陳偉，金辛海，胡志濤

（上海新時達(dá)電氣股份有限公司，上海 201801）

高壓永磁同步電機開環(huán)矢量控制系統(tǒng)研究

陳偉，金辛海，胡志濤

（上海新時達(dá)電氣股份有限公司，上海 201801）

主要對高壓永磁同步電機無速度傳感器矢量控制（簡稱開環(huán)矢量控制）系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了H橋功率單元級聯(lián)型高壓變頻器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)高壓永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，對其開環(huán)矢量控制算法進(jìn)行了研究，最后通過實驗驗證了算法的有效性。

H橋單元級聯(lián)型高壓變頻器；高壓永磁同步電機；開環(huán)矢量控制

近些年受國家節(jié)能政策調(diào)控實施以及工礦企業(yè)節(jié)能降耗需求，高壓變頻器的應(yīng)用逐年擴大，其節(jié)能效果得到了廣泛認(rèn)可，市場需求越來越大。

根據(jù)其高壓組成方式，高壓變頻器可分為直接高壓型和高-低-高型。高-低-高型高壓變頻器由于經(jīng)過2次電壓轉(zhuǎn)換，增加了額外的電能消耗，節(jié)能效果有所降低，并且體積大，還產(chǎn)生了大量的高次諧波，然而這種技術(shù)難度低，適用于功率較小的高壓電機。直接高壓型高壓變頻器直接輸出高壓，無需輸出變壓器、效率高、輸出頻率范圍寬，應(yīng)用更為廣泛［1］。

永磁同步電機具有體積小、功率密度高、損耗小，效率高等優(yōu)點。與直流電機比，它沒有換向器和電刷等易損件，可靠性高；和異步電機相比，它不需要無功勵磁電流，功率因數(shù)高，損耗減小，效率高，力矩慣量比大。而永磁同步電機的矢量控制一般通過編碼器對電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和角度進(jìn)行檢測。然而編碼器的使用，不僅增加了系統(tǒng)成本、尺寸，更是增加了安裝和布線的難度，安裝不當(dāng)會嚴(yán)重影響到電機的穩(wěn)定運行。同時編碼器對使用環(huán)境有較高要求，電磁干擾、濕度、振動、粉塵等對它的測量精度和壽命都有影響，降低系統(tǒng)的可靠性。永磁同步電機的無速度傳感器矢量控制不僅降低了系統(tǒng)成本，在惡劣環(huán)境下也能穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)的可靠性［3］。

基于上述情況，本文將主要研究功率單元級聯(lián)型高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對高壓永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，基于其數(shù)學(xué)模型研究無速度傳感器矢量控制方法。

1　高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

以新時達(dá)公司的AS800系列高壓變頻器為例介紹功率單元級聯(lián)型高壓變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要包括有前端的移相變壓器、系統(tǒng)的主控部分、輸入輸出側(cè)電流電壓采集模塊、輸入輸出IO模塊、模擬量輸入輸出模塊、光纖通信模塊、現(xiàn)場總線模塊和人機界面等9大模塊［2］。其中，移相變壓器通過降壓和移相后通過二次繞組輸出給功率單元供電，實現(xiàn)輸入電壓的多重化，提高了網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)，可達(dá)到0.96以上，THD小于3%。功率單元部分為高壓變頻器的重要組成部分，它由多個互相獨立的低壓690 V輸入的功率單元串聯(lián)組成。每個功率單元硬件、拓?fù)渫耆恢?，形成模塊化，方便擴展，每相功率單元數(shù)可根據(jù)電壓等級等需求進(jìn)行擴展。高壓變頻器的每相電壓由多個低壓功率單元的輸出電壓相互串聯(lián)疊加而成，串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，等效開關(guān)頻率高，輸出電壓非常接近正弦波，每個電平幅值只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，對電機絕緣沒有影響。主控部分中，控制板通過通信接口、I/O接口以及人機界面等獲得指令信號，并實時采集移相變壓器輸入側(cè)和高壓變頻器逆變輸出側(cè)的電壓和電流，輸入到控制模塊中，實現(xiàn)電機的各種控制算法的運算，并最終輸出PWM占空比信號，經(jīng)由光纖板給到各個功率單元中，控制H橋4個IGBT模塊的通斷，從而實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。

圖1　單元級聯(lián)型高壓變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topology of power unit cascaded high voltage inverter system

功率單元是級聯(lián)型高壓變頻器的重要組成部件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2　Topology of power unit

圖2中，輸入端子In1～I(xiàn)n3連接到移相變壓器的二次繞組，然后通過二極管D1～D6進(jìn)行整流，給后面的H橋以及功率單元供電，Q1～Q4構(gòu)成H橋，Out1和Out2為功率單元的輸出端子。單個功率單元通過移相變壓器的二次繞組單獨供電，由于采用多脈波二極管整流，大大降低了網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了輸入功率因數(shù)。

2　高壓永磁同步電機開環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

首先，假設(shè)永磁同步電機是三相對稱的，鐵心為線性非飽和，且不計渦流和磁滯損耗。根據(jù)以上假設(shè)在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)軸系下，永磁同步電機電壓方程為

式中：isd，isq，Vsd，Vsq分別為d，q軸的定子電流和電壓；Rs為定子電阻；ωe為同步旋轉(zhuǎn)角頻率；Ψd，Ψq為d，q軸的定子磁鏈。Ψd，Ψq可表示為

式中：Ld，Lq分別為d，q軸電感；Ψm為永磁體磁鏈。

當(dāng)電機凸極率為1，即隱極式電機時，有Ld=Lq。電機的轉(zhuǎn)矩可表示為［4］

式中：pn為電機極對數(shù)。

2.2轉(zhuǎn)速與磁鏈觀測器設(shè)計

根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型式（1）～式（4）可知，電機定子磁鏈可根據(jù)下式進(jìn)行觀測：

式中：上標(biāo)“^”表示觀測值；k為電流誤差反饋增益。

d，q軸電流的觀測值可根據(jù)下式得到：

此時，電機轉(zhuǎn)子角速度可根據(jù)下式得到［5］：

根據(jù)轉(zhuǎn)子角頻率的觀測值積分可得到轉(zhuǎn)子磁鏈角度，如下所示：

式中：θ0為轉(zhuǎn)子磁鏈的初始角度。

高壓永磁同步電機的開環(huán)矢量控制原理框圖如圖3所示。輸出電壓指令u*α和u*β經(jīng)過SVPWM調(diào)制后輸出三相占空比SA～SC，然后在FPGA中通過載波移相處理輸出每個單元的H橋驅(qū)動信號控制功率單元的輸出，從而實現(xiàn)電機的控制。

圖3　高壓永磁同步電機開環(huán)矢量控制原理框圖Fig.3　Diagram of the speed sensorless vector control system of high voltage PMSM

3　實驗驗證

通過710 kW高壓永磁同步電機能量互饋實驗平臺，對此方法的有效性進(jìn)行驗證。實驗平臺如圖4所示。其中，電機1作為被試電機，工作在無速度傳感器矢量控制模式下，采用本文提出的高壓永磁同步電機開環(huán)矢量控制方法對轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。電機2作為陪試電機，與電機1同軸連接，工作在速度開環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制模式下。通過改變陪試電機的轉(zhuǎn)矩電流給定值調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)矩，從而改變被試電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。實驗所用異步電機1和電機2的額定參數(shù)為：Pe=710 kW，Ue=6 000 V，fe=50 Hz，Ie=80.8 A，Nr= 1 500 r/min，pn=2。電機1參數(shù)為：Rs=0.956 Ω，Ld= 67.85 mH，Lq=91.44 mH。采用STM32F103 ARM芯片來實現(xiàn)控制算法，PWM調(diào)制頻率為2 kHz。

圖4　電機對拖加載測試平臺Fig.4　Experimental platform

電機采用新時達(dá)的AS800 1 800 kW高壓變頻器驅(qū)動，如圖5所示，其分為移相變壓器柜、控制柜和逆變器柜。其中1個H橋功率單元采用模塊化設(shè)計，非常方便擴展和批量生產(chǎn)。

圖5　新時達(dá)AS800高壓變頻器Fig.5　High voltage inverter of STEP AS800

采用5單元級聯(lián)型高壓變頻器，其輸出相電壓波形如圖6所示。圖6中波形為在移相變壓器輸入側(cè)接三相380 V時，高壓變頻器的輸出電壓波形，其中，uun和uvn分別為U相和V相的輸出相電壓。從圖6中可知，輸出電壓波形非常接近正弦波，電壓諧波含量小。

圖6　輸出電壓波形（5單元級聯(lián)）Fig.6　Waveforms of output voltage（5 power units）

加載實驗波形如圖7所示。圖7中分別給出了轉(zhuǎn)矩電流分量isq、電機轉(zhuǎn)速nr以及定子電流is波形。電機從空載加到額定負(fù)載時間大約為0.67 s，在加載過程中，電機運行平穩(wěn)。

圖7　加載實驗波形（isq，nr，is）Fig.7　Experimental waveforms with load on（isq，nr，is）

圖8中給出了在加載過程中電機的觀測速度nr，est、采樣速度nr，meas以及定子電流is。從波形可知，在穩(wěn)態(tài)以及加載過程中，觀測速度與電機實際速度吻合得非常好，觀測誤差在0.3%以內(nèi)。

圖8　加載實驗波形（nr，est，nr，meas，is）Fig.8　Experimental waveforms with load on（nr，est，nr，meas，is）

4　結(jié)論

本文對H橋級聯(lián)型高壓變頻器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，同時對高壓永磁同步電機的開環(huán)矢量控制方法進(jìn)行了研究，并通過實驗對文中的方法進(jìn)行了驗證。

［1］ 朱思國.6 kV-900 kW功率單元級聯(lián)型高壓變頻器的研制［D］.湖南：湖南大學(xué)，2007.

［2］ 李興鶴，王淑賢，馬瑞俠，等.基于Matlab的級聯(lián)型高壓變頻器VF控制仿真平臺研究［J］.大功率交流技術(shù)，2013 （5）：1-7.

［3］ 吳春華，黃建明，劉軍.用于風(fēng)機水泵的永磁同步電機無傳感器矢量控制系統(tǒng)［J］.電工電能新技術(shù)，2011，30（1）：12-15.

［4］ 郝雯娟，鄧智泉，王曉琳.基于增強型自適應(yīng)觀測器的永磁同步電機無速度傳感器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：41-46.

［5］Piipo A，Luomi J.Adaptive Observer Combined with HF Signal Injection for Sensorless Control of PMSM Drives［C］// IEEE International Conference on Electric Machines and Drives， 2005，2：674-681.

Open-loop Vector Control System Design of High Voltage Permanent Magnetic Synchronous Motor

CHEN Wei，JIN Xinhai，HU Zhitao
（Shanghai STEP Electric Corporation，Shanghai 201801，China）

The open-loop vector contro（lOLVC）of high voltage permanent magnetic synchronous motor（PMSM）was researched.The hardware topology of H-bridge power unit cascaded high voltage inverter was analyzed.In addition，based on the math model of the high voltage PMSM，a open-loop vector control method of PMSM was given out.And the effectiveness of this OLVC method was verified by the experiments.

H-bridge power unit cascaded high voltage inverter；high voltage permanent magnetic synchronous motor（HV PMSM）；open-loop vector control（OLVC）

TM351

A

2015-09-10

國家科技支撐計劃，大功率電液器件及精密傳動件關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范（2014BAF08B00）

陳偉（1983-），男，博士，Email：cwmailcn@163.com