吳克雄

(91515 部隊(duì)，海南三亞572016)

0 引言

在永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，經(jīng)脈寬調(diào)制后變頻器可輸出正弦波、方波電流或電壓，逆變器所采用的功率元件多為自關(guān)斷類，例如雙極性晶體管BJT、IGBT 等，主要用于為中小容量電動(dòng)機(jī)供電的逆變器。對(duì)于大容量交流調(diào)速系統(tǒng)，變頻器多采用半控型電力電子器件—晶閘管。由于這種元件的開通可控、關(guān)斷不可控，在逆變器中需采取特殊的關(guān)斷措施才能達(dá)到變頻的目的，因此由晶閘管組成的逆變器比自關(guān)斷元件組成的逆變器復(fù)雜很多。本文把交-直-交晶閘管電流型逆變器與永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，低速時(shí)利用斷流換流，高速時(shí)利用負(fù)載永磁電機(jī)的交流反電動(dòng)勢(shì)來關(guān)斷逆變器中的晶閘管［1，2］，省去強(qiáng)迫換流裝置。

1 多相永磁無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文以六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為例建立數(shù)學(xué)模型。電機(jī)的定子繞組為雙Y 移30°，轉(zhuǎn)子是表面貼磁結(jié)構(gòu)。為簡化分析過程［3］，作如下假設(shè)。

(1)忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗;(2)不計(jì)電樞反應(yīng);(3)磁極為斜30°電角度放置于轉(zhuǎn)子外表面，忽略齒槽效應(yīng)，用卡氏系數(shù)修正后，電樞繞組分布定子內(nèi)表面;(4)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用。

對(duì)于上述假設(shè)，可把電機(jī)繞組看成兩套三相完全對(duì)稱，由此可得出六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程

式中，L—自感;M1—定子繞組差60°的互感;M2—定子繞組差30°的互感。

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

式中，Te—電磁轉(zhuǎn)矩，N·m;p—電機(jī)的極對(duì)數(shù);ω—轉(zhuǎn)子的電角速度，rad/s。

運(yùn)動(dòng)方程為

式中，TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m;J—負(fù)載和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m·s2;f—轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)。

式(1)、式(2)和式(3)構(gòu)成了六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

2 逆變器換流的原理

2.1 反電動(dòng)勢(shì)換流法的運(yùn)行原理

逆變橋中晶閘管的換流可以采用其它強(qiáng)迫換流方法，但需要一套比較復(fù)雜的專門換流電路，價(jià)格昂貴、體積大、事故率高且不經(jīng)濟(jì)。因此除了某些特殊場合以外，一般較少采用。由于逆變器的負(fù)載本身是一臺(tái)自己能產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的永磁電機(jī)，晶閘管可直接利用電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來進(jìn)行換流，因此這種方法通常稱為反電動(dòng)勢(shì)換流法或自然換流法［4］。

設(shè)在換流以前晶閘管 T1、T2導(dǎo)通，如圖1(a)，電流由電源正極開始經(jīng)由晶閘管T1、A 相繞組、C 相繞組、晶閘管T2、電源負(fù)極?，F(xiàn)在要使電流由A 相流通切換到B 相流通，則應(yīng)觸發(fā)晶閘管T3導(dǎo)通并關(guān)斷晶閘管T1。

圖1 反電動(dòng)勢(shì)換流原理

在負(fù)載換流永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)就會(huì)在電樞繞組中感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)。從圖1(b)可知，如果按正常位置換流，應(yīng)在K 點(diǎn)觸發(fā)晶閘管T3進(jìn)行換流，即換流超前角β=0 的位置。當(dāng)晶閘管T3導(dǎo)通瞬間，T1兩端電壓為零，且隨著T3的繼續(xù)導(dǎo)通，晶閘管T1將不承受反壓而繼續(xù)導(dǎo)通，電源電流將在三相繞組中流通，造成換流失敗。因此，換流時(shí)刻應(yīng)比A、B 兩相電動(dòng)勢(shì)波形的交點(diǎn)K 適當(dāng)提前一個(gè)換流超前角，例如圖1(b)中的S 點(diǎn)換流。當(dāng)在這點(diǎn)觸發(fā)T3時(shí)，電動(dòng)勢(shì)EA＞EB，加在晶閘管T1上的電壓EAB=EA-EB＞0，則在兩個(gè)導(dǎo)通的晶閘管T1、T3和電機(jī)A、B 兩相繞組之間出現(xiàn)一個(gè)短路電流I，其方向如圖1(a)。當(dāng)這個(gè)短路電流接近原來通過晶閘管T1的負(fù)載電流Id時(shí)晶閘管T1就因流過的實(shí)際電流下降到不能維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流而關(guān)斷，負(fù)載電流Id就全部轉(zhuǎn)移到晶閘管T3。至此，A、B 兩相之間的換流全部結(jié)束，T2、T3兩管正常導(dǎo)通運(yùn)行。

上述換流回路中包括電機(jī)的兩相繞組，必然存在著電感，因此短路電流I 不可能發(fā)生突變，換流也不可能瞬間完成，而必然經(jīng)歷一個(gè)過程(用電角度表示)，稱為換流重疊角。此換流重疊角與換流角有關(guān)，還和換流前的電流大小有關(guān)。

在空載情況下，負(fù)載換流永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)利用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行換流，在相當(dāng)于換流超前角β 的一段時(shí)間內(nèi)T1承受了反向電壓，它能使晶閘管關(guān)斷。但電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，一方面由于換流重疊角的影響，使晶閘管通電時(shí)間延長;另一方面又由于電樞反應(yīng)的影響，永磁電動(dòng)機(jī)端電壓的相位將隨著負(fù)載的增加而提前一個(gè)功角，于是使負(fù)載時(shí)的實(shí)際換流超前角減小，晶閘管承受反向電壓的時(shí)間變短。因此對(duì)于不同的永磁電動(dòng)機(jī)，功角對(duì)換流的影響也要考慮。但是永磁電機(jī)的氣隙較大，電樞反應(yīng)的影響比電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)要小。

2.2 電流斷續(xù)換流法

電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)反電動(dòng)勢(shì)很小，反電動(dòng)勢(shì)換流法可能使電流型晶閘管逆變器不能正常地工作，因此電流斷續(xù)換流法就成為解決電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)晶閘管逆變器換流問題最簡單、經(jīng)濟(jì)的辦法，是負(fù)載換流永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)換流方法的有效補(bǔ)充［5］。

電流斷續(xù)換流法是指每當(dāng)晶閘管需要換流時(shí)，先設(shè)法使逆變器的輸入電流下降到晶閘管的關(guān)斷電流以下，讓逆變器的所有晶閘管均暫時(shí)關(guān)斷，然后再給換流后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)從一相到另一相的換流，由于只是在起動(dòng)和低速時(shí)使用斷續(xù)換流法，逆變器輸出的頻率較低，電流斷續(xù)的時(shí)間對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行影響不大，高速時(shí)則不行，故高速時(shí)不采用此法。

3 直流母線電感參數(shù)計(jì)算

在主電路圖2 中，它由相控整流器、母線電感和二極管、逆變器和電機(jī)電樞繞組等單元組成。逆變器采用兩套并聯(lián)的逆變器給雙Y 移30°六相永磁電機(jī)供電。相控整流器和兩個(gè)逆變器都由六個(gè)IRKT71-12 晶閘管組成，導(dǎo)通方式為兩兩導(dǎo)通模式。

圖2 電流型六相永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路

相控整流器的相控角是雙閉環(huán)PI 控制的輸出量，同時(shí)在低速起動(dòng)時(shí)，電機(jī)相繞組斷流是通過封鎖輸出整流器中六個(gè)晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。直流母線中的四個(gè)二極管在斷流換流起動(dòng)中使電機(jī)電樞繞組的電流迅速減小。其中電流型與電壓型的區(qū)別在于整流電路與逆變電路之間的電容與電感，電流型調(diào)速系統(tǒng)在逆變器前串聯(lián)一個(gè)電感，保持逆變器的輸入電流的基本不變;而電壓型調(diào)速系統(tǒng)在逆變器前并聯(lián)一個(gè)電容，保持逆變器的輸入電壓基本不變。

整流電壓中的交變分量包含多次諧波交流分量，在電流型交-直-交調(diào)速系統(tǒng)主電路的直流母線中有一個(gè)大電感使母線電流平滑，它對(duì)直流母線中交流分量的限制通常用電流脈動(dòng)系數(shù)Si來衡量。電流脈動(dòng)系數(shù)定義為整流輸出脈動(dòng)電流中最低頻率的交流分量幅值IdM與額定負(fù)載電流平均值Id之比［6］，即

脈動(dòng)的直流電壓Ud(ωt)可用傅立葉級(jí)數(shù)分解成直流分量和包含各次諧波的諧波分量，其諧波分量隨控制角α 變化。Ud的傅立葉表達(dá)式為

諧波次數(shù)越小，幅值越大，那么由式(5)可知六次諧波幅值最大。

三相全控整流時(shí)fd=300Hz。當(dāng)脈動(dòng)系數(shù)為10%時(shí)，計(jì)算得到的電感是LM=21mH。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

被控電機(jī)為六相8 極表面貼磁式永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，工作電壓小于320V，額定電流為75A，最高轉(zhuǎn)速為4 200r/min，電樞繞組的相電阻為R=0.1Ω。

系統(tǒng)控制框圖如圖3 所示，電流型六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)PI 控制。轉(zhuǎn)速為初始給定值，經(jīng)轉(zhuǎn)速環(huán)得到電流環(huán)的給定值，然后經(jīng)過電流環(huán)得到最終控制量—整流控制角。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的有效控制，本文以TMS320F2812 為全數(shù)字控制電路的智能控制芯片，控制電路的實(shí)物如圖4 所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)控制框圖

圖4 控制電路和主電路

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

被控電機(jī)在連接一臺(tái)直流電機(jī)的輕載情況下，進(jìn)行了起動(dòng)和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)速波形為DSP 計(jì)算得到的數(shù)字轉(zhuǎn)速經(jīng)過DAC7625 轉(zhuǎn)換后的模擬電壓、起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖5 所示。

圖5 輕載起動(dòng)母線總電流和轉(zhuǎn)速

由圖5 可得，起動(dòng)斷流換流階段電流尖峰很大，正常換流階段母線電流的變化受到轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)PI 控制，符合預(yù)期的變化趨勢(shì)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速在低速PI 參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)上升較快;500r/min 之后的小段時(shí)間為PI 參數(shù)轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)時(shí)間，然后在高速PI 參數(shù)的調(diào)節(jié)下轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，轉(zhuǎn)速的峰值約為1 600r/min，超調(diào)量為6.7%。

轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)定后的A1 相電流波形如圖6 所示。由圖6 可得A1 相電流為正或負(fù)時(shí)，中間有一次明顯的波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)是換流產(chǎn)生的，A1 相電流的周期為2.5ms。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)際直流母線電感量只有5mH，這是實(shí)驗(yàn)電流波動(dòng)的主要原因。

圖6 穩(wěn)定時(shí)A1 相電流

5 結(jié)語

本文以六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析了以晶閘管為整流橋和逆變橋的功率器件、以低速斷流換流和高速反電動(dòng)勢(shì)換流相結(jié)合的交-直-交電流型六相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

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