許家群，閻寶光,2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124； 2.迅捷卓越傳動系統(tǒng)科技（北京）有限公司，北京 100102）

1 引言

籠型轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，也稱為自啟動永磁同步電機(jī)或異步啟動永磁同步電機(jī)（LSPMSM），具有高效率、高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)矩密度及具備自啟動能力等特點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中極具前景，相關(guān)研究主要集中在電機(jī)本體設(shè)計及直接啟動特性分析等方面[1-5]。

然而，隨著LSPMSM 容量不斷提高，起動 問題已經(jīng)逐漸阻礙了其推廣應(yīng)用，一個原因在于 LSPMSM 直接啟動電流過大[6]，此外，直接啟動過程電機(jī)轉(zhuǎn)矩不可控，會對負(fù)載造成較為嚴(yán)重的機(jī)械沖擊。在目前的實際應(yīng)用中，通常采用兩種方法解決上述問題。一是應(yīng)用品閘管調(diào)壓的軟啟動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低啟動電流，但啟動轉(zhuǎn)矩較小一直是其面臨的難題[7-8]。另一方法是使用通用變頻器，可應(yīng)用V/f等控制方式拖動LSPMSM 獲得優(yōu) 異的啟動性能[9]，然而啟動大容量LSPMSM 所需的大電流IGBT 等全控型功率器件使得變頻器成 本過高，難以被用戶接受。

負(fù)載換流逆變器（LCI）是一種電流源逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，有高速下的自然換流與低速下的電流斷續(xù)換流兩種換流模式，主要應(yīng)用于排風(fēng)機(jī)和抽水蓄能機(jī)組等大型電勵磁同步電機(jī)系統(tǒng)中[10-12]。LCI 主功率回路主要采用品閘管器件，因此其成本相對較低。

圖1 LCI 主功率電路 Fig.1 Main power circuit of LCI

從提高性價比的角度出發(fā)，LCI 是一種有潛在價值的大容量LSPMSM 軟起動解決方案。但是，傳統(tǒng)LCI 在低速運(yùn)行區(qū)采用斷續(xù)換流方式，會導(dǎo)致很大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動，并造成啟動時間長、拖動重載能力差等嚴(yán)重問題。為此，本文提出VSI/LCI 組合供電模式，采用低成本的霍耳元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，在電機(jī)低速運(yùn)行區(qū)應(yīng)用基于低耐壓值全控型功率器件的VSI 進(jìn)行準(zhǔn)無位置傳感器矢量控制，當(dāng)反電勢達(dá)到品閘管自然換流條件時切換到LCI 運(yùn)行，在保證低成本的基礎(chǔ)上有效提高傳統(tǒng)LCI 的低速性能。

本文給出了VSI/LCI 組合供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了包括VSI 準(zhǔn)無位置傳感器矢量控制及其與LCI 切換控制等在內(nèi)的相關(guān)軟啟動方法，基于Matlab/Simulink 軟件構(gòu)建了仿真模型，給出并比較了傳統(tǒng)LCI 和VSI/LCI 組合供電LSPMSM 的仿真結(jié)果，驗證了所述方法的有效性。

2 VSI/LCI 軟啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VSI/LCI 軟啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括LCI，VSI，LSPMSM 和切換開關(guān)等4 部分。

圖2 VSI/LCI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 The structure of VSI/LCI soft starter

與傳統(tǒng)LCI 相比，該結(jié)構(gòu)去掉了直流母線平波電抗器上反并聯(lián)的晶閘管。LCI 采用三相交流系統(tǒng)供電，經(jīng)晶閘管整流器和晶逆變器后驅(qū)動LSPMSM；VSI 僅需保證電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)啟動，因此直流母線僅需較低電壓，根據(jù)實際應(yīng)用的電壓等級采用MOSFET 或IGBT等全控型功率器件。

LSPMSM 上布置3 個互差120°電角度的霍耳元件作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，VSI 和LCI 輸出側(cè)經(jīng)三相斷路器開關(guān)進(jìn)行隔離，從而可以根據(jù)啟動進(jìn)程分別選擇其中一個用于驅(qū)動LSPMSM。

3 VSI/LCI 軟啟動方法

3.1 VSI 準(zhǔn)無位置傳感器矢量控制

圖3為LSPMSM 采用id=0 矢量控制策略下的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器輸出交軸電流給定值iq*，直軸電流給定值id*為零，與反饋量iq，id的偏差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器計算Ud，Uq，再通過2r/3s 變換得到Ua，Ub與Uc。

圖3 LSPMSM 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Vector control system for LSPMSM

VSI 矢量控制需要轉(zhuǎn)子位置θ的實時精確信息。由于霍耳元件輸出的是離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為了有效保證轉(zhuǎn)子位置檢測的準(zhǔn)確性，引入一階轉(zhuǎn)子位置辨識方法估算連續(xù)轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)準(zhǔn)無位置傳感器控制，具體如下：

式中：tk為當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置變化時間；tk-1為上一次區(qū)間變化時間；Δt為轉(zhuǎn)子位置變化時間；ωtk為電角速度；θk為轉(zhuǎn)子位置初始值。

3.2 VSI 到LCI 的切換及自然換流控制

當(dāng)VSI啟動LSPMSM轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10%時切入LCI 進(jìn)行自然換流。此時，LCI 開始工作，同時切掉VSI 主回路，之后工作在LCI 自然換流狀態(tài)以保證轉(zhuǎn)矩的連續(xù)性，直至額定轉(zhuǎn)速。切換過程中，轉(zhuǎn)速作為決定定子繞組反電勢的重要因素，是判斷自然換流的重要條件，實際應(yīng)用中，需要保證切換轉(zhuǎn)速確已滿足電機(jī)繞組反電動勢自然換流要求。切換過程如圖4所示，選擇所示k點(diǎn)為切換點(diǎn)，圖4中陰影部分為VSI 方式低速起動運(yùn)行區(qū)域，而后經(jīng)k點(diǎn)后切換為LCI 自然換流方式，既保證了換流的連續(xù)性，又保證了換流超前角γ0=60°。

圖4 VSI 與CSI 切換過程 Fig.4 The transition process from VSI to LCI

圖5為LCI 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)自然換流軟啟動控制結(jié)構(gòu)。其中，速度PI 調(diào)節(jié)器輸出作為直流母線電流給定，電流PI 調(diào)節(jié)器輸出作為整流器中晶閘管的觸發(fā)角給定，用于調(diào)節(jié)直流母線電流。

圖5 LCI 啟動控制結(jié)構(gòu) Fig.5 Soft start control structure of LCI

當(dāng)LSPMSM 運(yùn)行于高轉(zhuǎn)速，反電勢足以保證圖1中逆變器晶閘管V1～V6 進(jìn)行自然換流時，利用霍耳元件估算反電勢與轉(zhuǎn)子的相對位置，6個晶閘管V1～V6 在每個周期中分別導(dǎo)通120°電角度，之后處于關(guān)斷狀態(tài)，自然換流過程的6 個狀態(tài)如表1所示，由狀態(tài)①到⑥依次完成。為保證換流的可靠性，選取換流超前角γc=60°。

表1 自然換流工作狀態(tài) Tab.1 States during natural commutation process

4 VSI/LCI 軟啟動系統(tǒng)仿真

4.1 LSPMSM 數(shù)學(xué)模型

在忽略鐵心飽和、不計渦流和磁滯損耗等條件下，LSPMSM 在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表示如下：

式中：ud，uq為定子電壓分量；id，iq為定子電流分量；ikd，ikq為阻尼繞組電流；Ψd，Ψq為定子磁鏈；Ψkd，Ψkq是轉(zhuǎn)子阻尼繞組磁鏈；Rs為定子繞組電阻；Rkd，Rkq為阻尼繞組電阻；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)；J為軸上的轉(zhuǎn)動慣量；f為阻尼系數(shù)；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

仿真用LSPMSM 參數(shù)如下：p=2；nN=1 500 r/min；UN=380 V；Ld=47 mH，Lq=77 mH；Ψf= 0.112 Wb，Rs=0.885 Ω。

4.2 傳統(tǒng)LCI 啟動性能仿真

由靜止?fàn)顟B(tài)至切換轉(zhuǎn)速的低速啟動段采用斷續(xù)換流方式，超過切換轉(zhuǎn)速的高速段采用自然換流方式，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10 N·m，兩種換流方式的切換點(diǎn)定在300 r/min，同時換流超前角由γ0=0°變?yōu)棣?=60°。仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6a 為啟動過程電機(jī)轉(zhuǎn)速波形；圖6b 為啟動過程的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性；圖6c 為自然換流運(yùn)行時的繞組電流波形。

圖6 LCI 軟啟動仿真結(jié)果 Fig.6 Soft start simulation results of LCI

由仿真結(jié)果可見：低速斷續(xù)換流持續(xù)時間約為1 s，之后進(jìn)入自然換流運(yùn)行區(qū)，約5 s 達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并能夠拖動10 Nm 負(fù)載持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；斷續(xù)換流期間脈沖電流造成轉(zhuǎn)矩波動很大，并使得轉(zhuǎn)速較大波動；自然換流運(yùn)行期間，繞組電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波動均相對較小。

4.3 VSI/LCI 啟動性能仿真

負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，VSI 將電機(jī)拖至300 r/min 后切換至LCI 運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始為零。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 VSI/LCI 仿真波形 Fig.7 Simulation results of VSI/LCI

由仿真結(jié)果可知：軟啟動過程耗時5 s 完成，VSI 在低速起動階段轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，將電機(jī)拖至300 r/min；VSI 到LCI 切換前后定子電流較為平滑且沒有大的波動?？梢姡琕SI/LCI軟起動低速性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LCI。

自然換流后，因LCI 工作在120°導(dǎo)通模式，電磁轉(zhuǎn)矩存在一定波動，幅度相對VSI 較大，但是遠(yuǎn)小于斷續(xù)換流過程的波動幅度。

5 結(jié)論

LCI 采用晶閘管功率器件，硬件成本較低，在驅(qū)動大功率LSPMSM 啟動時具有較高的性價比優(yōu)勢。低速運(yùn)行區(qū)采用斷續(xù)換流方式導(dǎo)致很大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動，嚴(yán)重影響LSPMSM 的啟動性能。

在低速區(qū)，以矢量控制方式的VSI 替代斷續(xù)換流方式的LCI，因轉(zhuǎn)矩電流分量實時精確可控，可有效提高負(fù)載能力和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度并降低轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動。高速自然換流時LCI 采用120°導(dǎo)通方式，存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動，性能略差于VSI，但其成本相對較低且可靠性較高。VSI 僅需低壓全控型功率器件和霍耳元件作為位置傳感器，成本較低?？傮w來說，VSI/LCI 組合供電是一種極具性價比的LSPMSM 軟啟動解決方案。

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