尹溶森，楊磊，楊家強(qiáng)，黃進(jìn)，王亭，李燁，徐建華

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027;2.江蘇江陰振江鋼結(jié)構(gòu)有限公司，江蘇江陰 214400）

五相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟蹤電子變極方法

尹溶森1，楊磊1，楊家強(qiáng)1，黃進(jìn)1，王亭1，李燁1，徐建華2

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027;2.江蘇江陰振江鋼結(jié)構(gòu)有限公司，江蘇江陰 214400）

針對(duì)五相感應(yīng)電機(jī)在傳統(tǒng)變極方法控制時(shí)，變極過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降和轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯的問(wèn)題，利用多相電機(jī)具有多個(gè)控制平面的特點(diǎn)，在五相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于轉(zhuǎn)矩跟蹤的電子變極方法。利用多相系統(tǒng)變換理論，把五相感應(yīng)電機(jī)分解為1對(duì)極和2對(duì)極兩個(gè)控制平面，在執(zhí)行1對(duì)極和2對(duì)極間的變極調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)矩跟蹤的方法控制，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制同時(shí)產(chǎn)生1對(duì)極和2對(duì)極的驅(qū)動(dòng)電流，控制變極暫態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速均平穩(wěn)的電子變極調(diào)速。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方法能夠在不停電的情況下實(shí)現(xiàn)平滑的電子變極調(diào)速，減小了轉(zhuǎn)矩的下降和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

多相電機(jī);轉(zhuǎn)矩跟蹤;電子變極;矢量控制;轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

0 引言

多相感應(yīng)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、每相定子電流低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、多個(gè)控制自由度和容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在艦船推進(jìn)系統(tǒng)、航空器驅(qū)動(dòng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1－7］。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如汽車啟動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)、多電航空發(fā)電機(jī)等要求電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能提供大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)較快加速，又要求啟動(dòng)后能長(zhǎng)期運(yùn)行在高速范圍，即讓多相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有低速大轉(zhuǎn)矩，并且具有寬廣的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍特性?；谏鲜鲆螅芏鄬W(xué)者利用多相電機(jī)具有多個(gè)控制自由度的特點(diǎn)，嘗試變頻調(diào)速加上變極方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩和拓寬高速度范圍。

學(xué)者錢羅奮在文獻(xiàn)［8］提出一種交流電機(jī)2Δ/ 3Δ換相變極法，在低速時(shí)采用大極對(duì)數(shù)，在高速時(shí)采用小極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩和寬廣的恒功率運(yùn)行范圍，但是這種方法本質(zhì)上還是一種傳統(tǒng)的通過(guò)接觸開(kāi)關(guān)的不停電變極方法，切換過(guò)程是不連續(xù)的，會(huì)產(chǎn)生沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩。T.A.Lipo在文獻(xiàn)［9］中對(duì)一臺(tái)6相電機(jī)進(jìn)行了1對(duì)極和2對(duì)極之間的變極調(diào)速研究，實(shí)現(xiàn)了最基本的電子變極，拓寬了恒功率運(yùn)行范圍，但在變極的暫態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩顯著下降。筆者所在課題組在文獻(xiàn)［10］中基于9相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制，采用階躍響應(yīng)的方法在不停電情況下進(jìn)行電子變極調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩，拓寬了轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，但是在變極過(guò)程中轉(zhuǎn)矩也產(chǎn)生了比較大的跌落，其動(dòng)態(tài)性能不太理想;在文獻(xiàn)［11］中，項(xiàng)目組在5相感應(yīng)電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上又提出了一種指數(shù)響應(yīng)電子變極方法，使變極程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)大大降低，達(dá)到了比較理想的效果，但該方法屬于一種通過(guò)控制電流間接控制轉(zhuǎn)矩的變極控制方法。

為了解決間接控制轉(zhuǎn)矩變極方法帶來(lái)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)的問(wèn)題，控制轉(zhuǎn)矩跌落和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的變極。在上述文獻(xiàn)和本課題組研究的基礎(chǔ)上，本文基于轉(zhuǎn)矩直接控制的思想，提出了一種轉(zhuǎn)矩跟蹤電子變極方法。

1 五相感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制

1.1 電壓和轉(zhuǎn)矩方程

在自然坐標(biāo)系下，多相電機(jī)通用電壓方程如式（1）所示，式中:U、I、R和L分別為電壓、電流、電阻和電感矩陣;下標(biāo)s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子;sr表示互感。

多相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制是在同步速坐標(biāo)系下將定子電流、電壓等變換成直流分量來(lái)達(dá)到解耦控制的目的，文中采用對(duì)稱5相感應(yīng)電機(jī)其恒功率坐標(biāo)變換矩陣Cs如式（2）所示，該矩陣實(shí)現(xiàn)了5相系統(tǒng)的解耦［12］。

那么采用矩陣Cs對(duì)5相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行恒功率坐標(biāo)變換，矩陣Cs的第1、2行構(gòu)成d1－q1基波平面，也叫1對(duì)極控制平面;第3、4行構(gòu)成了d2－q2二次諧波平面，也叫2對(duì)極控制平面;1對(duì)極和2對(duì)極兩個(gè)平面相互正交，實(shí)現(xiàn)了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦，其d1－q1基波平面和d2－q2二次諧波平面的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別如式（3）、式（4）所示。

式中:p為微分算子;Ls1=Lm1+Ls01，Lr1=Lm1+Lr01，Ls2=Lm2+Ls02，Lr2=Lm2+Lr02;usd1、usq1和usd2、usq2分別為基波和2次諧波的定子電壓的d、q分量;isd1、isq1、ird1、irq1和isd2、isq2、ird2、irq2分別為基波和2次諧波的定子電流和轉(zhuǎn)子電流的d、q分量;Lm1、Ls01、Lr01和Lm2、Ls02、Lr02分別為基波和2次諧波的定子勵(lì)磁電感、定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感;Rs定子電阻;Rr1、Rr2分別為基波和2次諧波折算后的轉(zhuǎn)子電阻;ω、ωr分別為定子和轉(zhuǎn)子的電角度;Te1、Te2分別為基波和2次諧波的電磁轉(zhuǎn)矩，P為5相感應(yīng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

1.2 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制

本文的電子變極調(diào)速是在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，根據(jù)三相電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的相關(guān)理論，可以把三相擴(kuò)展到五相，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向中忽略轉(zhuǎn)子的漏磁鏈，將氣隙磁鏈近似當(dāng)作轉(zhuǎn)子磁鏈，在求得d1－q1基波平面和d2－q2二次諧波平面的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩后，就可以對(duì)5相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制。

圖1是五相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制框圖，其可以分別運(yùn)行在1對(duì)極平面和2對(duì)極平面?？刂瓶驁D中，可以選擇開(kāi)關(guān)1或2導(dǎo)通，使電機(jī)分別運(yùn)行在d1－q1基波平面或d2－q2二次諧波平面。各個(gè)平面中，電流均被分解為轉(zhuǎn)矩電流iq和勵(lì)磁電流id，通過(guò)PI控制器后輸出相應(yīng)的電壓uq和ud，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后輸出至五相感應(yīng)電機(jī)SPWM逆變器，以控制電機(jī)運(yùn)行。

圖1 雙平面矢量控制框圖Fig.1Double plane vector control diagram

圖中，5相感應(yīng)電機(jī)1對(duì)極和2對(duì)極矢量控制的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如式（5）和式（6）所示:

式中:Ts為SPWM的載波周期，M為調(diào)制比;［t1onat1onbt1onct1ondt1one］T，［t2onat2onbt2onct2ondt2one］T分別為1對(duì)極和2對(duì)極各相SPWM調(diào)制的開(kāi)通時(shí)間。

2 轉(zhuǎn)矩跟蹤變極控制

2.1 電子變極基本原理

根據(jù)式（2）所示的5相感應(yīng)電機(jī)其恒功率坐標(biāo)變換矩陣Cs類推可知，當(dāng)多相感應(yīng)電機(jī)的相電流經(jīng)過(guò)多相坐標(biāo)變換后可以形成m個(gè)相互垂直解耦了d－q控制個(gè)平面，即具有m個(gè)控制自由度。在各自的解耦控制平面內(nèi)和傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電機(jī)一樣可以進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制。多相感應(yīng)電機(jī)電子變極就是利用多相電機(jī)具有多個(gè)控制平面的特性，在一個(gè)控制平面內(nèi)通過(guò)控制d－q電流生成對(duì)應(yīng)極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，那么通過(guò)控制策略控制一種極對(duì)數(shù)的d－q電流向另外一種極對(duì)數(shù)的d－q電流轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)生成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就實(shí)現(xiàn)了極對(duì)數(shù)的變換，達(dá)到了不停電情況下的變極調(diào)速，這是傳統(tǒng)三相電機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的特性。

如5相感應(yīng)電機(jī)有d1－q1和d2－q2兩個(gè)相互正交的控制平面，這是電機(jī)具有兩個(gè)控制自由度，在d1－q1平面內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制，控制基波isd1和isq1電流就形成1對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);在d2－q2平面通過(guò)矢量控制，控制二次諧波isd2和isq2電流就形成2對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在不停電情況下，通過(guò)變極控制算法讓isd1、isq1電流合理的向isd2、isq2電流轉(zhuǎn)變，就可實(shí)現(xiàn)了5相感應(yīng)電機(jī)1對(duì)極和2對(duì)極之間的變極調(diào)速，反之亦然。

2.2 轉(zhuǎn)矩跟蹤變極控制方法

如上文所述，在多相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基礎(chǔ)上，變極控制技術(shù)要解決的主要問(wèn)題是采用什么樣的變極控制方法使多相電機(jī)在兩種極對(duì)數(shù)之間切換時(shí)，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)一些，不讓轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大的波動(dòng)。本課題組曾采用電流控制的變極技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變極調(diào)速［10－11］，基本方法是在電機(jī)電子變極的過(guò)程中，通過(guò)階躍響應(yīng)的方式讓電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流isq1、isq2和勵(lì)磁電流isd1、isd2直接切換，1對(duì)極向2對(duì)極變極的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（7）所示。

為了減小變極過(guò)渡過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，除了在轉(zhuǎn)矩電流的切換方式上探索更好控制策略外，我們可以直接針對(duì)電流的控制目標(biāo)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，基于這樣的思路，本文在變極時(shí)直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)跟蹤控制，通過(guò)轉(zhuǎn)矩跟蹤動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的控制轉(zhuǎn)矩的變化，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的目的，提高轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

為了分析方便，根據(jù)式（3）和（4），五相感應(yīng)電機(jī)在d1－q1基波平面和d2－q2二次諧波平面的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式Te1、Te2可以重寫(xiě)為式（8），

控制目標(biāo)是在變極過(guò)程中轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，設(shè)變極過(guò)渡過(guò)程中需要跟蹤的負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)eL，1對(duì)極和2對(duì)極相互變換的轉(zhuǎn)矩跟蹤表達(dá)式分別為式（9）和式（10）

式中k是1對(duì)極和二對(duì)極電磁轉(zhuǎn)矩Te1、Te2相互轉(zhuǎn)換的斜率。為了編程實(shí)現(xiàn)方便，式（9）和式（10）歸一化表達(dá)式為式（11）

式中符號(hào)函數(shù)sgn（s）表達(dá)不同模式的電子變極狀態(tài)，其表達(dá)式為式（12）

圖2為五相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟蹤變極控制框圖，圖中通過(guò)轉(zhuǎn)矩跟蹤函數(shù)可分配轉(zhuǎn)矩按式（11）將被跟蹤的電磁轉(zhuǎn)矩分解為T(mén)e1和Te2，電磁轉(zhuǎn)矩Te1和Te2分別通過(guò)基波轉(zhuǎn)矩控制和二次諧波轉(zhuǎn)矩控制函數(shù)，再經(jīng)過(guò)五相坐標(biāo)變換，輸出至五相SPWM，驅(qū)動(dòng)五相感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

由圖可知，當(dāng)5相感應(yīng)電機(jī)在從1對(duì)極向2對(duì)極的變極時(shí)，通過(guò)控制d1－q1基波平面的電磁轉(zhuǎn)矩Te1逐漸減小，控制d2－q2二次諧波平面的電磁轉(zhuǎn)矩Te2逐漸增加，同時(shí)二者的大小滿足負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)eL的表達(dá)式（12），這樣通過(guò)直接跟蹤和控制電磁轉(zhuǎn)矩的方式，就可以保證1對(duì)極向2對(duì)極的變極過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，反之亦然，整個(gè)變極過(guò)程轉(zhuǎn)矩過(guò)渡平穩(wěn)。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟蹤變極控制框圖Fig.2Torque tracking control EPC diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

為了對(duì)提出的基于轉(zhuǎn)矩控制的五相感應(yīng)電機(jī)電子變極方法進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了一套以32位浮點(diǎn)DSP TMS320F28335為控制核心的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置的基本框圖，如圖3所示。

圖35 相感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3Five-phase IM experimental system

實(shí)驗(yàn)的五相感應(yīng)電機(jī)的參數(shù):額定功率3 kW，額定電壓220 V，額定頻率為50 Hz，極對(duì)數(shù)為1對(duì);定子電阻為1.28 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.465 1 Ω;基波勵(lì)磁電感為0.250 4 H，基波定子漏感為0.006 3 H，基波轉(zhuǎn)子漏感為0.010 3 H;2次諧波勵(lì)磁電感為0.064 4 H，2次諧波定子漏感為0.006 7 H，2次諧波轉(zhuǎn)子漏感為0.007 9 H。

3.1 雙平面矢量控制實(shí)驗(yàn)

圖4為5相感應(yīng)電機(jī)在矢量控制下轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，轉(zhuǎn)矩10 N·m時(shí)，1對(duì)極模式運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)相電流和轉(zhuǎn)矩波形，其中圖4（a）為單相相電流波形，圖4（b）為轉(zhuǎn)矩波形。

圖4 1500 r/min時(shí)1對(duì)極電流與轉(zhuǎn)矩Fig.41 500 r/min 1 pole pair mode current and torque

圖5為5相感應(yīng)電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)矩10 N·m時(shí)，2對(duì)極模式運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)相電流和轉(zhuǎn)矩波形，其中圖5（a）為單相相電流波形，圖5（b）為轉(zhuǎn)矩波形。

圖5 1500 r/min時(shí)2對(duì)極電流與轉(zhuǎn)矩Fig.51 500 r/min 2 pole pair mode current and torque

由圖4和圖5可見(jiàn)，2對(duì)極的相電流頻率是1對(duì)極相電流頻率的兩倍，符合電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式n=60×f/p的基本原理，說(shuō)明該五相感應(yīng)電機(jī)可以分別在1對(duì)極和2對(duì)極模式下穩(wěn)定運(yùn)行。由于篇幅限制，本文只敘述從2對(duì)極向1對(duì)極變極的情況，1對(duì)極向2對(duì)極變極的情況與此類似。

3.2 電流控制變極實(shí)驗(yàn)

圖6～圖9為采用電流控制電子變極技術(shù)時(shí)，5相感應(yīng)電機(jī)從2對(duì)極向1對(duì)極變極過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、a相相電流電流、相電流局部放大圖和轉(zhuǎn)矩電流的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)中，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，帶負(fù)載10 N·m。

圖6是5相感應(yīng)電機(jī)從2對(duì)極向1對(duì)極進(jìn)行電子變極的電磁轉(zhuǎn)矩波形。從圖中可見(jiàn)，在2對(duì)極向1對(duì)極的階躍響應(yīng)變極過(guò)程中轉(zhuǎn)矩發(fā)生了很大的波動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的10 N·m突降為5 N·m，隨后迅速上升并有3 N·m左右的超調(diào)。這種變極方法不太理想。

圖6 基于電流控制變極的轉(zhuǎn)矩波形Fig.6Torque of current control based EPC

圖7為電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形圖。由圖可知，變極過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速存在明顯的下降，從穩(wěn)定值1500 r/min迅速跌落至最小值約800 r/min，之后轉(zhuǎn)速逐漸上升。

圖7 基于電流控制的轉(zhuǎn)速波形Fig.7Speed of current control based EPC

圖8（a）為5相電感應(yīng)電機(jī)a相相電流和轉(zhuǎn)速波形，圖8（b）為變極響應(yīng)瞬間，a相相電流波形的局部放大圖。從圖中可以看到電流控制電子變極過(guò)程中相電流幅值先從穩(wěn)定值11 A先減小至接近0 A，然后迅速上升，最大超調(diào)值約為16 A，最后電流幅值逐漸衰減接近初值。因?yàn)樵陔娮幼儤O過(guò)程中相電流幅值驟降，所以圖6中電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)短時(shí)間內(nèi)迅速跌落。

圖8 基于電流控制變極的相電流及其局部放大波形Fig.8Current of current control based EPC

圖9兩平面轉(zhuǎn)矩電流isq1和isq2的波形圖，從圖中可見(jiàn)變極開(kāi)始時(shí)，二平面轉(zhuǎn)矩電流isq2從初始值8 A瞬間跌落為0 A，而一平面轉(zhuǎn)矩電流isq1迅速上升，且存在超調(diào)，最大值約為12.5 A，之后逐漸衰減，趨于穩(wěn)定，在變極過(guò)程中存在某段時(shí)間兩平面的轉(zhuǎn)矩電流都接近于零，因此會(huì)出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的跌落。

圖9 基于電流控制變極isq1，isq2電流波形Fig.9isq1，isq2of current control based EPC

3.3 轉(zhuǎn)矩跟蹤控制變極實(shí)驗(yàn)

圖10～圖13為采用轉(zhuǎn)矩跟蹤控制變極技術(shù)時(shí)，5相感應(yīng)電機(jī)從2對(duì)極向1對(duì)極變極過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、a相相電流、相電流局部放大圖和轉(zhuǎn)矩電流的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)中，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，帶負(fù)載10 N·m。

圖10是5相感應(yīng)電機(jī)從2對(duì)極向1對(duì)極進(jìn)行電子變極的電磁轉(zhuǎn)矩波形。從圖中可見(jiàn)，在2對(duì)極向1對(duì)極的階躍響應(yīng)變極過(guò)程中轉(zhuǎn)矩沒(méi)有發(fā)生跌落，只存在小幅度的超調(diào)，電磁轉(zhuǎn)矩從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的10 N·m，略微超調(diào)至12 N·m，隨后逐漸下降接近初始值，約為9 N·m?？芍?，轉(zhuǎn)矩跟蹤控制變極方法對(duì)于電磁轉(zhuǎn)矩有良好的控制性能。

圖10 基于轉(zhuǎn)矩控制變極的轉(zhuǎn)矩波形Fig.10Torque of torque tracking control based EPC

圖11是5相感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形。由圖可知，電子變極過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定，只有略微的下降，下降幅值不超過(guò)50 r/min。

圖11 基于轉(zhuǎn)矩控制變極的轉(zhuǎn)速波形Fig.11Speed of torque tracking control based EPC

圖12（a）為5相感應(yīng)電機(jī)a相相電流波形，圖12（b）為變極響應(yīng)瞬間，a相相電流波形的局部放大圖。從圖中可以看到轉(zhuǎn)矩跟蹤控制電子變極過(guò)程中相電流幅值沒(méi)有顯著的跌落，而存在一定的超調(diào)，幅值最大值約為16A，之后逐漸衰減，接近初始值11A。因?yàn)樵陔娮幼儤O過(guò)程中相電流幅值沒(méi)有顯著跌落而且存在超調(diào)，所以圖10中電磁轉(zhuǎn)矩沒(méi)有跌落而存在一定的超調(diào)，電子變極過(guò)程較為平穩(wěn)。

圖12 基于轉(zhuǎn)矩控制變極的相電流及其局部放大波形Fig.12Current of torque tracking control based EPC

圖13為兩平面轉(zhuǎn)矩電流isq1和isq2的波形圖。從圖中可見(jiàn)變極開(kāi)始時(shí)，二平面轉(zhuǎn)矩電流isq2從初始值7 A通過(guò)指數(shù)函數(shù)逐漸變?yōu)? A。與此同時(shí)，一平面轉(zhuǎn)矩電流isq1也通過(guò)指數(shù)函數(shù)逐漸增大到穩(wěn)定值，約為8 A，增長(zhǎng)過(guò)程中不存在超調(diào)。在變極過(guò)程中兩平面的轉(zhuǎn)矩電流同時(shí)變化，保證總電磁轉(zhuǎn)矩接近穩(wěn)定值，不存在電磁轉(zhuǎn)矩的跌落。轉(zhuǎn)矩和電流性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電流控制變極方法。

圖13 基于轉(zhuǎn)矩控制變極isq1，isq2電流波形Fig.13isq1，isq2of torque tracking control based EPC

總之，由上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的轉(zhuǎn)矩跟蹤電子變極方法，能夠?qū)崿F(xiàn)5相感應(yīng)電機(jī)在1對(duì)極和2對(duì)極之間相互變極。變極性能優(yōu)于傳統(tǒng)的電流控制變極，變極過(guò)程中不存在電磁轉(zhuǎn)矩的跌落，其超調(diào)量也小，達(dá)到了理想的效果。

4 結(jié)論

變極調(diào)速技術(shù)是多相電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速方法之一，是多相感應(yīng)電機(jī)既變頻調(diào)速技術(shù)的重要補(bǔ)充，本文通過(guò)對(duì)變極方法的研究得到如下結(jié)論:

1）不停電的電子變極技術(shù)是解決傳統(tǒng)變極中轉(zhuǎn)矩激劇下降的有效方法，但是如果變極方法采用的不合適也會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)矩的下降，如本文中提到電流控制變極方法。

2）采用間接控制電流的方法，在有些工況下不如直接控制所關(guān)心的控制對(duì)象，本中提出的轉(zhuǎn)矩跟蹤變極方法就是基于這樣的思路，該方法降低了變極過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)電子變極技術(shù)的研究具有借鑒和參考價(jià)值。

3）文中側(cè)重了對(duì)電子變極方法的研究，對(duì)變極過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)換的機(jī)理還沒(méi)有涉及，這是不足之處，這也是本課題接下來(lái)要著重研究的方面。

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（編輯:張?jiān)婇w）

Electronic pole-changing methods of five-phase induction machine based on torque tracking

YIN Rong-sen1，YANG Lei1，YANG Jia-qiang1，HUANG Jin1，WANG Ting1，LI Ye1，XU Jian-hua2
（1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China; 2.Jiangyin Zhenjiang Steel Structure Co.，Ltd.，Jiangyin 214400，China）

To resolve the torque drop and speed fluctuation problem of five-phase induction machine（IM） during the process of electronic pole-change（EPC）when adopting the traditional EPC control method，the electronic pole-changing methods of five-phase induction machine based on torque tracking was proposed.Different plane harmonic currents generated by the rotor field oriented vector control（RFOVC） can make motor rotate smoothly without power off to realize EPC.The proposed method was verified by an EPC experiment of a 5-phase induction machine and the experimental results of EPC between 1-pair poles and 2-pair poles based on RFOVC were given.The experimental results of double planes vector control，current control based EPC and torque tracking control based EPC show that the method proposed is feasible to achieve smooth pole-changing without power off by reducing torque and speed fluctuations.

multiphase induction machine;torque tracking control;electronic pole-changing;vector control;torque ripple

10.15938/j.emc.2015.01.001

TM 359.3

A

1007－449X（2015）01－0001－07

2014－05－08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51177150）;國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2013CB035604）;航空科學(xué)基金（2013ZB76004）;浙江省自然科學(xué)基金（LY14E070004）

尹溶森（1992—），男，博士研究生，研究方向?yàn)槎嘞嚯姍C(jī)控制系統(tǒng);

楊磊（1993—），男，本科，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

楊家強(qiáng)（1970—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制;

黃進(jìn)（1960—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制、狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷;王亭（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;李燁（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;徐建華（1965—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槎嘞嚯姍C(jī)控制。

楊家強(qiáng)