基于三相交流調(diào)壓器的無刷同步電動機勵磁電流控制

高衛(wèi)民，彭鋼，黎雄，辛志遠(yuǎn)，王大慶，杜基夫

(1.中國核工業(yè)電機運行技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100043；2.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢430072)

無刷同步電機由于取消了碳刷和滑環(huán)，避免了有刷電機容易出現(xiàn)的拉弧、電火花并且需要定期維護(hù)更換等問題，具有防爆性好、運行可靠性高和維護(hù)成本低等優(yōu)點，在礦山、石化、鋼廠等各種發(fā)電和電驅(qū)動系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。無刷同步電動機在應(yīng)用于鋼廠高爐等高壓大容量場合時，因變頻啟動具有一次啟動成功率高、對電網(wǎng)沖擊小、功率因數(shù)高、一臺變頻器可以啟動幾臺電動機等優(yōu)點，往往采用變頻啟動方式。變頻器在啟動同步電動機時，需要電動機勵磁繞組有電流流通，用于捕捉轉(zhuǎn)子位置以及產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩。無刷同步電動機的勵磁機一般采用直流勵磁，在低轉(zhuǎn)速特別是零轉(zhuǎn)速時，無法建立旋轉(zhuǎn)磁場，從而不能給同步電動機提供有效勵磁，難以滿足無刷同步電動機變頻啟動要求[1]。

為解決上述問題，文獻(xiàn)[2]提出仍然采取無刷直流勵磁機，在轉(zhuǎn)子靜止或者低速旋轉(zhuǎn)時，采取斷續(xù)換流的變頻輸出，利用轉(zhuǎn)子極靴滑差感應(yīng)轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)初始非同步軟啟動，在電機加速過程中逐步建立主電機磁場，該方案要求同步電機轉(zhuǎn)子上必須有滑差繞組或者能替代滑差繞組的極靴。另一類方案是將勵磁機的勵磁方式改為交流勵磁，又分為單相交流勵磁、兩相交流勵磁、三相交流勵磁3類[3]。

單相交流勵磁方案：勵磁機結(jié)構(gòu)與直流勵磁機相同，區(qū)別是勵磁機勵磁繞組中通入的是單相交流電流。單相交流勵磁方案在電機轉(zhuǎn)子靜止時，勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生三相感應(yīng)電勢，但感應(yīng)電勢幅值偏低，并且與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，在某些轉(zhuǎn)子位置下降嚴(yán)重，不能滿足同步電動機的啟動要求[4]。

兩相交流勵磁方案：勵磁機定子設(shè)置空間相差90°電角度的2套對稱勵磁繞組，在2套繞組中通入相位相差90°的交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生三相感應(yīng)電動勢[5]。與單相交流勵磁方案相比，兩相交流勵磁方案勵磁機轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，并且感應(yīng)電勢幅值更高。

三相交流勵磁方案：勵磁機定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，定子繞組外接三相交流勵磁電源，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在3種交流勵磁方案中，三相交流勵磁方案能提供的轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢幅值最高，為優(yōu)選方案。

交流勵磁無刷同步電動機調(diào)速控制需要實時控制轉(zhuǎn)子勵磁電流，轉(zhuǎn)子勵磁電流的控制性能直接影響到同步電動機的調(diào)速性能。采用無刷結(jié)構(gòu)不能直接測量同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁電流，因此，計算轉(zhuǎn)子勵磁電流是交流勵磁無刷勵磁系統(tǒng)首先要解決的問題。

三相交流勵磁方案給勵磁機定子勵磁繞組提供可調(diào)的三相交流電流，可以采用三相逆變器或者三相交流調(diào)壓器。三相逆變器輸出電流幅值、頻率可調(diào)，中高容量系統(tǒng)較多采用IGBT器件。三相交流調(diào)壓器輸出電流頻率固定，幅值可調(diào)，功率器件采用晶閘管。當(dāng)前，除了考慮因高比例清潔能源接入電力系統(tǒng)引起的電網(wǎng)穩(wěn)定性下降問題，而開始采用IGBT構(gòu)成柔性發(fā)電機勵磁系統(tǒng)[6-7]和應(yīng)用較少的采用IGBT斬波電路的開關(guān)式勵磁系統(tǒng)以外，同步電機勵磁系統(tǒng)仍然以采用晶閘管器件為主。另一方面，晶閘管交流調(diào)壓電路于20世紀(jì)70年代末開始應(yīng)用于異步電機軟啟動等場合，取得了較成功的應(yīng)用。應(yīng)用在無刷同步電動機勵磁場合時，與IGBT構(gòu)成的三相逆變器相比，晶閘管三相交流調(diào)壓器控制相對簡單，器件相對便宜，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。

本文設(shè)計一種基于三相交流調(diào)壓器的無刷同步電動機勵磁電流控制方法，首先在分析三相交流勵磁無刷同步電動機工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了同步電動機勵磁電流的折算方法；接著分析三相交流調(diào)壓器帶交流勵磁機三相勵磁繞組的工作狀態(tài)、移相范圍，提出基于線性移相的勵磁電流閉環(huán)控制方法；然后基于MATLAB建立無刷勵磁系統(tǒng)仿真模型，仿真驗證上述勵磁電流控制方法的正確性和可行性；最后制造試驗樣機，通過實驗驗證勵磁電流控制方法的實際效果。

1 無刷同步電動機勵磁電流折算

圖1為三相交流勵磁無刷同步電動機原理圖。

圖1 三相交流勵磁無刷同步電動機原理圖

勵磁機為旋轉(zhuǎn)電樞式，勵磁繞組在定子上，電樞繞組在轉(zhuǎn)子上。勵磁機結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機類似，定子勵磁繞組、轉(zhuǎn)子電樞繞組均為三相繞組。勵磁機電樞繞組與旋轉(zhuǎn)整流器、同步電機勵磁繞組同軸旋轉(zhuǎn)[8]。勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器、三相交流調(diào)壓器、勵磁調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)[9]。

勵磁機定子三相勵磁繞組通電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，只要這個旋轉(zhuǎn)磁場與同步電動機存在轉(zhuǎn)速差，即使同步電動機靜止不動，勵磁機轉(zhuǎn)子三相電樞繞組均能切割上述旋轉(zhuǎn)磁場從而產(chǎn)生三相交流電動勢[10]，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器給同步電動機提供直流勵磁電流。勵磁調(diào)節(jié)裝置通過控制三相交流調(diào)壓器的輸出電流，即勵磁機三相交流勵磁電流，就可以控制勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組三相感應(yīng)電勢，從而實現(xiàn)對同步電機勵磁電流的控制。

同步電動機運行工況包括變頻啟動、變頻調(diào)速、工頻恒功率因數(shù)運行、工頻恒無功功率運行，同步電動機定子電樞繞組在變頻工況接入變頻器，在工頻工況接入工頻電源。無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)3種控制模式如圖2所示，與其他類型的電機控制普遍設(shè)置轉(zhuǎn)子電流控制內(nèi)環(huán)[11-12]相同，需要設(shè)置轉(zhuǎn)子勵磁電流控制內(nèi)環(huán)，實時精確控制轉(zhuǎn)子勵磁電流。圖2中：Idref、Id分別為同步電動機勵磁電流給定值、實際值，cosφref、cosφ分別為同步電動機功率因數(shù)給定值、實際值，Qref、Q分別為同步電動機無功功率給定值、實際值。

圖2 無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)控制模式

在變頻模式下，勵磁調(diào)節(jié)裝置接受變頻器發(fā)出的勵磁電流給定信號，調(diào)節(jié)三相交流調(diào)壓器的輸出，提供同步電動機變頻運行所需要的勵磁電流。在工頻恒功率因數(shù)和工頻恒無功功率運行模式下，勵磁調(diào)節(jié)裝置設(shè)置雙環(huán)，外環(huán)是功率因數(shù)環(huán)或者無功環(huán)，內(nèi)環(huán)是勵磁電流環(huán)，將功率因數(shù)外環(huán)或無功功率外環(huán)的計算結(jié)果作為勵磁電流環(huán)的給定。

勵磁調(diào)節(jié)裝置通過采樣同步電動機定子電樞繞組電壓、電流，計算出同步電動機的功率因數(shù)、無功功率；但是由于沒有碳刷和滑環(huán)，無法直接測量無刷同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁電流，需要通過能夠測量的參數(shù)間接計算得到。

圖3 交流勵磁機T型等效電路

由圖3等效電路可知：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可推出

(3)

(4)

式中：I2、I′2分別為歸算前后的勵磁機轉(zhuǎn)子繞組相電流有效值；m1、N1、kw1分別為勵磁機定子繞組相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)、繞組系數(shù)；m2、N2、kw2分別為勵磁機轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)、繞組系數(shù)。

交流勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后接同步電動機勵磁繞組；以三相整流為例，由于同步電動機勵磁繞組是一個大電感，忽略換相重疊角，交流勵磁機轉(zhuǎn)子電流為寬度120°的方波，其有效值I2與同步電動機勵磁電流Id的關(guān)系為

(5)

2 三相交流調(diào)壓器移相控制

圖4為三相交流調(diào)壓器帶交流勵磁機勵磁繞組原理圖，三相交流電源通過每相2個反并聯(lián)的晶閘管為勵磁機勵磁繞組提供三相勵磁電流，勵磁繞組為阻感性負(fù)載，采用星形連接。

圖4 三相交流調(diào)壓器帶交流勵磁機勵磁繞組原理圖

按照控制方式的不同，交流調(diào)壓電路分為移相控制和通斷控制2種類型。通斷控制交流調(diào)壓電路通過控制負(fù)載與交流電源接通與斷開周波數(shù)的比例來調(diào)節(jié)負(fù)載的平均電壓或平均功率，較多應(yīng)用在調(diào)光等場合[15]。移相控制交流調(diào)壓電路通過改變晶閘管的移相角，來改變各晶閘管的導(dǎo)通時間，從而控制輸出電壓、輸出電流波形及幅值[16-17]。相比之下，移相控制交流調(diào)壓電路更加適用于交流無刷同步電動機勵磁。勵磁調(diào)節(jié)裝置設(shè)置同步信號獲取環(huán)節(jié)，用于獲得三相交流輸入電壓過零點；采樣計算環(huán)節(jié)采集計算同步電動機三相定子電壓/電流、勵磁機勵磁電壓、勵磁電流、轉(zhuǎn)差率，并折算得到同步電動機勵磁電流；閉環(huán)控制環(huán)節(jié)根據(jù)圖2所示的控制模式進(jìn)行閉環(huán)控制運算，得到晶閘管的移相角；脈沖觸發(fā)環(huán)節(jié)生成晶閘管的觸發(fā)脈沖。

為構(gòu)成電流回路，交流調(diào)壓器每一時刻都要求不同相的2只或3只晶閘管導(dǎo)通，其中至少有1只流向負(fù)載端，1只流向電源。正常工況下，T1—T66只晶閘管依次循環(huán)觸發(fā)導(dǎo)通，相鄰2個晶閘管觸發(fā)時刻相差60°。用有限狀態(tài)機模型來分析圖4電路，共有表1所示的13 種工作狀態(tài)，可分為三相均導(dǎo)通、兩相導(dǎo)通、三相均不導(dǎo)通3類工況。

表1 三相交流調(diào)壓器帶星形負(fù)載工作狀態(tài)

三相交流調(diào)壓器的工作狀態(tài)由晶閘管移相角以及負(fù)載功率因數(shù)角決定，可表達(dá)為：

(6)

(7)

(8)

式(6)—(8)中：φ為負(fù)載功率因數(shù)角；f為電源頻率，Hz；默認(rèn)三相負(fù)載對稱，L為每相負(fù)載電感值，H；R為每相負(fù)載電阻值，Ω；α為晶閘管移相角；p為三相導(dǎo)通情況；W為三相調(diào)壓器工作狀態(tài)。

p=1，三相交流調(diào)壓器在W1—W6這6個工作狀態(tài)之間循環(huán)，即一直處于三相均導(dǎo)通的狀態(tài)；p=2，三相交流調(diào)壓器按照W1、W8、W2、W9……W13這12個工作狀態(tài)序列循環(huán)運行，即一直處于三相全導(dǎo)通、兩相導(dǎo)通交替運行的狀態(tài)；p=3，三相交流調(diào)壓器包含W7—W13這7種工作狀態(tài)，按照W8、W7、W9、W7……W13、W7這12個工作狀態(tài)序列循環(huán)運行，即一直處于兩相導(dǎo)通、三相全不導(dǎo)通交替運行的狀態(tài)。

圖4中，6只晶閘管的工作狀態(tài)、每相輸出電壓(忽略換向壓降)、每相輸出電流分別為：

(9)

(10)

(11)

式(9)—(11)中：Si(i=1,2,3,4,5,6)為各晶閘管的開關(guān)狀態(tài)；uA、uB、uC為三相交流輸入電壓；ua、ub、uc為交流調(diào)壓器三相輸出電壓；ia、ib、ic為三相輸出電流。

從上述分析可以看出，采用三相交流調(diào)壓器控制交流勵磁機勵磁電流，三相交流調(diào)壓器在不同的工作狀態(tài)之間循環(huán)，勵磁機勵磁電流與晶閘管移相角的關(guān)系不構(gòu)成簡單的余弦比例關(guān)系，因此同步電機勵磁控制普遍采用的余弦移相原理[18-19]不再適用。由三相交流調(diào)壓器控制算法的輸出求取晶閘管移相角不能采用圖5(a)所示余弦移相，而只能采用圖5(b)所示線性移相，即控制算法輸出的控制量與晶閘管移相角成線性關(guān)系?；诰€性移相，勵磁調(diào)節(jié)裝置在圖2所示3種控制模式基礎(chǔ)上，將Idref、Id分別除以同步電動機額定勵磁電流IdN，得到標(biāo)幺值Idref*、Id*，兩者之差經(jīng)過PI控制算法計算，再與π相減，就得到了晶閘管移相角的弧度值。根據(jù)前面分析的三相交流調(diào)壓器帶勵磁機勵磁繞組的移相范圍，將移相角限制在φ～5π/6。

圖5 移相原理圖

3 仿真及分析

圖6為在MATLAB中建立的無刷同步電動機交流勵磁系統(tǒng)仿真模型。仿真模型由交流電源、勵磁調(diào)節(jié)裝置、三相交流調(diào)壓器、三相交流勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器組成。勵磁調(diào)節(jié)裝置捕捉三相交流電源電壓同步信號，經(jīng)過閉環(huán)控制產(chǎn)生三相交流調(diào)壓器的移相觸發(fā)脈沖，控制交流勵磁機的輸出。三相交流勵磁機參數(shù)見表2。

圖6 無刷同步電動機交流勵磁系統(tǒng)MATLAB仿真模型

表2 勵磁機參數(shù)

圖7為不同移相角下交流勵磁機定子勵磁電流的仿真波形。由圖3電路可求得圖4中三相交流調(diào)壓器每相等效負(fù)載L=0.021 9 H，R=3.585 Ω，與f=50 Hz一同代入式(6)，可求得φ=62.5°。圖7(a)晶閘管移相角α=62°<φ，由式(7)可知，p=1，由式(8)可知，三相交流調(diào)壓器處于三相全導(dǎo)通的工作狀態(tài)。因此，圖7(a)勵磁機三相勵磁電流為正弦波形。

圖7(b)晶閘管移相角90°，由式(7)可知，滿足φ≤α≤φ+60°，p=2，由式(8)可知，三相交流調(diào)壓器處于三相全導(dǎo)通與兩相導(dǎo)通交替的工作狀態(tài)。因此，圖7(b)勵磁機三相勵磁電流為三相電流均不為0、兩相電流不為0且一相電流為0交替的波形。

圖7(c)晶閘管移相角為140°，由式(7)可知，滿足φ+60°<α≤150°，p=3，由式(8)可知，三相交流調(diào)壓器處于兩相導(dǎo)通、三相全不導(dǎo)通交替的工作狀態(tài)。因此，圖7(c)勵磁機三相勵磁電流為兩相電流不為零且一相電流為零、三相電流均為零交替波形。

圖7 不同移相角交流勵磁機三相勵磁電流仿真波形

從圖7可以看出，隨著三相交流調(diào)壓器晶閘管移相角的改變，勵磁機三相勵磁電流波形發(fā)生變化。隨著移相角的增大，輸出電流諧波成分也逐漸增大，表3為圖7中B相勵磁電流的諧波分析結(jié)果，諧波主要為6k±1(k取正整數(shù))次，其中5次、7次、11次諧波幅值較大。

表3 圖7中B相電流諧波分析

圖8為采用PI控制算法，控制目標(biāo)由6.2 A突變到62 A，勵磁機三相勵磁電流以及晶閘管觸發(fā)角的仿真波形。從仿真結(jié)果可以看出，由于PI比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki取值不同，圖8(a)電流階躍的控制效果明顯比圖8(b)差，圖8(a)三相勵磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間超過了1 s，而圖8(b)調(diào)節(jié)時間則在0.1 s以內(nèi)。因此，針對交流勵磁無刷同步電動機勵磁電流控制場合，需要優(yōu)選控制參數(shù)，在參數(shù)合適的情況下，可以達(dá)到較優(yōu)的控制效果。

圖8 勵磁電流階躍仿真波形

4 樣機試驗及分析

4.1 試驗樣機

本文設(shè)計了圖9所示的驗證樣機。試驗機組包括同軸旋轉(zhuǎn)的1臺變頻調(diào)速異步電動機、1臺交流勵磁機試驗樣機。異步電動機額定功率110 kW、額定轉(zhuǎn)速1 487 r/min，用1臺變頻器拖動，交流勵磁機的定子勵磁繞組由三相交流調(diào)壓器供電，三相交流調(diào)壓器由1臺勵磁調(diào)節(jié)裝置控制。為了便于測試，將交流勵磁機的轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)過工裝引出。交流勵磁機試驗樣機參數(shù)與表2仿真采用的交流勵磁機參數(shù)一致。

圖9 試驗樣機

4.2 試驗結(jié)果及分析

采用本文轉(zhuǎn)子電流折算方法，基于上述試驗樣機得到的轉(zhuǎn)子電流計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比見表4。由表4可以看出，轉(zhuǎn)子電流的計算值與實測值相符合，存在誤差的原因在于計算轉(zhuǎn)子電流時，忽略了勵磁機的鐵損、電阻隨溫度變化以及磁路存在著非線性等因素。

表4 轉(zhuǎn)子電流折算結(jié)果

基于上述試驗樣機，驗證三相交流調(diào)壓電路帶交流勵磁機勵磁繞組時勵磁機勵磁電流隨晶閘管移相角的變化規(guī)律。圖10為三相交流調(diào)壓器移相角分別為62°、90°、140°時勵磁機B相勵磁電流試驗波形。

三相交流調(diào)壓器處于三相全導(dǎo)通的狀態(tài)，勵磁機B相勵磁電流呈現(xiàn)正弦波形，如圖10(a)所示；三相交流調(diào)壓器處于三相全導(dǎo)通、兩相導(dǎo)通交替的狀態(tài)，勵磁機B相勵磁電流呈現(xiàn)導(dǎo)通一定時間、關(guān)斷一定時間交替的波形，如圖10(b)所示；三相交流調(diào)壓器處于兩相導(dǎo)通、三相全不導(dǎo)通的狀態(tài)，勵磁機B相勵磁電流也是導(dǎo)通、關(guān)斷交替的波形，幅值很低，如圖10(c)所示。圖10試驗波形與圖7仿真波形一致。

圖10 勵磁機B相勵磁電流試驗波形

圖10勵磁機B相勵磁電流諧波分析如圖11(截屏)所示，主要含6k±1(k取正整數(shù))次諧波，與表3仿真結(jié)果一致。為了檢驗勵磁電流PI控制的性能，基于試驗樣機進(jìn)行了勵磁電流給定階躍相應(yīng)試驗，PI參數(shù)kp=4、ki=100時的勵磁機B相勵磁電流試驗波形如圖12所示，調(diào)節(jié)時間小于0.1 s，與圖8(b)仿真結(jié)果一致。

圖11 圖10勵磁機B相勵磁電流頻譜分析結(jié)果

圖12 勵磁電流階躍響應(yīng)試驗波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于三相交流調(diào)壓器的無刷同步電動機的勵磁電流控制方法，通過理論分析、計算機仿真以及樣機試驗驗證，得出如下結(jié)論：

a)通過建立交流勵磁機等效電路，由可直接計算的勵磁機定子勵磁電壓、定子勵磁電流、轉(zhuǎn)差率，可以折算出勵磁機轉(zhuǎn)子電流，從而間接計算得到同步電動機的勵磁電流。

b)交流勵磁無刷同步電動機采用移相控制三相交流調(diào)壓器，可以有效調(diào)節(jié)勵磁機定子勵磁電流，從而控制主電機的勵磁電流。

c)勵磁電流控制采用基于線性移相控制的PI控制算法，可以取得較好的控制效果。