蘇志從 王榕生

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

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蘇志從 王榕生

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

提出了/△變換拓寬異步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍的方法。分析了異步電動(dòng)機(jī)/△變換運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于繞組開(kāi)放式異步電動(dòng)機(jī)的/△變換運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型。以TMS320F2812 DSP為控制器，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明采用/△變換能顯著拓寬異步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍，能顯著提升電機(jī)功率密度。

/△變換；恒轉(zhuǎn)矩；異步電動(dòng)機(jī)

交流電動(dòng)機(jī)在基頻（50Hz）以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)，但在基頻以上區(qū)域，受母線電壓的限制，電機(jī)定子繞組線電壓無(wú)法繼續(xù)提高，若繼續(xù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩也隨速度的上升而下降，無(wú)法滿足基頻以上高速運(yùn)行時(shí)仍具有恒轉(zhuǎn)矩輸出的驅(qū)動(dòng)要求。

提高電機(jī)額定電壓，可以拓展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，但受功率器件耐壓的限制。采用兩電平逆變器通過(guò)器件的串聯(lián)技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)承受電壓的能力，此種方法存在動(dòng)、靜態(tài)均壓的問(wèn)題。采用多電平逆變技術(shù)可以避開(kāi)器件串聯(lián)引起的動(dòng)、靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}，使得輸出相同電壓時(shí)器件耐壓降低，實(shí)際應(yīng)用中主要有三電平逆變技術(shù)和功率單元串聯(lián)式多電平逆變技術(shù)，但是三電平逆變器帶負(fù)載時(shí)存在中性點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題；功率單元串聯(lián)式多電平逆變器技術(shù)存在串聯(lián)變頻器單元較多，所需功率器件多，控制復(fù)雜的問(wèn)題[1]。直接減小電機(jī)繞組匝數(shù)，也可以拓寬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，但是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低速區(qū)，逆變器的調(diào)制度M很小，輸出電壓電流諧波大，低速區(qū)性能差。結(jié)合繞組變換技術(shù)，在高速區(qū)動(dòng)態(tài)切除部分繞組[2-3]，也可以提高電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，目前的研究主要在于拓寬恒功率區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)合。極相調(diào)制技術(shù)也可以用于拓寬電機(jī)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速范圍，已在混合動(dòng)力汽車(chē)得到應(yīng)用，但是所用功率半導(dǎo)體器件多，電流控制也較復(fù)雜[3-4]。

倍。

1　控制系統(tǒng)主電路

圖1　電機(jī)/△變換電路拓?fù)?/p>

2　按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)?/△變換矢量控制系統(tǒng)

磁鏈方程

電壓方程

電磁轉(zhuǎn)矩方程

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程

由以上公式可以推導(dǎo)得到

式中，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的大小由惟一變量 isd（定子電流勵(lì)磁分量）確定，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，ψr穩(wěn)定，ωsl由 isq惟一確定。所以，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制可以實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

圖2　/△變換拓寬異步電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)仿真分析

Matlab/Simulink上的模型庫(kù)里面的異步電動(dòng)機(jī)模型是型接法的，不能用于/△變換，但是，/△變換不改變電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，只改變外部接線，所以可以根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型搭建了開(kāi)放式繞組籠型異步電動(dòng)機(jī)仿真模型[8]，并構(gòu)建/△變換時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的仿真模型，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。選用Y90L-4三相異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，電機(jī)參數(shù)如下：額定功率 1.1kW，額定電壓 380V，額定電流 2.7A，額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定轉(zhuǎn)矩7.5N·m，定子相電阻7.00Ω，轉(zhuǎn)子相電阻6.06Ω，定子/轉(zhuǎn)子漏感0.043H，勵(lì)磁電感0.595H，仿真環(huán)境設(shè)置如下：Y型接法空載啟動(dòng)，給定轉(zhuǎn)速為1400r/min，0.25s時(shí)施加7N·m的負(fù)載，0.52s時(shí)進(jìn)行/△變換，變換時(shí)間t1=0.0025s，0.5225s切換完成，電機(jī)△型接法運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速為1404r/min，0.62s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?2500r/min，SVPWM模塊的采樣周期為0.0001s，仿真算法選擇ode23tb，誤差容限為1e-6，最大步長(zhǎng)為1e-5。仿真結(jié)果如圖3所示。如果/△變換所用時(shí)間較多，以t1=0.005s為例，則其轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4所示。

圖3　/△變換時(shí)間為t1=0.0025s仿真波形

圖4　/△變換時(shí)間為t1=0.005s的仿真波形

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文搭建了以 TMS320F2812為控制核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用智能功率模塊PM25RLA120實(shí)現(xiàn)三相全橋逆變，選用分立元件IGW15T120與不控整流橋組合實(shí)現(xiàn)/△變換，選用Y90L-4三相異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，電機(jī)參數(shù)如前。該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)為負(fù)載進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

圖6　/△變換流程圖

圖7示出了負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7N·m恒值時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速、不同連接下的電機(jī)A相、B相電流波形，圖8為/△正變換及反變換過(guò)程的電流波形，其中型連接時(shí)的轉(zhuǎn)速為 1400r/min，△型連接時(shí)的轉(zhuǎn)速為1404r/min。

圖7　穩(wěn)態(tài)電流波形

圖8　/△變換過(guò)程電流波形

圖7電流波形表明，圖1所示的主電路在額定負(fù)載情況下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的電流幅值基本相同且電流波形正弦，采用/△變換拓寬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍方法可行。圖8電流波形表明，在負(fù)載條件下，圖1所示的主電路可以可靠實(shí)現(xiàn)/△變換，變換后經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，變換過(guò)程的電流變化與仿真結(jié)果基本一致，而且/△變換時(shí)間很短，為2.5ms，對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響很小。

5　結(jié)論

[1] 陳伯時(shí), 陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[2] Yushi Takatsuka, Hidenori Hara, Kenji Yamada, Akihiko Maemura, Tsuneo Kume. A wide speed range high efficiency EV drive system using winding changeover technique and SiC devices. Proceedings of The 2014 International Power Electronics Conference, Hiroshima, 2014(18-21): 1898-1903.

[3] Tsuneo J. Kume, Mahesh M. Swamy, Mitsujiro Sawamura, KenjiYamada, Ikuma Murokita, "A Quick Transition Electronic Winding Changeover Technique for Extended Speed Ranges," CD-ROM IEEE Power Electronics Specialists Conference 2004, Aachen, Germany.

[4] 孫東森, 葛寶明, 吳偉亮, 等. 極相調(diào)制感應(yīng)電機(jī)的建模與控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012(18): 80-87, 181.

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[6] 李賀龍. 基于雙逆變器的開(kāi)放式繞組感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

[7] 湯夢(mèng)陽(yáng). 異步電機(jī)矢量控制與參數(shù)辨識(shí)研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2014.

[8] 黃守道, 鄧建國(guó), 羅德榮. 電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程分析的Matlab建模與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

Extended Constant Torque Range for Asynchronous Machine Drive Using WYE-DELTA Winding Changeover Technique

Su Zhicong Wang Rongsheng
(Electrical Engineering and Automation Institute of Fuzhou University, FuZhou 350116)

A wide constant torque range vector-controlled asynchronous machine drive using/△winding changeover technique is presented. According to the mathematical model of asynchronous motor ,the simulation model of open-winding asynchronous motor and its direct vector control induction machine drive using WYE/DELTA winding changeover technique was established with Matlab/Simulink. The experimental platform was also set up based on the TMS320F2812 DSP controller. The experiment results and the simulation results showed the constant torque range of the induction machine was extended and the power density was proved.

WYE-DELTA winding changeover; constant torque; asynchronous machine

蘇志從（1987-），男，福建省泉州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。