功率側(cè)接電網(wǎng)時(shí)控制側(cè)的開(kāi)路電壓波形如圖6所示，諧波含量較低，便于檢測(cè)，無(wú)需增加額外的濾波器。

圖6 電機(jī)功率側(cè)接電網(wǎng)時(shí)控制側(cè)的開(kāi)路電壓波形

然后，可控制變頻器輸出與定子控制側(cè)開(kāi)路電壓保持一致，即可將變頻器平滑地接入系統(tǒng)并進(jìn)入雙饋運(yùn)行狀態(tài)。另外，根據(jù)檢測(cè)到的定子控制側(cè)開(kāi)路電壓與電網(wǎng)電壓矢量角度，可以直接計(jì)算出轉(zhuǎn)子的初始位置角度。

無(wú)論是高壓或者低壓無(wú)刷雙饋電機(jī)，其定子控制側(cè)均設(shè)計(jì)為低壓系統(tǒng)。因此，利用常規(guī)的采樣電路即可完成對(duì)電機(jī)定子控制側(cè)開(kāi)路電壓的采樣，無(wú)需再針對(duì)高壓電網(wǎng)增加額外的電壓互感器。

3.2 基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)策略

定子控制側(cè)外接分級(jí)電阻可以有效地調(diào)節(jié)無(wú)刷雙饋電機(jī)在異步起動(dòng)階段的輸出轉(zhuǎn)矩，但由于串聯(lián)電阻的阻值不能連續(xù)變化，難以獲得最優(yōu)的異步起動(dòng)性能。采用變頻器虛擬電阻的方式，在電機(jī)異步起動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)控制變頻器下橋臂的導(dǎo)通比來(lái)控制定子端電壓以調(diào)節(jié)從定子流出的有功功率，可以模擬出外接電阻的效果。該方法無(wú)需額外的機(jī)械開(kāi)關(guān)，利用與定子控制繞組相連的變頻器就可以實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單實(shí)用。

將異步狀態(tài)下無(wú)刷雙饋電機(jī)的等效電路[19]進(jìn)行戴維南等效，轉(zhuǎn)換為具有內(nèi)阻抗的電壓源，然后與逆變橋相連即可得到如圖7所示的無(wú)刷雙饋電機(jī)虛擬電阻軟起動(dòng)模式下的等效電路。

圖7 無(wú)刷雙饋電機(jī)虛擬電阻軟起動(dòng)等效電路

圖7構(gòu)成了一個(gè)三相Boost電路，通過(guò)控制逆變橋下橋臂通斷的占空比on來(lái)調(diào)節(jié)端電壓c，對(duì)直流母線電容充電。整流單元的作用是消耗流向直流母線有功功率，維持母線電壓dc穩(wěn)定，可等效為一個(gè)阻值隨整流橋流出有功功率變化的電阻dc。

改變變頻器導(dǎo)通比的給定方式即可調(diào)整定子控制側(cè)串聯(lián)的等效電阻阻值，從而選擇一條合適的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線完成起動(dòng)。

根據(jù)式（10），電機(jī)定子控制側(cè)電流幅值隨外接電阻cL而變化；反之，若對(duì)定子控制側(cè)電流幅值進(jìn)行控制，則可改變電機(jī)的外接等效電阻cL_eq?？紤]到同等轉(zhuǎn)速下，采用虛擬電阻的方式，定子控制側(cè)的電流幅值與給定下橋臂導(dǎo)通占空比呈正相關(guān)。通過(guò)滯環(huán)的方式控制下橋臂占空比on在0～100%之間切換，可以保持控制側(cè)電流幅值恒定。

對(duì)式（10）進(jìn)行變換，可以得到控制側(cè)電流幅值與外接虛擬電阻之間的關(guān)系為

由式（24）可以看出，在電流icdq的幅值恒定時(shí)，(Rc+RcL_eq)/dc近似為常數(shù)。將表1中的樣機(jī)參數(shù)代入式（10）與式（11）可得如圖8所示的不同控制側(cè)電流幅值的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。該模式下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩恒定，與電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)類(lèi)似。采用該方式來(lái)控制占空比kon可以同時(shí)兼顧電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電流與轉(zhuǎn)矩大小，簡(jiǎn)單實(shí)用。

進(jìn)一步結(jié)合式（11）與式（24）可以得到如圖9所示電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩隨控制側(cè)電流幅值變化的曲線。從圖中可以看出，在定子控制側(cè)電流幅值較小時(shí)，電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩隨電流幅值的增大而增大；電流幅值超過(guò)一定范圍后，隨著電流的增大，電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩迅速下降。因此，采用電流滯環(huán)控制模式時(shí)，設(shè)定的電流幅值不能過(guò)高，應(yīng)參考電機(jī)定子電流的額定值。

圖9 異步轉(zhuǎn)矩-控制側(cè)電流幅值關(guān)系曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用表1所示的繞線轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)對(duì)本文所提出的兩種起動(dòng)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。無(wú)刷雙饋電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示，變頻器的載波頻率為3.125kHz，直流母線采用二極管整流的方式建立，起動(dòng)過(guò)程中流向直流母線的能量通過(guò)撬棒電路泄放掉。一臺(tái)同軸相連的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的負(fù)載，發(fā)電機(jī)的定子功率繞組接三相電阻箱。轉(zhuǎn)速由E6B2-CWZ6C增量式光電編碼器（歐姆龍）測(cè)量，分辨率為1 024脈沖/轉(zhuǎn)；輸出轉(zhuǎn)矩則由原動(dòng)機(jī)與負(fù)載電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩傳感器（湖湘測(cè)控）測(cè)量得到。電機(jī)定子繞組電流的dq分量數(shù)值則由變頻器通過(guò)串行通信的方式發(fā)送給上位機(jī)。

圖10 無(wú)刷雙饋電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.1 雙饋起動(dòng)控制

根據(jù)表2可以看出，3對(duì)極一側(cè)的定子繞組壓頻比較高，靜止?fàn)顟B(tài)下定子3對(duì)極相對(duì)于1對(duì)極為升壓關(guān)系。因此，本文以3對(duì)極作為功率繞組，1對(duì)極為控制繞組對(duì)雙饋起動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保變頻器直流母線電壓具有足夠的裕度。圖11給出空載狀態(tài)下采用雙饋起動(dòng)方式時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)波形，轉(zhuǎn)速給定值為800r/min，上升速度設(shè)定為每秒50r/min。

圖11a所示為變頻器以定子控制側(cè)開(kāi)路電壓為參考，執(zhí)行并網(wǎng)前后的電壓與電流波形。自上而下分別為控制側(cè)電流、功率側(cè)電流與控制側(cè)電壓。首先，閉合定子功率側(cè)接觸器使電機(jī)接入電網(wǎng)，變頻器的逆變橋處于閉鎖狀態(tài)。由于控制側(cè)感應(yīng)出的線電壓幅值c_amp低于變頻器的母線電壓，可認(rèn)為控制側(cè)處于開(kāi)路狀態(tài)，電流為0。然后檢測(cè)控制側(cè)三相電壓，并以該電壓為參考，變頻器執(zhí)行并網(wǎng)操作，輸出與控制側(cè)幅值、頻率與相位相同的電壓。從圖中可以看出，采用該方式可保證電機(jī)定子外接的兩個(gè)電源均能平滑接入電網(wǎng)，不存在沖擊。

圖11 空載狀態(tài)下的雙饋起動(dòng)過(guò)程

圖11b給出了空載狀態(tài)下，整個(gè)雙饋起動(dòng)過(guò)程的波形，自上而下依次是控制側(cè)電流、功率側(cè)電流、控制側(cè)電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速。從圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速按照設(shè)定曲線平穩(wěn)上升，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中定子電流變化較為平穩(wěn)?？刂苽?cè)電壓波形是變頻器直接輸出的電壓經(jīng)過(guò)二階低通濾波得到，濾波截止頻率為1kHz。在轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中，控制側(cè)頻率逐漸下降，在自然同步速時(shí)頻率為0，之后又隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而增大，控制側(cè)電壓以一定的壓頻比隨頻率而變化。變頻器開(kāi)始工作后，電機(jī)控制側(cè)電流上升，由于定子電阻與漏感上的壓降使得變頻器輸出的壓頻比略高于定子控制側(cè)開(kāi)路時(shí)的壓頻比。

圖12所示為帶載情況下，采用雙饋起動(dòng)方式的波形，自上而下依次為電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸端輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率側(cè)dq軸電流分量與控制側(cè)dq軸電流分量。

由于采用定子功率側(cè)磁鏈定向的方式，電流的d軸分量可視為勵(lì)磁分量，代表了功率側(cè)與控制側(cè)各自承擔(dān)的勵(lì)磁，q軸分量可視為轉(zhuǎn)矩分量，與軸端輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)。從圖12中可以看出，在變頻器開(kāi)始工作后，系統(tǒng)設(shè)定功率側(cè)的功率因數(shù)為1，則功率側(cè)電流的d軸分量為0，控制側(cè)承擔(dān)系統(tǒng)勵(lì)磁。在起動(dòng)過(guò)程中，定子功率側(cè)與控制側(cè)的q軸電流分量與轉(zhuǎn)矩呈正相關(guān)，與輸出轉(zhuǎn)矩同步變化，對(duì)該電流進(jìn)行控制即可保證電機(jī)轉(zhuǎn)速按照設(shè)定值平穩(wěn)快速上升。

圖12 帶載狀態(tài)下的雙饋起動(dòng)過(guò)程

4.2 異步起動(dòng)控制

異步起動(dòng)時(shí)選擇1對(duì)極作為功率繞組，3對(duì)極做為控制繞組。對(duì)起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行采集，取同一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可繪制出如圖13所示的電機(jī)異步起動(dòng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線。

圖13a為空載狀態(tài)下，電機(jī)直接短接控制繞組起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線?？梢钥闯?，采用該方式電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，接近自然同步速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩較大，不利于電機(jī)起動(dòng)。圖13b所示為空載狀態(tài)下采用基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式，將控制側(cè)電流設(shè)定為不同大小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線。以控制側(cè)電流幅值作為判斷依據(jù)，采用滯環(huán)的方式控制逆變橋下橋臂的導(dǎo)通比在0～100%之間進(jìn)行切換，保證在起動(dòng)過(guò)程中控制側(cè)電流幅值近似恒定。從圖13中可以看出，在該起動(dòng)控制方式下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似恒定，且轉(zhuǎn)矩大小隨控制側(cè)電流幅值而變化，與第3節(jié)的分析相符合，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在異步狀態(tài)下的恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。由于采樣后計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線均存在波動(dòng)，因此圖13中會(huì)出現(xiàn)同一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)矩的情況。但從曲線整體的趨勢(shì)來(lái)看，測(cè)量結(jié)果基本與理論分析相吻合。

圖14所示為帶載狀態(tài)下采用基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式的波形，自上而下依次是功率側(cè)電流、控制側(cè)電流、軸端輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器直流母線電壓。

圖14 帶載狀態(tài)下基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)過(guò)程

在起動(dòng)過(guò)程中設(shè)定控制側(cè)電流幅值為55A，從圖14中可以看出，在整個(gè)異步起動(dòng)過(guò)程中，軸端輸出轉(zhuǎn)矩均保持在較高水平且近似恒定。轉(zhuǎn)速上升過(guò)程平穩(wěn)，起動(dòng)時(shí)間約為2.5s，說(shuō)明該方式可以控制電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩的方式平穩(wěn)快速起動(dòng)，簡(jiǎn)單實(shí)用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，變頻器的直流母線電壓利用撬棒電路保持穩(wěn)定，觸發(fā)與關(guān)斷電壓分別設(shè)定為680V與660V。

5 結(jié)論

本文利用無(wú)刷雙饋電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型對(duì)雙饋及異步運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析，針對(duì)異步起動(dòng)與雙饋起動(dòng)兩種方式分別提出了相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行了驗(yàn)證?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

1）采用基于定子控制繞組開(kāi)路電壓跟蹤的雙饋起動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)定子兩個(gè)外接電源的平滑接入，順利完成起動(dòng)。該方式降低了雙饋起動(dòng)模式對(duì)變頻器輸出濾波器的要求，將電壓采樣轉(zhuǎn)移到控制繞組，有助于減少在高壓電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的成本。

2）無(wú)刷雙饋電機(jī)基于虛擬電阻異步起動(dòng)的實(shí)質(zhì)是在起動(dòng)過(guò)程中選擇一條虛擬電阻曲線，獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。

3）對(duì)基于虛擬電阻的異步起動(dòng)模式而言，采用電流滯環(huán)控制的方式可以達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的效果，通過(guò)調(diào)整控制側(cè)電流的設(shè)定值可以有效改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小，簡(jiǎn)單實(shí)用。

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Doubly Fed and Asynchronous Starting Control Strategies of Brushless Doubly Fed Machine

1111,2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. EAST Group Co. Ltd Dongguan 523808 China）

Brushless doubly fed machine (BDFM) is a kind of multi-port electrical machine with stator excitation, which has multiple degrees of freedom and flexible operation modes compared with the conventional asynchronous and synchronous machines. During the start-up process, dual stator windings of the BDFM are supplied with two different AC power sources successively. In order to avoid shock while obtaining the ideal output torque, the appropriate starting method should be selected according to torque characteristics and application conditions. Firstly, the torque characteristics of the BDFM under doubly fed and asynchronous modes are analyzed by the mathematical model. Then, a constant torque asynchronous starting control strategy based on virtual resistor and a doubly fed starting control strategy based on control side voltage tracking are proposed for asynchronous and doubly fed operation modes, respectively. Finally, an experimental platform based on a 30kW prototype is established, and the results verify the effectiveness and robustness of the proposed two starting control methods.

Brushless doubly fed machines, virtual resistor, asynchronous starting, constant torque, doubly fed starting

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210153

TM301.2

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52007070）。

2021-01-29

2021-03-11

李珍平 男，1992年生，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)刷雙饋電機(jī)及其控制系統(tǒng)。E-mail: lzp0915@126.com

陳 曦 男，1989年生，博士，講師，研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)與新能源發(fā)電技術(shù)。E-mail: xichenseee@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）