魏佳丹， 史明明， 吳天國， 韓楚， 周波

(1.南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016;2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103;3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽 110035)

0 引言

隨著航空電源技術(shù)的不斷進(jìn)步，變頻交流電源系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)運(yùn)行效率高，能夠兼容傳統(tǒng)恒頻電源系統(tǒng)的各型用電設(shè)備，并且主電機(jī)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，能夠?qū)崿F(xiàn)起動(dòng)、發(fā)電一體化功能，成為目前大型飛機(jī)電源系統(tǒng)的首選方案，并且在新型的大型民用飛機(jī)A380、B787上獲得了成功應(yīng)用［1-4］。然而目前適用于變頻交流電源系統(tǒng)的無刷交流同步電機(jī)，雖然經(jīng)過50多年的發(fā)展歷程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成熟，但是其副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)、主電機(jī)三部分組成結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)靜止時(shí)，若采用傳統(tǒng)直流勵(lì)磁方式，主電機(jī)無法得到勵(lì)磁，即起動(dòng)過程存在勵(lì)磁困難，難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)運(yùn)行功能。

傳統(tǒng)無刷交流同步電機(jī)一般采用異步起動(dòng)，起動(dòng)過程中利用主電機(jī)轉(zhuǎn)子中阻尼繞組的感應(yīng)電流，產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩［5］。但是該方法需要對(duì)主電機(jī)勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)加以調(diào)整，串聯(lián)大電阻用來限制勵(lì)磁繞組的感應(yīng)過電壓，增加了電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、發(fā)電一體化。因此國、內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)控制問題，提出了勵(lì)磁機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制技術(shù)改進(jìn)等方法。Xu Mingzhou提出一種無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組結(jié)構(gòu)形式，起動(dòng)時(shí)將三相繞組通過接觸器構(gòu)成星型連接，提供三相交流勵(lì)磁，發(fā)電時(shí)則通過接觸器串聯(lián)成直流勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)［6］;D N Taneja提出一種勵(lì)磁機(jī)雙勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)方案，在傳統(tǒng)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)中增加一套三相交流勵(lì)磁繞組用于起動(dòng)控制，直流勵(lì)磁繞組用于發(fā)電控制，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電全過程勵(lì)磁控制［7-8］。上述勵(lì)磁控制方案均需要對(duì)勵(lì)磁機(jī)定子及繞組結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)交流勵(lì)磁能，并且需要在無刷交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子增加位置傳感器以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測。然而普通位置傳感器給系統(tǒng)帶來了高成本、安裝維護(hù)困難、抗干擾能力下降、可靠性降低等缺陷問題，因此通過各種不同的估計(jì)方法而得到電機(jī)的速度和位置信息的技術(shù)，一直以來成為其控制技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一［9-11］。

類似其他類型交流電機(jī)，采用基于反電勢和磁鏈估測法［12-14］、基于觀測器法［15］等方法均需要檢測無刷交流同步電機(jī)的反電勢，起動(dòng)運(yùn)行過程在零速或低速時(shí)會(huì)因反電勢過小或無法檢測而失敗，僅適用于高速運(yùn)行;文獻(xiàn)［16］中Goodrich公司針對(duì)APU起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，采用脈動(dòng)高頻電壓注入法，提取電機(jī)的高頻電流(電壓)信號(hào)以估算轉(zhuǎn)子的凸極位置及轉(zhuǎn)速，該方法無需知道電機(jī)的精確參數(shù)，也不需要額外的硬件。但由于無刷交流同步電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，采用高頻注入信號(hào)，將會(huì)在主電機(jī)勵(lì)磁繞組和阻尼繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)過程產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響到高頻信號(hào)注入法估測轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確性，并且該方法實(shí)現(xiàn)過程較為困難。

因此本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)過程勵(lì)磁控制問題，詳細(xì)分析單相交流勵(lì)磁工作原理及其效果，結(jié)合無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)工作原理，提出一種“初始定位+外同步+自同步”的方波電流形式起動(dòng)方法，并構(gòu)建起動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，對(duì)無刷交流同步電機(jī)的全轉(zhuǎn)速范圍起動(dòng)過程進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單相交流勵(lì)磁工作原理

無刷交流同步電機(jī)由副勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主電機(jī)三部分組成，其中副勵(lì)磁機(jī)為永磁發(fā)電機(jī)，僅在發(fā)電運(yùn)行時(shí)給勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)控制提供電源，實(shí)現(xiàn)無刷交流同步電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行，但在起動(dòng)運(yùn)行過程中不起作用;勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式電勵(lì)磁同步電機(jī)，勵(lì)磁繞組在定子側(cè)，三相電樞繞組在轉(zhuǎn)子側(cè)，并與旋轉(zhuǎn)整流器相連;主電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式電勵(lì)磁同步電機(jī)，勵(lì)磁繞組連接在旋轉(zhuǎn)整流器的輸出端兩側(cè)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中給勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組通電之后，其電樞繞組中感應(yīng)出電勢，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器后為主電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電，實(shí)現(xiàn)無刷勵(lì)磁功能?？梢?，在無刷勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁機(jī)是主電機(jī)勵(lì)磁繞組的供電來源，起動(dòng)全過程中需要對(duì)勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)勵(lì)磁電流進(jìn)行合理控制，從而實(shí)現(xiàn):(1)使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下能通過非電流過載的方式產(chǎn)生比額定值更大的轉(zhuǎn)矩;(2)通過弱磁實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行時(shí)，擴(kuò)展起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

但是無刷交流同步電機(jī)在靜止時(shí)，若勵(lì)磁機(jī)的定子側(cè)勵(lì)磁繞組采用直流勵(lì)磁，主電機(jī)將無法獲得勵(lì)磁，電機(jī)不能起動(dòng)［17］。在不改變無刷勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為解決這個(gè)問題，通常采用單相交流勵(lì)磁方案［18］。起動(dòng)時(shí)在原有勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入單相交流電，建立脈振磁場，在主電機(jī)勵(lì)磁繞組中感應(yīng)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，控制主電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)順利的起動(dòng);當(dāng)主電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，直流勵(lì)磁效果優(yōu)于單相交流勵(lì)磁時(shí)，再切換為直流電。這種方案無需改變電機(jī)結(jié)構(gòu)，使無刷交流同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)功能，具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組通入頻率為f1的單相交流電ife時(shí)，其建立的基波磁勢是脈振磁勢F，如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁機(jī)等效結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Equivalent structure of exciter

其中，設(shè)定勵(lì)磁電流為

式中:Ife為勵(lì)磁電流的幅值;ω1為勵(lì)磁電流的角頻率。

當(dāng)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率為ωe時(shí)，勵(lì)磁機(jī)a相繞組與勵(lì)磁繞組之間的磁鏈為

式中:Msfe為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組的最大互感系數(shù);α為初始時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)a相繞組軸線超前勵(lì)磁繞組軸線的電角度。

則勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

式中:ea-ex、eb-ex、ec-ex分別為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子a、b、c三相繞組感應(yīng)電勢;ωe為電機(jī)機(jī)械角速度;p為微分算子。

將上式推導(dǎo)得到勵(lì)磁機(jī)繞組感應(yīng)電勢為

式中，勵(lì)磁機(jī)感應(yīng)電勢由兩部分組成，其中第一部分是變壓器電勢，其幅值與勵(lì)磁電流的頻率相關(guān);第二部分是切割電勢，其幅值與電機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)。

根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流頻率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可分為以下3種情況:

(1)ω1?ωe時(shí)

ea-ex的示意波形如圖2所示，其包絡(luò)線Ea-ex的角頻率為ωe，即在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流等其它參數(shù)不變的情況下，隨著輸入交流電頻率的升高，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢幅值和頻率不斷增大，感應(yīng)電勢的幅值和頻率與勵(lì)磁電流頻率成線性關(guān)系。

(2)ω1接近 ωe時(shí)

由式(4)可知，感應(yīng)電勢大小由勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流頻率共同決定，即勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上的變壓器電勢和切割電勢都起作用。

圖2 在ω1?ωe情況下勵(lì)磁機(jī)感應(yīng)電勢示意圖Fig.2 Schematic diagram of the induced EMF at thecondition of ω1?ωe

(3)ω1?ωe時(shí)

即勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢近似與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例，此時(shí)感應(yīng)電勢主要為切割電勢，變壓器電勢可忽略。

因此無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)過程中可以根據(jù)電機(jī)參數(shù)及起動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍計(jì)算交流勵(lì)磁條件下勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢，選擇最優(yōu)的交流勵(lì)磁頻率。當(dāng)某一轉(zhuǎn)速下，直流勵(lì)磁感應(yīng)電壓幅值與交流勵(lì)磁相同時(shí)，即當(dāng) ω1=ωe時(shí)，交、直流勵(lì)磁勵(lì)磁效果接近，可作為勵(lì)磁切換點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

即當(dāng)勵(lì)磁機(jī)極對(duì)數(shù)Pe為3，單相交流頻率f1為50 Hz，計(jì)算得到的勵(lì)磁切換點(diǎn)轉(zhuǎn)速n為700 r/min左右。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，需結(jié)合電樞控制策略、負(fù)載情況適當(dāng)調(diào)整切換點(diǎn)的大小，保證無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)初始時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)為主電機(jī)提供足夠的勵(lì)磁電流，克服發(fā)動(dòng)機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)功能。

2 無位置起動(dòng)控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子初始定位

轉(zhuǎn)子初始位置的確定是無位置傳感器無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最小起動(dòng)時(shí)間［19］。傳統(tǒng)永磁電機(jī)通常采用通直流電的方法使轉(zhuǎn)子初始位置固定，實(shí)現(xiàn)初始位置判定，但是該方法通常不適用于帶發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的起動(dòng)系統(tǒng)。本文針對(duì)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)提出一種主電機(jī)感應(yīng)電勢法檢測轉(zhuǎn)子初始位置。

本系統(tǒng)中主電機(jī)采用三相六狀態(tài)120°導(dǎo)通模式，理想情況下，每時(shí)刻電機(jī)兩相繞組導(dǎo)通，另一相浮空。根據(jù)主電機(jī)反電勢波形可將主電機(jī)定子空間分為6個(gè)扇區(qū)，無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)每60°換相一次，在任一扇區(qū)內(nèi)主電機(jī)的電樞磁場總是超前轉(zhuǎn)子磁場60°到120°電角度，則定子電樞磁場總是吸引轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場，它們之間能夠產(chǎn)生正的平均電磁轉(zhuǎn)矩。因此在無刷交流同步電機(jī)起動(dòng)控制中僅需獲知轉(zhuǎn)子磁極初始位置所在扇區(qū)，對(duì)其位置精度要求不高，為轉(zhuǎn)子初始位置的檢測提供了方便。

圖3 無刷交流同步電機(jī)的初始定位原理結(jié)構(gòu)Fig.3 Principle structure of initial rotor position estimation for the brushless synchronous machine

初始位置檢測原理是在主電機(jī)電樞繞組不通電的情況下，投入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，其工作原理如圖3所示，在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中串入開關(guān)管T、二極管D和電阻Rc。無刷交流同步電機(jī)靜止時(shí)，在主電機(jī)定子繞組開路情況下，交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上施加勵(lì)磁電壓，一段時(shí)間后，由開關(guān)T切斷勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁機(jī)定子電流經(jīng)由其繞組中會(huì)感應(yīng)出電壓，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流后使D、Rc構(gòu)成的泄放回路從穩(wěn)態(tài)值減小到零過程中，得主電機(jī)激磁磁場也發(fā)生變化，在主電機(jī)定子側(cè)同樣會(huì)產(chǎn)生感生電勢。由于轉(zhuǎn)子初始位置判斷期間，主電機(jī)的定子繞組開路，其氣隙磁通僅由勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生，該反電勢信號(hào)能反映轉(zhuǎn)子的磁極位置。隨著主電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不同，其三相繞組感應(yīng)的電勢大小、方向也將不同。根據(jù)圖4所示無刷勵(lì)磁勢為負(fù)。通過對(duì)主電機(jī)定子三相繞組感應(yīng)電壓極性同步電機(jī)主電機(jī)的物理模型，θ1～θ6表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的6個(gè)扇區(qū)。假設(shè)轉(zhuǎn)子磁極d軸與A相繞組軸向垂直，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通增大時(shí)，A相繞組無感應(yīng)電勢產(chǎn)生，而B、C兩相繞組上產(chǎn)生方向相反、大小相等的感應(yīng)電勢，且B相感應(yīng)電勢為正，C相感應(yīng)電判別，就可以確定出主電機(jī)轉(zhuǎn)子直軸所處的扇區(qū)位置。表1中列出了轉(zhuǎn)子磁極所在扇區(qū)與感應(yīng)電勢極性之間的關(guān)系，根據(jù)檢測的主電機(jī)三相繞組感應(yīng)電勢的極性即可判定轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)。

圖4 無刷勵(lì)磁同步電機(jī)主電機(jī)等效模型Fig.4 Equivalent model of main generator for the brushless synchronous machine

表1 主電機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢極性表Table 1 Polarity of the induced EMF of phase winding

2.2 他控式起動(dòng)

主電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置確定后，控制器會(huì)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向給定外同步信號(hào)，觸發(fā)逆變器相應(yīng)功率管導(dǎo)通。外同步換相信號(hào)從低頻到高頻逐漸增加，無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之由靜止逐步加速。

在實(shí)現(xiàn)他控式加速起動(dòng)時(shí)，主控制器預(yù)先設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速理想變化規(guī)律稱為加速曲線，加速曲線的變化規(guī)律受電機(jī)的負(fù)載大小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及外施電壓等諸多因素的影響。根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，電機(jī)從靜止至低速運(yùn)行階段，由于轉(zhuǎn)速較低，其中摩擦系數(shù)可忽略，則電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可簡化為

式中:Te為合成轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

若定義三相反電勢ea、eb、ec為轉(zhuǎn)子角速度和位置的函數(shù)為

式中:Ke為電機(jī)反電勢常數(shù);fx(θ)為反電勢波形函數(shù)。

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為

將式(10)代入式(8)中可得

可見，電機(jī)起動(dòng)初期等效外施電壓較高時(shí)，可通過限制電樞電流峰值的方法使電機(jī)以最大電磁轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，電機(jī)拖動(dòng)額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)加速度近似與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比，由此可以估算出電機(jī)起動(dòng)時(shí)的加速度，即可確定電機(jī)的加速曲線。

2.3 自控式起動(dòng)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定的速度時(shí)，進(jìn)入切換環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的切換方法是不斷檢測外同步信號(hào)與反電勢法檢測得到的位置信號(hào)的夾角，即相位差ε，如圖5所示，當(dāng)ε小于某個(gè)角度闕值Δ時(shí)，就要適時(shí)地切換為自控式起動(dòng)狀態(tài)［20］。在三相六狀態(tài)120°工作方式下，無刷交流同步電機(jī)每轉(zhuǎn)60°電角度就需換相一次，旋轉(zhuǎn)一周共需要6個(gè)換相信號(hào)。由于主電機(jī)每相反電勢有2個(gè)過零點(diǎn)，三相共有6個(gè)過零點(diǎn)，根據(jù)這6個(gè)過零點(diǎn)將其延遲30°電角度，即可獲得6個(gè)換相信號(hào)。

圖5 狀態(tài)切換過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the status switching process

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 無位置傳感器無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)硬件框圖Fig.6 The hardware diagram of the brushless synchronous starter/generator based on the position sensorless control in the start mode

無位置傳感器無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示，主要包括主功率電路、勵(lì)磁功率電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、主控制電路及信號(hào)采樣調(diào)理電路等部分。將檢測到的三相輸入電壓經(jīng)調(diào)理后送至DSP實(shí)現(xiàn)相電壓過零點(diǎn)的檢測，進(jìn)而確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并將位置信號(hào)提供給CPLD實(shí)現(xiàn)換流邏輯控制。同時(shí)檢測濾波電容后母線電流信號(hào)、勵(lì)磁電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送至DSP實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。DSP依據(jù)系統(tǒng)采用的控制策略實(shí)時(shí)處理各個(gè)控制變量，并輸出PWM脈沖信號(hào)到CPLD，經(jīng)邏輯譯碼和換流控制后得到6個(gè)主功率電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)及4個(gè)勵(lì)磁功率電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷交流同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的控制。

3.1 初始位置判定試驗(yàn)

電機(jī)靜止時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的定子繞組通入0.5 A直流電，主電機(jī)定子三相繞組開路，通電一段時(shí)間后，關(guān)閉所有開關(guān)管。在勵(lì)磁電壓切斷瞬間，主電機(jī)定子繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢如圖7所示，主電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置不同主電機(jī)的感應(yīng)電壓極性也不同，通過比較三相電壓脈沖的正負(fù)極性及維持時(shí)間，結(jié)合表4.1即可確定主電機(jī)轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，CPLD處理后將判斷結(jié)果送至DSP中并通過LED顯示。圖8(a)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極位于θ6扇區(qū)，圖7(d)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極位于θ5扇區(qū)。由于硬件檢測電路僅能準(zhǔn)確判斷10 mV以上的電壓極性，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極位于特殊位置，如某相軸線上，即該相感應(yīng)電勢接近與零，則需要進(jìn)一步通過比較另兩相電壓大小來確定該相電壓極性，如圖7(b)、(c)所示。當(dāng)C相感應(yīng)電勢很小時(shí)，可通過比較A、B相電勢，確定圖7(b)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極位于θ6扇區(qū)，圖7(c)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極d軸位于C-位置。

圖7 轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)的主電機(jī)相電壓波形Fig.7 Phase voltage waveforms of the main generator at different position of θ5，θ6and C－

3.2 加速起動(dòng)試驗(yàn)

在空載條件下，采用本文所提出的無位置傳感器起動(dòng)控制方法進(jìn)行電機(jī)加速實(shí)驗(yàn)，直流母線電壓為160 V，單相交流勵(lì)磁頻率50 Hz，直流勵(lì)磁電流0.5 A。圖8是電機(jī)無位置傳感器起動(dòng)加速波形，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，在15 s內(nèi)電機(jī)能夠從零速穩(wěn)定升速至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，其中在0～12.7 s間運(yùn)行于他控式起動(dòng)控制過程，在12.7～15 s運(yùn)行于自同步加速狀態(tài)。

圖8 電機(jī)無位置傳感器起動(dòng)加速實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Acceleration waveforms of the proposed machine in the starting mode under position sensorless control

在他控式起動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置電機(jī)的加速曲線為初始每個(gè)電壓矢量保持30 ms，一個(gè)周期結(jié)束后，每個(gè)狀態(tài)保持時(shí)間減少0.2 ms，如此循環(huán)。圖9為他控式起動(dòng)階段主電機(jī)C相相電流波形。當(dāng)t=2.25 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約為50 r/min，最大允許電流給定值為10 A，電機(jī)相電流近似矩形波;當(dāng)t=7.75 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約為200 r/min，此時(shí)外同步位置信號(hào)滯后實(shí)際位置信號(hào)ε角度，即滯后ε角換相，從而導(dǎo)致非導(dǎo)通相存在續(xù)流電流，由于繞組電感的影響，該續(xù)流電流不能立即降為零;當(dāng)t=11.5 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約為500 r/min，通過逐步減小電流限幅值，換相角誤差逐步減小，非導(dǎo)通相續(xù)流電流也隨之逐漸減小。圖10為對(duì)應(yīng)條件下測得的電機(jī)估算位置信號(hào)Sc和電機(jī)實(shí)際位置信號(hào)Sh波形，此時(shí)Sc表示外同步位置信號(hào)，Sh與電壓檢測電路得到位置信號(hào)一致?？梢钥闯?，電機(jī)在他控式起動(dòng)過程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，通過逐步減小電流給定值，Sc與Sh之間的夾角不斷減小，在12.5 s時(shí)滿足狀態(tài)切換條件。影響了其過零點(diǎn)的檢測結(jié)果，使得位置估計(jì)信號(hào)存在一定的抖動(dòng)，但是因?yàn)樵撉袚Q過程時(shí)間較為短暫，不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，從12.7 s開始，電機(jī)切入自控式加速過程，此時(shí)估算位置信號(hào)Sc由反電勢過零點(diǎn)檢測獲得。

圖9 他控式起動(dòng)階段相電流波形Fig.9 Phase current waveforms in theseparately start control

圖10 他控式起動(dòng)階段位置信號(hào)波形Fig.10 Position signal waveforms in the separately start control

圖11 狀態(tài)切換過程波形Fig.11 Speed and position signal waveforms in status switching process

圖12為自控式加速階段的電機(jī)位置信號(hào)波形，估算位置信號(hào)Sc與實(shí)際電機(jī)位置信號(hào)Sh近似一致，可見，電機(jī)能夠準(zhǔn)確跟蹤自同步換相控制信號(hào)，平穩(wěn)升至額定轉(zhuǎn)速。圖13為相電流的波形，電機(jī)相電流近似矩形波，一個(gè)周期中正負(fù)半周各導(dǎo)通120°，符合三相六拍120°導(dǎo)通方式的工作特性，實(shí)現(xiàn)了反電勢檢測，位置閉環(huán)控制功能。

圖12 估計(jì)與實(shí)際位置信號(hào)對(duì)比波形Fig.12 Estimated and actual position waveforms for the comparison

圖13 自控式加速階段實(shí)驗(yàn)電流波形Fig.13 Phase current waveform in the self-control mode

4 結(jié)語

本文針對(duì)無刷交流同步電機(jī)應(yīng)用于變頻交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)中存在的勵(lì)磁控制、位置檢測問題，在現(xiàn)有無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)控制研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析單相交流勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于“感應(yīng)電勢”的初始位置檢測方法，采用轉(zhuǎn)子定位—外同步—自同步的起動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)無位置傳感器起動(dòng)運(yùn)行。

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