顧維菱，劉闖，朱學(xué)忠

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016）

1 引言

永磁同步電機由于沒有勵磁繞組，不消耗激磁功率，所以損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，廣泛應(yīng)用于航空航天、國防和日常生活的各個領(lǐng)域［1］。但是由于永磁發(fā)電機沒有勵磁繞組，無法調(diào)節(jié)其磁場和輸出電壓、功率因數(shù)，從而限制了它的應(yīng)用范圍。近年來國內(nèi)外學(xué)者對永磁電機調(diào)壓、整流控制做了很多研究，目前最常用且成熟的永磁同步發(fā)電機（PMSG）調(diào)壓系統(tǒng)是傳統(tǒng)的AC-DC-DC拓撲。這種拓撲將交流電通過不控整流后輸給常用DC-DC（如BUCK，Boost，F(xiàn)lyback等）進行調(diào)壓，這種拓撲結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠且成本低，對于功率因數(shù)較高的PMSG，采用這種電路就足以獲得較好的輸出特性。

但DC-DC變換器含有無源LC濾波環(huán)節(jié)，在提高功率因數(shù)的同時卻使整流器重量、成本增加。減少儲能電感的體積、重量對于提升系統(tǒng)的功率密度有很大幫助。Baker 和Nie 等人曾在文獻［2-4］中提到由于永磁直線電機本身的內(nèi)置電感（電樞反應(yīng)電抗+漏抗）一般較大，可以用該內(nèi)置電感代替Boost 變換器的儲能電感，并將其應(yīng)用于直驅(qū)式海浪發(fā)電機。文獻［5］中對將該電路應(yīng)用于直驅(qū)式海浪發(fā)電機的控制進行了進一步探討?？紤]到PMSG的內(nèi)置電感也比較大，對于不可控整流+Boost 的調(diào)壓器，同樣可以用PMSG內(nèi)置電感代替Boost的儲能電感。在此基礎(chǔ)上本文將討論一種適用于中小型永磁同步發(fā)電機的無電感調(diào)壓器。

本文將研究這種無電感調(diào)壓器的拓撲，討論其工作原理和工作方式，并和傳統(tǒng)的Boost DC-DC 電路進行比較，最后將在高速電機平臺上進行實驗，驗證這種方案的可行性以及性能。

2 無電感調(diào)壓器的工作原理

2.1 無電感調(diào)壓器結(jié)構(gòu)研究

圖1 即為本文提出的新型無電感調(diào)壓器拓撲，對比圖2（常用的三相不可控整流橋+DC-DC調(diào)壓器）可以發(fā)現(xiàn)，該方案不僅能省略常用調(diào)壓結(jié)構(gòu)（見圖2）中的儲能電感，還可以省去前級濾波電容。由于發(fā)電機輸出三相交流電頻率相對開關(guān)管頻率而言比較低，經(jīng)過不可控整流橋之后變成脈動很大的6 脈沖直流電，為了后級獲得紋波較小的直流電壓，需要較大的紋波電容C0進行濾波，若能省去C0，可使系統(tǒng)的體積和重量進一步下降。

圖1 無電感調(diào)壓器拓撲Fig.1 Topology of non-inductive regulator

圖2 常用三相不可控整流+DC-DC電路Fig.2 Common circuit of three-phase uncontrolled rectifier+DC-DC

2.2 無電感調(diào)壓器系統(tǒng)分析

在對圖1 所示電路進行分析之前做以下假設(shè)：1）設(shè)電機輸出三相電壓幅值相等且相位差120°；2）設(shè)電機三相繞組內(nèi)置電感La=Lb=Lc=L且大小恒定；3）設(shè)開關(guān)管頻率（fs）遠大于電機輸出三相交流電頻率（fo），且在開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓保持不變。

電路的工作原理為：以Ua＞Ub＞Uc時進行分析，對于三相不可控整流橋，二極管D1，D6ON，其他二極管OFF。

當(dāng)fs遠大于fo時，默認在開關(guān)管Q 開關(guān)的單周期內(nèi)，Boost電路的輸入電壓基本保持不變，有UGO=Uac。由此，在單周期內(nèi)可以用Boost DC-DC電路原理討論電路工作原理。

開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)，電路等效電路圖如圖3 所示，電流流過Q，并通過電感La，Lc線性增長。

圖3 開關(guān)管開通時電流路徑Fig.3 Current path when switch tube is opened

開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)，D0導(dǎo)通，等效電路如圖4所示，電流通過二極管D0續(xù)流，向輸出側(cè)流動，電源功率和電感L 儲能向負載和電容C 轉(zhuǎn)移，給C充電。

圖4 開關(guān)管關(guān)斷時電流路徑Fig.4 Current path when switch tube is closed

此后Q又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在每個開關(guān)周期，電路可以等效為如圖5 所示的Boost DC-DC 結(jié)構(gòu)圖。其分析方式和Boost電路相似。

圖5 等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram

3 電路參數(shù)設(shè)計

無電感調(diào)壓電路的分析和Boost DC-DC 變換器相似，所以其元器件參數(shù)設(shè)計也可以參照Boost型電路進行［6］。

本文將選用現(xiàn)有500 W 高速永磁同步發(fā)電機為實驗對象，實驗測得該發(fā)電機轉(zhuǎn)速為60 000 r/min 時的三相電壓頻率為1 kHz，輸出線電壓有效值為14.5 V。系統(tǒng)的技術(shù)指標為：輸入電壓Uac=10～36 V，輸出電壓Uo=48 V，最小輸出電流Iomin=2 A，輸出功率Po=500 W，電壓紋波0.5%，開關(guān)管頻率fs＝43 kHz。

參考Boost電路，臨界電流為

由式（1）可知，當(dāng)D越接近1/3 時，IOB越大。令最小負載電流Iomin大于臨界負載電流，得

取L=21 μH，即La=Lb=Lc=10.5 μH。

式中：Rmin為最小負載電阻；fs為開關(guān)頻率。

由式（3）、式（4）得到fc=1/RC=0.544 kHz,C≥400 μF。

由于電路結(jié)構(gòu)中不含有前級濾波電容C0，且電機三相輸入電壓紋波較大，輸出濾波電容C應(yīng)該足夠大才能滿足輸出平穩(wěn)要求，取C=1 100 μF。

4 實驗驗證

本實驗框圖如圖6所示。實驗平臺為2臺高速永磁同步電機對拖，其中一個為電動機，作為另一臺電機（發(fā)電機）的原動機，電動機由控制器控制；發(fā)電機額定功率為500 W，最高轉(zhuǎn)速為108 000 r/min，后面接無電感調(diào)壓器。

圖6 實驗框圖Fig.6 The diagram of experiment

圖7 顯示了不同負載情況下的驅(qū)動波形、輸出電壓和UC3842電流輸入波形。

圖7 不同情況下的驅(qū)動、輸出電壓和芯片輸入電流波形Fig.7 Driving，output voltage and input current waveforms of chip under different conditions

圖7中空載情況下可以看出輸出電壓雖然有些許紋波，但比較平穩(wěn)，同時在負載3 Ω時電感不斷續(xù)，滿足要求。雖然在負載3 Ω時輸出電壓有所下降，但電壓變化率很小。

圖8和圖9分別為不同輸入電壓時調(diào)壓器輸出電流—效率（Io—η）曲線以及外特性曲線。

圖8 不同輸入電壓時的Io—η曲線Fig.8 Curves of Io—ηof different input voltage

圖9 外特性曲線Fig.9 Curves of external characteristic

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)輸入電壓較高時總體外特性較硬，在輸入電壓大于24 V時系統(tǒng)效率能保持83%以上。同時我們可以得到以下2個結(jié)論：

1）在相同負載情況下，輸入電壓越高，系統(tǒng)效率越高，外特性越硬；

2）在輸入電壓相同下，負載越重，效率越低，輸出電壓下降也較多，負載效應(yīng)較為嚴重。

其中結(jié)論1）是由于在相同輸出功率情況下，輸入電壓低導(dǎo)致輸入電流增加，使得前級損耗大大增加，效率也會下降，反之亦然；結(jié)論2）是在保持輸入電壓不變情況下，閉環(huán)的輸出電壓變化很小，負載加重，導(dǎo)致輸出電流增加，負載損耗以及采樣電阻等損耗增加，效率也隨之下降。

實驗結(jié)果表明該無電感調(diào)壓器工作性能穩(wěn)定，且PMSG內(nèi)置電感完全滿足實驗需求。用直流電橋測得發(fā)電機的內(nèi)部電感為16.17 μH，但是其內(nèi)置電感實際大小能否滿足所有無電感調(diào)壓器的需求還需要進一步論證。

圖10是在電機輸入線電壓有效值30.2 V，負載電阻為24.2 Ω時的采樣電阻上的電壓（電流）變化情況。

圖10 R=24.2 Ω時采樣電阻電壓值Fig.10 Voltage sampling of R=24.2 Ω

通過圖10我們可以推算電機內(nèi)部的電感：當(dāng)采樣電阻為0.05 Ω，轉(zhuǎn)速為60 000 r/min 時，電機的輸入線電壓Uac=30.2 V，當(dāng)Q為ON時，有

通過測得的電流增量ΔiL和時間增量Δt，計算得到L=23.6 μH。

可以看出實際測得的電感值大于用直流電橋直接測得的電感值，且大于設(shè)計值，說明是符合要求的，也證明了該電路的可行性。

由于本實驗所用電機是高速PMSM，體積較小，其內(nèi)置電感也比較小，一般低速PMSM 內(nèi)置電感較大，可達mH 數(shù)量級，都能滿足Boost 電路的需求。

此外該方案使用的是電機內(nèi)部的電樞反應(yīng)電抗［7］，除了使用直流電橋類儀表測得一個粗略的參數(shù)，目前還沒有成熟的方法對其進行檢測。所以為了獲得更好的系統(tǒng)性能，調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計可以和電機設(shè)計結(jié)合起來。

圖2 拓撲只能實現(xiàn)能量單向流動，適用于功率因數(shù)較高的發(fā)電機；而對于功率因數(shù)較低的發(fā)電機，可以采用如圖11所示的具有能量雙向流動的拓撲。通過DSP等數(shù)字控制芯片對其進行SPWM/SVPWM 控制，從而矯正因為大電感而導(dǎo)致發(fā)電機產(chǎn)生的電動勢與輸出電流之間的相位差。此外本文討論的無電感調(diào)壓器拓撲也可以應(yīng)用在兩相電路結(jié)構(gòu)。

圖11 具有雙向運行能力的無電感調(diào)壓器Fig.11 Non inductive voltage regulator with capacity of bidirectional operation

5 結(jié)論

相較于其他電機結(jié)構(gòu)，永磁同步電機具有功率密度大的優(yōu)點，并且在相同功率等級情況下結(jié)構(gòu)體積也小于一般發(fā)電機（凸極式電機、開關(guān)磁阻電機、混合勵磁電機等）。為了進一步減小永磁同步發(fā)電機對應(yīng)的調(diào)壓器的體積重量，本文提出將PMSG 的內(nèi)置電感代替Boost 直流變換器儲能電感的結(jié)構(gòu)，從而大大減小了調(diào)壓結(jié)構(gòu)的大小。

通過理論分析驗證了無電感調(diào)壓系統(tǒng)的可行性，而實驗結(jié)果更論證了其性能的穩(wěn)定性和實用性，而相比于傳統(tǒng)的三相橋整流電路，該拓撲在保證效率的情況下體積和重量都大大減小，增加了系統(tǒng)的功率密度，說明這是一種值得研究和推廣的電路拓撲結(jié)構(gòu)。

［1］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997．

［2］Mueller M A.Electrical Generators for Direct Drive Wave Energy Converters［J］.In Proc.Inst.Elect.Eng.Generation，Transmission and Distribution，2002，149（4）：446-456.

［3］Ran L，Tavner P，Mueller M，et al.Power Conversion and Control for a Low Speed，Permanent Magnet，Direct-drive，Wave Energy Converter［C］//3rd IET Int.Conf.Power Electron，Machines and Drives，（PEMD2006）.January 2006：17-21.

［4］Nie Z，Clifton P C J，McMahon R A.Wave Energy Emulator and AC/DC Rectifiers for Direct Drive Wave Energy Converters［C］//4th IET Int.Conf.Power Electron，Machines and Drives，（PEMD2008）.2008：71-75.

［5］聶贊相，肖曦，康慶.直驅(qū)海浪發(fā)電機的電力模擬與控制［C］//2012 臺達電力電子新技術(shù)研討會論文集，江蘇同里：臺達環(huán)境與教育基金會，2012：175-180．

［6］陳堅.電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)［M］．北京：高等教育出版社，2004．

［7］湯蘊璆.電機學(xué)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007．