浮動(dòng)橋逆變器控制的單位功率因數(shù)空心杯感應(yīng)電機(jī)

彭理森，張 波

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510641)

0 引 言

空心杯感應(yīng)電機(jī)可看作實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的一種變形：把實(shí)心轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電銅層和鐵心分離，導(dǎo)電銅層形成空心杯轉(zhuǎn)子，鐵心不再隨空心杯轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，而是固定下來形成內(nèi)定子鐵心，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]?？招谋D(zhuǎn)子上無鐵心，轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?。豢招谋D(zhuǎn)子由整塊金屬鑄造而成，減小了制造缺陷和機(jī)械振動(dòng)的可能性；空心杯轉(zhuǎn)子還可以和傳動(dòng)對象一體化制造，簡化加工裝配過程，進(jìn)一步增強(qiáng)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性[2]。因此，空心杯感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，適用于渦輪分子泵、高速車床、家用電器等高速領(lǐng)域[3]。

但空心杯感應(yīng)電機(jī)為轉(zhuǎn)子無鐵心結(jié)構(gòu)，且存在內(nèi)外雙氣隙，有效氣隙長度較大，功率因數(shù)和輸出功率均比較低。文獻(xiàn)[4-5]對空心杯感應(yīng)電機(jī)的內(nèi)外氣隙長度及轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行優(yōu)化，但所設(shè)計(jì)樣機(jī)功率因數(shù)不超過0.6。高速領(lǐng)域常采用逆變器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流母線電壓固定，過低的功率因數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低空心杯感應(yīng)電機(jī)的輸出功率[6]。因此，空心杯感應(yīng)電機(jī)雖然機(jī)械性能優(yōu)良，但在高速領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀不如籠型高速感應(yīng)電機(jī)。對空心杯感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，提高輸出功率，有利于發(fā)揮空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，推動(dòng)其在高速領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，基于浮動(dòng)橋逆變器的雙逆變器拓?fù)湟堰\(yùn)用到籠型感應(yīng)電機(jī)以及永磁直線電機(jī)上，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)補(bǔ)償，提高電機(jī)的輸出功率范圍[8-10]。同時(shí)，浮動(dòng)橋逆變器無需兩套電源，節(jié)省了系統(tǒng)成本與體積，且取消了零序電流，對于空心杯感應(yīng)電機(jī)這種大氣隙電機(jī)是一種較好的功率因數(shù)補(bǔ)償策略。本文從T型等效電路出發(fā)，介紹了空心杯感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償機(jī)理及其對工作特性的影響，給出了浮動(dòng)橋逆變器的單位功率因數(shù)補(bǔ)償控制策略，最后在ANSYS電磁仿真軟件中搭建了空心杯感應(yīng)電機(jī)模型，使用場路耦合仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 功率因數(shù)補(bǔ)償機(jī)理

圖2為本文空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？招谋袘?yīng)電機(jī)定子繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，一端接電源逆變器，另一端接浮動(dòng)橋逆變器。浮動(dòng)橋逆變器的特點(diǎn)在于其母線電容電壓Vdc不與直流電源Vs相連接，兩個(gè)逆變器的母線電壓彼此獨(dú)立。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓相位滯后定子電流90°，其只發(fā)出無功功率，與電源逆變器以及空心杯感應(yīng)電機(jī)之間不存在有功功率交互，故其直流母線電壓維持穩(wěn)定。通過控制浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓幅值大小可對電源逆變器進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

圖2 空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將浮動(dòng)橋逆變器等效為可調(diào)無功補(bǔ)償電容，電機(jī)系統(tǒng)T型等效電路如圖3所示。圖3中，Us為電源逆變器輸出相電壓相量，I1、I′2分別為定、轉(zhuǎn)子相電流相量，R1、R′2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻，X1、X′2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組漏抗，Xm為勵(lì)磁電抗，XC為可調(diào)無功補(bǔ)償電容容抗。

圖3 T型等效電路模型

單位功率因數(shù)補(bǔ)償下，記XC的值為XC0。由T型等效電路模型可求得XC0表達(dá)式：

(1)

空心杯感應(yīng)電機(jī)氣隙較大，耦合系數(shù)比較低。以0.8的耦合系數(shù)為例，T型等效電路參數(shù)選擇：R1=0.38 Ω，R′2=0.32 Ω，X1=12.74 Ω，X′2=12.74 Ω，Xm=10.05 Ω。電機(jī)系統(tǒng)相量圖如圖4所示，α為電機(jī)本體功率因數(shù)角，β為電源逆變器功率因數(shù)角，虛線軌跡代表電源逆變器的最大輸出電壓，其受直流母線電壓Vs限制。電機(jī)輸入電壓Uin為電源逆變器輸出電壓Us與浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓U之差，其中，U=-jXCI1。

圖4 電機(jī)系統(tǒng)相量圖

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線

圖6 電源逆變器功率因數(shù)-轉(zhuǎn)差率曲線

2 浮動(dòng)橋逆變器控制

圖7 電機(jī)系統(tǒng)控制框圖

Qs=i1dusq-i1qusd

(2)

(3)

(4)

3 驗(yàn) 證

在ANSYS有限元仿真軟件中搭建驗(yàn)證平臺(tái)，主要包括三部分：空心杯感應(yīng)電機(jī)模型、功率電路模型以及控制回路模型?？招谋袘?yīng)電機(jī)參數(shù)取自文獻(xiàn)[4]所設(shè)計(jì)的樣機(jī)參數(shù)，在ANSYS Maxwell軟件中重建電機(jī)模型如圖8(a)所示，尺寸參數(shù)如表1所示[4]。

表1 電機(jī)模型尺寸參數(shù)

固定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在浮動(dòng)橋逆變器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，以300 r/min為步長，分別記錄4 000 r/min～5 500 r/min下空心杯感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem以及電源逆變器的功率因數(shù)cosβ，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖8 仿真模型

圖9 電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖10 電源逆變器功率因數(shù)-轉(zhuǎn)速曲線

在XC=0，即無浮動(dòng)橋逆變器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，電源逆變器的功率因數(shù)cosβ等于空心杯感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)cosα?？梢钥吹剑琧osα不超過0.6，過低的功率因數(shù)是由空心杯感應(yīng)電機(jī)的雙氣隙結(jié)構(gòu)決定的。在XC=XC0，即浮動(dòng)橋逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)補(bǔ)償時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem、功率因數(shù)cosβ-轉(zhuǎn)速曲線趨勢與等效電路模型所推導(dǎo)的一致，證明了浮動(dòng)橋逆變器可以改善電源逆變器的功率因數(shù)以及增大空心杯感應(yīng)電機(jī)的輸出功率。

圖11 電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的仿真波形

圖11給出了空心杯感應(yīng)電機(jī)從起動(dòng)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的仿真波形。起動(dòng)時(shí)，浮動(dòng)橋逆變器的母線電容電壓Vdc為0，電源逆變器輸出的大部分有功功率通過定子繞組給母線電容充電，母線電容電壓Vdc逐漸上升?？招谋袘?yīng)電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率較小，電磁轉(zhuǎn)矩較低，電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)下反轉(zhuǎn)。當(dāng)母線電容電壓Vdc逐漸上升，至滿足條件式(4)時(shí)，浮動(dòng)橋逆變器足夠補(bǔ)償空心杯感應(yīng)電機(jī)所需無功，電源逆變器的功率因數(shù)cosβ逐漸上升，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速升高?？梢钥吹?，電磁轉(zhuǎn)矩的上升趨勢和電源逆變器的功率因數(shù)cosβ上升趨勢是一致的。此后，電源逆變器一直工作于單位功率因數(shù)下。

4 結(jié) 語

本文將浮動(dòng)橋逆變器應(yīng)用于空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電源逆變器單位功率因數(shù)補(bǔ)償，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。該方法彌補(bǔ)了空心杯感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)低和輸出功率低的缺點(diǎn)，有利于改善其在高速領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。