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(jī)運(yùn)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(jī)由于取消了碳刷和滑環(huán)，避免了有刷電機(jī)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(yùn)行可靠性高和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jī)等優(yōu)點(diǎn)，往往采用變頻啟動方式。變頻器在啟動同步電動機(jī)時，需要電動機(jī)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(jī)的勵磁機(jī)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(jī)提供有效勵磁，難以滿足無刷同步電動機(jī)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(jī)，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(shí)現(xiàn)初始非同步軟啟動，在電機(jī)加速過程中逐步建立主電機(jī)磁場，該方案要求同步電機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)與直流勵磁機(jī)相同，區(qū)別是勵磁機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子靜止時，勵磁機(jī)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(jī)的啟動要求[4]。

兩相交流勵磁方案：勵磁機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)調(diào)速控制需要實(shí)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，因此，計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)一種基于三相交流調(diào)壓器的無刷同步電動機(jī)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(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了同步電動機(jī)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(jī)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(yàn)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(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證勵磁電流控制方法的實(shí)際效果。

1 無刷同步電動機(jī)勵磁電流折算

圖1為三相交流勵磁無刷同步電動機(jī)原理圖。

圖1 三相交流勵磁無刷同步電動機(jī)原理圖

勵磁機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似，定子勵磁繞組、轉(zhuǎn)子電樞繞組均為三相繞組。勵磁機(jī)電樞繞組與旋轉(zhuǎn)整流器、同步電機(jī)勵磁繞組同軸旋轉(zhuǎn)[8]。勵磁機(jī)、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(jī)無刷勵磁系統(tǒng)[9]。

勵磁機(jī)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(jī)存在轉(zhuǎn)速差，即使同步電動機(jī)靜止不動，勵磁機(jī)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(jī)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(jī)三相交流勵磁電流，就可以控制勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組三相感應(yīng)電勢，從而實(shí)現(xiàn)對同步電機(jī)勵磁電流的控制。

同步電動機(jī)運(yùn)行工況包括變頻啟動、變頻調(diào)速、工頻恒功率因數(shù)運(yùn)行、工頻恒無功功率運(yùn)行，同步電動機(jī)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(jī)勵磁系統(tǒng)3種控制模式如圖2所示，與其他類型的電機(jī)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(shí)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(jī)勵磁電流給定值、實(shí)際值，cosφref、cosφ分別為同步電動機(jī)功率因數(shù)給定值、實(shí)際值，Qref、Q分別為同步電動機(jī)無功功率給定值、實(shí)際值。

圖2 無刷同步電動機(jī)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(jī)變頻運(yùn)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(yùn)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(jì)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(jī)定子電樞繞組電壓、電流，計(jì)算出同步電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，需要通過能夠測量的參數(shù)間接計(jì)算得到。

圖3 交流勵磁機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組相電流有效值；m1、N1、kw1分別為勵磁機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后接同步電動機(jī)勵磁繞組；以三相整流為例，由于同步電動機(jī)勵磁繞組是一個大電感，忽略換相重疊角，交流勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流為寬度120°的方波，其有效值I2與同步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)；采樣計(jì)算環(huán)節(jié)采集計(jì)算同步電動機(jī)三相定子電壓/電流、勵磁機(jī)勵磁電壓、勵磁電流、轉(zhuǎn)差率，并折算得到同步電動機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)行，即一直處于三相全導(dǎo)通、兩相導(dǎo)通交替運(yùn)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(yùn)行，即一直處于兩相導(dǎo)通、三相全不導(dǎo)通交替運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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。基于線性移相，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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)、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(jī)的輸出。三相交流勵磁機(jī)參數(shù)見表2。

圖6 無刷同步電動機(jī)交流勵磁系統(tǒng)MATLAB仿真模型

表2 勵磁機(jī)參數(shù)

圖7為不同移相角下交流勵磁機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)樣機(jī)

本文設(shè)計(jì)了圖9所示的驗(yàn)證樣機(jī)。試驗(yàn)機(jī)組包括同軸旋轉(zhuǎn)的1臺變頻調(diào)速異步電動機(jī)、1臺交流勵磁機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。異步電動機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)過工裝引出。交流勵磁機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)與表2仿真采用的交流勵磁機(jī)參數(shù)一致。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)

4.2 試驗(yàn)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(yàn)樣機(jī)得到的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表4。由表4可以看出，轉(zhuǎn)子電流的計(jì)算值與實(shí)測值相符合，存在誤差的原因在于計(jì)算轉(zhuǎn)子電流時，忽略了勵磁機(jī)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(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證三相交流調(diào)壓電路帶交流勵磁機(jī)勵磁繞組時勵磁機(jī)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(jī)B相勵磁電流試驗(yàn)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(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)波形與圖7仿真波形一致。

圖10 勵磁機(jī)B相勵磁電流試驗(yàn)波形

圖10勵磁機(jī)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(yàn)勵磁電流PI控制的性能，基于試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了勵磁電流給定階躍相應(yīng)試驗(yàn)，PI參數(shù)kp=4、ki=100時的勵磁機(jī)B相勵磁電流試驗(yàn)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(jī)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(yàn)波形

5 結(jié)論

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

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

b)交流勵磁無刷同步電動機(jī)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(jī)定子勵磁電流，從而控制主電機(jī)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。