磁懸浮離心式高速永磁電機控制技術應用研究

段樹華，李新，李小霞

（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲，412001）

0 引言

本論文采用無傳感器矢量控制方法，通過估算轉子位置和轉速，來實現(xiàn)永磁電機的控制。本論文還研究了諧波和軸向張力抑制。高速磁浮離心永磁變頻器在高速運轉時，會產(chǎn)生大量的諧波，對電機的穩(wěn)定性和壽命造成影響。因此，本論文采用了多級濾波和諧波抑制技術，有效地降低了諧波的產(chǎn)生和影響。同時，本論文還針對電機的軸向張力問題，提出了一種基于電流反饋的軸向張力抑制方法，有效地提高了電機的穩(wěn)定性和壽命，本論文將研究成果應用于高速磁懸浮離心永磁裝置的試驗與驗證中。通過實驗驗證，本論文的研究成果在提高電機性能和穩(wěn)定性方面取得了顯著的成果，為高速磁浮離心永磁變頻器的應用和推廣提供了重要的技術支持和保障。高速磁浮離心永磁變頻器是一種高效、高速的電機，其控制要求更高。本論文通過研究永磁電機無傳感器矢量控制、諧波和軸向張力抑制、永磁電機發(fā)電方式等方面，提高了電機的性能和穩(wěn)定性，為高速磁浮離心永磁變頻器的應用和推廣提供了重要的技術支持和保障。

1 磁懸浮永磁直驅傳動系統(tǒng)

■1.1 變頻直驅傳動系統(tǒng)

采用 DFE 換頻器（二極管整流換頻器），在離心永磁直驅的基礎上，直接驅動高速永磁電機轉動，進而使其轉動，進而使壓縮機葉輪工作。無升降機的驅動鏈條具有高的效率。傳動系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 變頻直驅傳動系統(tǒng)圖

■1.2 磁懸浮軸承基本結構

該磁力支承系統(tǒng)主要由若干徑向、軸向支承與相應的位置換能器與控制器構成（見圖2）。

圖2 磁懸浮軸承結構示意圖

2 高速永磁無傳感器控制策略

■2.1 永磁電機數(shù)學模型

式(1)和式(2)中：di,qi,ud；uq是d 軸及q 軸上定子電流 A 及電壓 V 的成分。其中，dL是垂直軸線上的同步性電感量，qL是交叉軸線上的同步性電感量。ωe是以拉德/秒表示的馬達的電角速度。p表示的是一個差分算符。φf是以 Wb 表示的電動機永磁體的磁通。

■2.2 擴展反電動勢位置觀測器

由式(1)轉換得到永磁同步電機兩相靜止坐標系下數(shù)學模式如式(3):

式(4)中：uα、uβ、iα、iβ為測量值，對于觀測裝置的輸入，其反向電位是無法直接測定的，因此可以用實測數(shù)據(jù)和估算數(shù)據(jù)相結合的方法來求得。采用 PI 調整方法對逆EMF 進行了估算，具體如公式(5)所示。

公式(5)：其中，kp,ki是調整因子的正則化和積分參數(shù)，iα，iβ和eω 分別是iα，iβ和eω 對應的觀察值。在圖3中顯示了一個根據(jù)擴充的反 EMF 觀測器的構造方塊圖。其中eα和eβ代表了反電勢eα和eβ的計算值。

圖3 擴展反電動勢觀測器

■2.3 最大轉矩電流比控制

即，永磁同步電機的電流應該滿足：

可求得MTPA 控制方式下交直軸電流之間的關系；

對任何轉矩都有對應的di、qi合成，從而使得單位電流可以輸出最大的轉矩，從而實現(xiàn)最小的定子電流，更低的系統(tǒng)損耗。

■2.4 弱磁控制

當使用變頻調速器時， PMSM 的電壓和電流受到電壓極限橢圓公式(8)和電流極限橢圓公式(9)的約束，要擴大系統(tǒng)轉速調節(jié)范圍，同時又不增大變頻調速器的系統(tǒng)容量，必須在恒功率區(qū)對其進行弱磁場調節(jié)，以實現(xiàn)對其轉速的弱化提升。

從等式(8)和(9)可以看出，在中（-Φf/Ld,0）作為中心，并且隨著馬達旋轉速度的增加而縮短直徑減小的橢圓形。它的電流限制是一個圓，其中心（0,0）具有最大值為 Ismax（0,0）的半徑，見圖4。從公式(8)中進行分析，在速度ωe上升到某一值時。

中國書店藏90余件敦煌文獻中，確定有東晉寫本1件，南北朝寫本12件，隋寫本2件。其中有27件殘片合裝成冊，題為“敦煌殘拾”，原為方懿枚所藏。佛典占據(jù)總數(shù)的一半以上，此外有變文、經(jīng)疏、懺悔文、羯磨文等。非佛教文獻包括道教的行道儀、社司轉帖、賑契、詩歌、書儀、民俗作品等。藏文寫本包括3件吐蕃統(tǒng)治時期抄寫的《無量壽宗要經(jīng)》與1件泥金紺青紙寫經(jīng)1 后者是否出于敦煌藏經(jīng)洞，目前學界存在不同觀點，尚待進一步研究。 。

圖4 弱磁控制交直軸電流變化圖

電機弱磁控制是一種常見的控制技術，可以在不犧牲電機輸出功率的前提下，降低電機的能耗和噪聲。在實際應用中，常常需要考慮以下幾個關鍵點：

（1）壓達到最大電壓 Usmax

在弱磁控制中，為了降低電機的能耗，需要盡可能減小電機的電流。但是，電機輸出功率與電流的平方成正比，因此減小電流會導致輸出功率下降。為了保持輸出功率不變，需要在控制電流的同時增加電壓。當電壓達到最大值時，即可保持輸出功率不變的情況下實現(xiàn)最低能耗。

（2） 將（Ld·id+ψf)2+(Lq·iq)2 部分的值降低，實現(xiàn)弱磁升速

在電機弱磁控制中，需要控制電機磁場的強度，以實現(xiàn)輸出功率不變的情況下降低能耗。為此，可以通過改變電機的電流分量來控制磁場的強度。具體來說，可以將（Ld·id+ψf)2+(Lq·iq)2 部分的值降低，從而實現(xiàn)弱磁升速。

（3） 在弱磁控制中，交流軸的電流的變化表現(xiàn)在圖4 中

在弱磁控制中，需要對電機交流軸的電流進行控制。這些電流的變化可以通過圖4 來展示，從而更好地了解電機的工作狀態(tài)。具體來說，圖4 中的曲線表示了交流軸電流隨時間變化的情況，可以用于判斷電機是否處于弱磁控制狀態(tài)。

（4） O-A 的曲線表示了直至輸出電壓最大為止的常定扭矩范圍

在電機弱磁控制中，常常需要控制電機的扭矩輸出。為此，可以利用O-A 曲線來表示直至輸出電壓最大為止的常定扭矩范圍。這個范圍可以用于判斷電機是否工作在最優(yōu)的弱磁控制狀態(tài)下。

（5）使用最大扭矩與電流的比率來進行控制

在電機弱磁控制中，需要控制電機的扭矩輸出。具體來說，可以利用最大扭矩與電流的比率來進行控制。這個比率可以用于確定電機的扭矩輸出是否達到最優(yōu)狀態(tài)，從而實現(xiàn)最佳的弱磁控制效果。

綜上所述，電機弱磁控制是一種常見的控制技術，可以在不犧牲電機輸出功率的前提下，降低電機的能耗和噪聲。在實際應用中，需要注意以上幾個關鍵點，以實現(xiàn)最優(yōu)的弱磁控制效果，帶有磁場減弱的 MPTA 的方塊圖見圖5。

圖5 MPTA 與弱磁控制框圖

■2.5 無傳感器矢量控制策略

在圖6 中顯示了該無感測向量控制的工作原理和方塊圖，它是由速度外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)來實現(xiàn)的。

圖6 無傳感器矢量控制框圖

該設備適用于永磁電機的矢量和轉速調節(jié)。電動機電壓Va1是將電動機電流信號ia1、ib1、ic1合并而得到的。使用Va1，Vb1，Vc1，通過對馬達的速度和速度觀察器，可以得到馬達的速度信號 ωr和電壓的相位角信號1θ ，這樣就可以實現(xiàn)對馬達的無量綱化控制。采用最大轉矩－最大電流比（MTPA）提高電機工作特性，采用弱磁場拓展電機工作區(qū)間。由 SVPWM 矢量調制獲得開關控制信號Sa1、S1b、Sc1。

3 諧波與軸伸抑制

由于轉子電感值極低，其定子繞組內(nèi)容易出現(xiàn)大的諧波，從而導致轉子鐵芯損失大，且轉子溫度上升，因而對其溫度變化的影響至關重要。轉子的溫度調控是磁力支承的關鍵，已有的工作結果顯示，脈沖寬度調控下，轉子渦流損失的影響顯得尤其關鍵，平板型轉子系統(tǒng)中，定子相帶諧波、氣隙磁導諧波以及開關頻率誘導的時域諧波是其最大的三個諧波。

對于電磁支承式永磁電動機的低次諧波及軸向延伸現(xiàn)象，現(xiàn)有的解決方法包括高切換頻率及 LC 濾波器兩種，見圖7。結果表明：在直流側，轉子磁場沿周向渦電流的分布與電動機的極對數(shù)一致，其電流的幅值和損失與 PMW 的載波比密切相關；因此，隨著切換頻率的提高，轉子渦電流損失降低。LC 型濾波方法可以很好地抑制在開關頻率的整數(shù)倍范圍內(nèi)的電流，從而可以有效地減少定子回路中的諧波，減少轉子回路中的磁通損失。

圖7 諧波抑制方案示意圖

4 試驗與應用

通過對該系統(tǒng)的實驗研究，對該系統(tǒng)的控制方法進行了實驗研究，單位的永磁體馬達的參數(shù)見表1。

表1 機組永磁電機參數(shù)

■4.1 諧波與軸升

該裝置采取了以高切換頻率為基礎的諧波抑制和軸向補償。針對目前的磁浮裝置，提出了電流諧波小于5%、7次及以下的低次諧波小于3%、軸延伸率小于0.25 毫米的設計方案。對其進行了試驗，發(fā)現(xiàn)在各種切換頻率下，其諧波和軸向延伸情況如圖8 所示。在圖表中，左邊的縱線是電流的諧波值，右邊的縱線是軸的長度，橫線是切換頻率。由圖8 可見，當切換頻率提高時，對諧波及軸向能量的利用率下降。

圖8 諧波、軸伸與開關頻率關系曲線

■4.2 發(fā)電模式

作為一種很有價值的能源，其主要來源就是變頻調速系統(tǒng)中的直流母線。電力供應的斷開將引起電磁軸承的脫落，嚴重威脅到壓氣機的軸承的使用壽命。為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、持續(xù)運行，需要對電力系統(tǒng)進行保護。

變頻調速裝置是實現(xiàn)電動機速度、功率輸出的重要裝置。該系統(tǒng)要求有能力支持并穩(wěn)定電動機的 DC 端電壓，直至其速度降低至一個更小的安全速度。在此過程中，要求變頻調速系統(tǒng)的輸出是一個平穩(wěn)的、轉速估算和控制是一個平穩(wěn)的過程。這樣既可以保證裝置的穩(wěn)定與可靠，又可以防止裝置受到電壓的起伏與暫態(tài)電流的沖擊。

在電網(wǎng)掉電的情況下，變頻器需要能夠保持輸出穩(wěn)定，速度估計與控制穩(wěn)定，以確保設備的安全可靠。這是非常重要的，因為在電網(wǎng)掉電的情況下，設備需要能夠獨立運行。變頻器能夠控制電機的運行和停止，同時也能確保設備的穩(wěn)定性和可靠性。磁懸浮控制器的電源來源和變頻器的控制都非常重要，它們直接關系到設備的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在使用磁懸浮設備時，必須注意確保電源的穩(wěn)定性和連續(xù)性，同時也要注意變頻器的控制，以確保設備的安全可靠。

5 結束語

隨著技術的進步，大范圍的可調轉速、可精確定位、可實現(xiàn)對低磁場環(huán)境的有效抑制。這就需要對電動機進行精確地控制。此外，由于電磁支承所需的較小的軸向延伸率，對轉子溫度的控制也有較高的要求。因此，隨著 MHD 控制器在實際工程中的廣泛使用，其對 MHD 控制器的控制與保護能力的要求也隨之提高。另外，還需要對永磁電動機的發(fā)電方式以及它在供電支持中的應用進行深入的研究。

除此之外，高速電機本體散熱設計、阻感設計、輸出濾波器設計等方面還有待進一步研究。這些方面的研究，將有助于提高高速電機的性能和可靠性。

總的來說，隨著工業(yè)化的加速和技術的不斷進步，高速永磁電機的應用前景越來越廣闊。然而，要想更好地應對各種挑戰(zhàn)和需求，我們需要不斷強化研究和開發(fā)工作，不斷提高技術水平，以滿足市場和社會的需求。