楊 賓，李優(yōu)新，黎 勉

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

混合勵磁同步電機(jī)（HESM）內(nèi)同時存在兩個磁勢源，很容易實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的直接調(diào)節(jié)與控制，因而其概念從一提出就受到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1-3]。從電機(jī)內(nèi)永磁磁勢和電勵磁磁勢的相互作用關(guān)系來看，混合勵磁同步電機(jī)可分為串聯(lián)磁路式和并聯(lián)磁路式兩大類。串聯(lián)磁路式HESM結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，但是存在電勵磁效率低和永磁體退磁風(fēng)險高的缺點(diǎn)[4]。針對這一問題，通過合理設(shè)計(jì)永磁片左右兩端的鐵芯尺寸，改變電勵磁磁勢的磁路，形成了一種磁通并聯(lián)但又具有串聯(lián)磁路式HESM優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)，從而提高了電勵磁的效果，降低了永磁體的退磁風(fēng)險。

論文首先簡單介紹了這種新型HESM的基本結(jié)構(gòu)和調(diào)磁原理，然后根據(jù)其調(diào)速特性曲線將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為四個區(qū)域，并提出了基于分區(qū)控制的矢量控制策略，深入研究了每個區(qū)域的電流分配機(jī)制，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電機(jī)及其控制策略的可行性與有效性。

1 調(diào)磁原理分析

圖1為電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向截面示意圖。其定子繞組與普通交流電機(jī)繞組類似，電勵磁繞組嵌繞在轉(zhuǎn)子永磁體下面的磁極上。

圖中1（實(shí)線部分）顯示了通入箭頭所示方向的電流時的電勵磁磁通路徑：電勵磁N極→勵磁鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→定子鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→勵磁鐵芯→電勵磁S極→轉(zhuǎn)子軛→電勵磁N極；2（虛線部分）所示為永磁體磁通路徑：永磁N極→定轉(zhuǎn)子氣隙→定子鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→永磁S極→轉(zhuǎn)子軛→永磁N極。由于電機(jī)中的氣隙磁通由永磁體磁通和電勵磁磁通合成，所以混合勵磁電機(jī)可工作于永磁、增磁、弱磁三種狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)勵磁繞組中無勵磁電流時，電機(jī)工作于永磁狀態(tài)；通入正向勵磁電流時，電機(jī)工作于增磁狀態(tài)；通入反向勵磁電流時，電機(jī)工作于弱磁狀態(tài)。由此可見，改變電勵磁繞組中勵磁電流的大小和方向，就可以得到所需的氣隙磁場。

圖1 電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向截面示意圖

2 HESM矢量控制策略

2.1 調(diào)速特性

圖2 HESM的轉(zhuǎn)速-力矩調(diào)節(jié)曲線

混合勵磁電機(jī)工作時需要協(xié)調(diào)分配永磁磁勢和電勵磁磁勢的比例，使其能夠根據(jù)負(fù)載狀態(tài)自動實(shí)現(xiàn)增磁、弱磁、永磁三種狀態(tài)間的切換。圖2為HESM的轉(zhuǎn)速-力矩調(diào)節(jié)曲線，根據(jù)圖中的標(biāo)示將電機(jī)的工作范圍分成四個區(qū)：額定轉(zhuǎn)速以下的低速標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（BGOH）和低速增磁區(qū)（ABHJ）；額定轉(zhuǎn)速以上的高速標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（BCFG）和高速弱磁區(qū)（CDEF）。其中nN為勵磁電流為零時電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，nfN為電機(jī)弱磁基速，即HESM開始弱磁升速點(diǎn)，nd為HESM低速增磁區(qū)恒轉(zhuǎn)矩與恒功率分割點(diǎn)，nmax為弱磁狀態(tài)下電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

2.2 控制策略

2.2.1 低速標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（BGOH）

該區(qū)電勵磁不起作用，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，所以電勵磁電流給定為零。與常規(guī)的永磁電機(jī)驅(qū)動控制相似，通過電樞電壓控制器調(diào)節(jié)電樞電壓即可滿足。

2.2.2 低速增磁區(qū)（ABHJ）

電機(jī)運(yùn)行與該區(qū)時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩。由混合勵磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程[5]

在id=0控制方式下，保持iq=IqN不變，電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩為一個恒定值，設(shè)為TpmN，則：

可求得：

由HESM的數(shù)學(xué)模型[5]可知：

當(dāng)電樞電流為額定值時，勵磁電流的變化將引起電樞電壓的變化，電樞電壓最大為電機(jī)額定電壓，從而可以求出電樞電流給定值與勵磁電流給定值的取值范圍。iq=iqN時，電樞電壓交軸分量uq須滿足：

即

則可求出電機(jī)在低速增磁區(qū)某一轉(zhuǎn)速n下最大的勵磁電流：

所以勵磁電流的幅值就由其額定勵磁電流IfN+和Ifmax1共同決定，即Ifmax=min(IfN，Ifmax1)。圖3為電樞電流給定i*q與勵磁電流給定I*f取值范圍。

圖3 電流限幅器

當(dāng)ifmax=ifN時，電機(jī)此時運(yùn)行的轉(zhuǎn)速為nd，即電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行與恒功率運(yùn)行的分割點(diǎn)。將Ifmax1=IfN代入式（8）可得：

可以看出當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n≤nd時，電機(jī)電勵磁電流最大值為IfN+，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n＞nd時，電機(jī)電勵磁電流為Ifmax1，且隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小，直到到達(dá)額定轉(zhuǎn)速nN時，其值減小為零。該區(qū)調(diào)速曲線如圖4所示。

2.2.3 高速標(biāo)準(zhǔn)區(qū)（BCFG）

電機(jī)運(yùn)行于該區(qū)時，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速n小于弱磁基速nfN。該區(qū)的調(diào)速特性與永磁同步電機(jī)恒功率區(qū)調(diào)速特性一致。即通過調(diào)壓調(diào)速就能滿足電機(jī)恒功率運(yùn)行。但為確保在該區(qū)電機(jī)恒功率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速提高會導(dǎo)致電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩降低，因此在此工作區(qū)必須對電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩電流加以限制。由電機(jī)恒功率調(diào)速定義[6-8]及HESM的數(shù)學(xué)模型可知：

化簡可得：

式（10）、（11）中，PN為電機(jī)額定功率（W）；Tmax為電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；Iqmax為電機(jī)最大允許轉(zhuǎn)矩電流有效值（A）。

圖4 低速增磁區(qū)調(diào)速曲線

2.2.4 高速弱磁區(qū)（CDEF）

電機(jī)運(yùn)行于該區(qū)時，系統(tǒng)進(jìn)入弱磁調(diào)速控制。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，其電勵磁電流穩(wěn)定不變。混合勵磁電機(jī)的反電動勢為永磁感應(yīng)勢和電勵磁感應(yīng)電勢之和：

保持電機(jī)反電動勢ef等于電機(jī)轉(zhuǎn)速為弱磁基速nfN時的永磁反電動勢，即：

式（13）中，ωfN是混合勵磁電機(jī)弱磁基速nfN對應(yīng)的角速度。從而可解出

從式（14）可看出，混合勵磁電機(jī)工作在弱磁升速區(qū)時，電勵磁電流與電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速成反比。電機(jī)在該區(qū)同樣是運(yùn)行在恒功率模式，由式（10）可解出在該區(qū)所允許的最大電樞電流iqmax，

由式（15）計(jì)算出電機(jī)在該速度下勵磁電流If的大小后與反向額定電勵磁電流比較，然后再根

圖5 弱磁升速區(qū)調(diào)速曲線

據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算出的參考力矩并按照混合勵磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程計(jì)算出電機(jī)電樞電流iq， 將 iq與 iqmax進(jìn)行比較，高速電流分配器最終給定電樞電流i*q=min(iq，iqmax)。HESM在弱磁升速區(qū)的調(diào)速曲線如圖5所示。

3 HESM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HESM控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。本控制系統(tǒng)采用id=0的矢量控制策略，系統(tǒng)主要包括坐標(biāo)變換模塊、SVPWM生成模塊、逆變電路模塊、轉(zhuǎn)速處理模塊、勵磁驅(qū)動模塊、電流分配模塊和電機(jī)本體等。

與傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，混合勵磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)增加了電流分配、勵磁電流控制及勵磁驅(qū)動電路三個模塊。勵磁電流驅(qū)動模塊為一個單相全橋逆變電路，可以實(shí)現(xiàn)勵磁電流大小及方向的改變，使勵磁電流滿足控制要求。勵磁電流控制模塊主要是根據(jù)電流分配器給定的勵磁電流大小及方向?qū)畲烹娏鞑糠诌M(jìn)行控制，通過電流閉環(huán)使得單相全橋逆變電路輸出的勵磁電流與給定一致。

圖6 HESM控制系統(tǒng)原理圖

圖7 不同勵磁電流下單位輸出電流對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩

圖8 額定轉(zhuǎn)速時不同勵磁電流下對應(yīng)的空載反電勢

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

以一臺三相八極、額定功率為6 kW的HESM樣機(jī)為控制對象，來驗(yàn)證所提出的基于分區(qū)控制的矢量控制策略的可行性與有效性。

圖7為電機(jī)工作于不同轉(zhuǎn)速下，維持電樞電流為額定電流，調(diào)節(jié)電勵磁電流時，單位輸出電流對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩的變化。當(dāng)電機(jī)電樞電流不變時，隨著電勵磁電流不斷增加，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也線性增加。

圖8顯示了混合勵磁電機(jī)空載反電勢的有效值在增磁時隨增磁電流的增大趨于線性增加，隨弱磁電流的增大趨于線性減小，電勵磁效果非常明顯。

實(shí)驗(yàn)表明，采用基于分區(qū)控制的矢量控制策略，一方面可以通過增磁提高電機(jī)的功率密度，使HESM獲得更好的低速帶載性能；另一方面可以更容易地實(shí)現(xiàn)弱磁升速，拓寬其調(diào)速范圍，使得混合勵磁驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用前景更加廣闊。

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