張?jiān)侁? 李臨生 張博博

摘 要：無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能穩(wěn)定，故而在現(xiàn)階段發(fā)電工業(yè)中得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。然而由于多種因素所導(dǎo)致的電壓波動(dòng)與諧波也是需要亟待解決的觀念難題。從具體的原因角度而言機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁波動(dòng)等一系列因素均能形成顯著影響，其中電磁場(chǎng)強(qiáng)的波動(dòng)尤為重要。在實(shí)際的發(fā)電工程中我們可以通過(guò)電機(jī)電壓前反饋補(bǔ)償?shù)姆绞接枰钥刂?。本文重點(diǎn)對(duì)其控制方法以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī) 電壓 前饋補(bǔ)償 方法

中圖分類號(hào)：TH862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0038-02

無(wú)刷直流電機(jī)原理相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但是由于其具有電流的單一性，故而在結(jié)構(gòu)方面存在一定的優(yōu)勢(shì)。能夠消除由于電流轉(zhuǎn)換頻次所帶來(lái)的諧波影響。然而，從另一個(gè)角度而言此種發(fā)電模式受到電磁場(chǎng)強(qiáng)的擾動(dòng)也更為顯著，對(duì)于電壓前饋補(bǔ)償?shù)囊笠蚕鄬?duì)較高。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，學(xué)術(shù)界對(duì)于電壓前饋補(bǔ)償?shù)囊饬x及其方法已經(jīng)達(dá)成了基本的共識(shí)。認(rèn)為在永磁條件下，其磁場(chǎng)是存在某種波動(dòng)的，而此種波動(dòng)勢(shì)必會(huì)表現(xiàn)為發(fā)電電壓的諧波特性，從而影響發(fā)電的質(zhì)量。但是，針對(duì)此種問(wèn)題的解決方式則存在一定的爭(zhēng)議與更大的研究空間。從現(xiàn)有的研究結(jié)論角度來(lái)看，大致分為前饋補(bǔ)償與后端治理兩個(gè)方面。所謂的前饋補(bǔ)償主要是指通過(guò)人為調(diào)節(jié)的方式來(lái)利用電壓補(bǔ)償使之能夠維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而消除相關(guān)的諧波擾動(dòng)；而所謂的后端治理則是通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)加裝整流系統(tǒng)與裝置來(lái)對(duì)發(fā)電質(zhì)量進(jìn)行提升，其中電壓的前饋補(bǔ)償更為常見。本文以此為基本的研究方法，對(duì)該方法的具體要素與實(shí)現(xiàn)開展研究，旨在能夠?yàn)楹罄m(xù)的相關(guān)實(shí)現(xiàn)與管理提供必要依據(jù)。

1 電壓前饋補(bǔ)償方法

所謂的電壓前饋補(bǔ)償主要是指對(duì)前段發(fā)電電壓的自動(dòng)計(jì)算與補(bǔ)償機(jī)制來(lái)抑制由于磁場(chǎng)波動(dòng)而帶來(lái)的諧波擾動(dòng)。從實(shí)際的方法確定與使用方法過(guò)程中我們需要確定其補(bǔ)償?shù)闹芷谂c具體的補(bǔ)償數(shù)值。從實(shí)踐的角度來(lái)看大致可以分為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算與反電勢(shì)的計(jì)算，具體內(nèi)容如下。

1.1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算

理論上永磁無(wú)刷直流電機(jī)主磁場(chǎng)為矩形波磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)在定子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由激磁電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)組成，且與電動(dòng)機(jī)外加電壓方向不一致，它的存在嚴(yán)重影響了電機(jī)的運(yùn)行性能。

而轉(zhuǎn)子對(duì)于定子中電場(chǎng)的切割是形成直流電動(dòng)勢(shì)的根本來(lái)源。根據(jù)基礎(chǔ)物理的相關(guān)理論推導(dǎo)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表述為匝數(shù)與磁感線的乘積與2倍常數(shù)a的比值。從上述定義式中我們不難看出影響其變化的因素中除了長(zhǎng)度、常數(shù)、匝數(shù)等客觀定值（只與發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)相關(guān)，而與其運(yùn)行狀態(tài)無(wú)關(guān)）。因此上述計(jì)算模式還可以利用常數(shù)C與磁場(chǎng)的乘積來(lái)進(jìn)行描述。

在此種情況下，電場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中勢(shì)必會(huì)行車工完全且規(guī)整的正弦波圖像。

在考慮到存在擾動(dòng)的情況下，我們可以按照曲線的計(jì)算規(guī)則對(duì)不同幅度下的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及其電勢(shì)進(jìn)行函數(shù)對(duì)照，即實(shí)際的電動(dòng)勢(shì)等于不同角度下瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)理積分值。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，端電壓可以表述為E與IR的總和。通過(guò)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式來(lái)進(jìn)行表征則為C、磁通量及電流的乘積。由此可知，當(dāng)端電壓U保持不變時(shí)，E變大，I相應(yīng)會(huì)變小，進(jìn)而使轉(zhuǎn)矩變小，鑒于此，假如能實(shí)時(shí)補(bǔ)償E，使Ia保持不變，對(duì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的意義重大。實(shí)踐中也往往是通過(guò)此種模式的計(jì)算來(lái)確定補(bǔ)償方式的。

1.2 反電勢(shì)計(jì)算

在確定了電勢(shì)計(jì)算模式的基礎(chǔ)上對(duì)電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行了具體總結(jié)。而從實(shí)際操作的過(guò)程中我們還必須了解其前饋補(bǔ)償中的具體補(bǔ)償規(guī)模，即對(duì)于補(bǔ)償電壓的控制。這也就需要我們對(duì)反電勢(shì)進(jìn)行計(jì)算。

由永磁無(wú)刷直流電機(jī)的構(gòu)造可知，其轉(zhuǎn)子為永磁體，定子線圈通過(guò)外加電源產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，經(jīng)由電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中轉(zhuǎn)子永磁體會(huì)對(duì)定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，U=Ea+IaR。由于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)類似正弦，因此定子線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)速很高時(shí)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩平滑性產(chǎn)生很大的影響，該反電勢(shì)波形計(jì)算可以通過(guò)正弦值與夾角電勢(shì)來(lái)予以確定。簡(jiǎn)而言之，在DSP為基準(zhǔn)的計(jì)算體系中，反電勢(shì)則主要是指在固定位點(diǎn)下所形成的空間分布下的電壓補(bǔ)償規(guī)模。

從上述的兩個(gè)過(guò)程計(jì)算中我們可以從電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ约熬唧w計(jì)算規(guī)則方面對(duì)后續(xù)的相關(guān)體系建設(shè)形成有效的保障。在按照一定的工程規(guī)格加以建設(shè)的前提下，形成有效的補(bǔ)償機(jī)制。

2 電壓前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)及效果分析

在確定了其具體方法與計(jì)算規(guī)范的基礎(chǔ)上，我們有必要對(duì)具體的電壓前饋應(yīng)用與實(shí)踐方式進(jìn)行總結(jié)。在本文的研究過(guò)程中重點(diǎn)總結(jié)其前饋體系的落實(shí)及其可能產(chǎn)生的效果。

在實(shí)際的控制過(guò)程中，對(duì)永磁直流無(wú)刷電機(jī)采用移相控制的方法。移相控制時(shí)，任意狀態(tài)下只有分屬不同橋臂的兩個(gè)功率管導(dǎo)通，這時(shí)會(huì)在定子線圈產(chǎn)生矩形電壓脈沖。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E將導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生畸變；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，畸變嚴(yán)重，此時(shí)將影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩平滑。為了最大程度消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)控制效果帶來(lái)的負(fù)面影響，擬在產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)增大PWM占空比，用以補(bǔ)償由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)帶來(lái)的壓降，該方法亦稱為電壓前饋補(bǔ)償法。永磁直流無(wú)刷電機(jī)的三相定子繞組為Y形連接，采用移相通電的控制方式時(shí)，任意狀態(tài)下只有分屬不同橋臂的兩個(gè)功率管導(dǎo)通，并且每隔60°電角度（1/6周期）進(jìn)行一次換相，每次換相只有一個(gè)功率管變化，每個(gè)周期中任一功率管導(dǎo)通120°電角度。

上述方式?jīng)Q定了在以功率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)通順序形成了有效固定。從而使得電勢(shì)與反電勢(shì)之間產(chǎn)生了有效疊加。在正弦波動(dòng)情況下對(duì)波峰與波谷進(jìn)行合理的規(guī)劃與調(diào)配。與此同時(shí)，此種模式在一定程度上還能夠滿足對(duì)電壓調(diào)配的上上限限定，避免由于過(guò)度的調(diào)節(jié)而產(chǎn)生另一個(gè)層面上的擾動(dòng)。

為了進(jìn)一步認(rèn)證此種電壓前饋補(bǔ)償方式的有效性，本文采取波形擬合的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行具體的判斷。通過(guò)仿真軟件形成多組發(fā)電機(jī)電流與電壓輸出圖，在通過(guò)擬合的手段對(duì)其周期的合規(guī)性以及諧波電流出現(xiàn)的比例進(jìn)行計(jì)算及評(píng)價(jià)。通過(guò)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，此種電壓前饋方式在電流控制波形方面沒有明顯的凹陷，且分布在極短的時(shí)間內(nèi)所形成的循環(huán)波動(dòng)；在時(shí)間與相電波形方面則形成了超過(guò)萬(wàn)分之一的重合比，故而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中可以被認(rèn)定為合規(guī)；在電壓控制波形方面也表現(xiàn)出與電流控制相同的趨勢(shì)。由上述結(jié)果可以判斷通過(guò)電壓前饋補(bǔ)償控制的方式對(duì)客觀上消除無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)諧波具有較高的效能。適宜在后續(xù)的相關(guān)工程應(yīng)用中予以實(shí)現(xiàn)。

除了上文分析所得到的結(jié)論之外，同樣存在一些其他方式能夠?qū)χC波產(chǎn)生一定的治理效果，且我們也需要意識(shí)到諧波并不是發(fā)電機(jī)整流治理的唯一目的。這也需要我們?cè)诤罄m(xù)的研究過(guò)程中予以不斷完善，并通過(guò)多種法方共同作用的方式來(lái)進(jìn)一步提升發(fā)電質(zhì)量與效能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的研究我們重點(diǎn)對(duì)于無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)電壓前饋補(bǔ)償?shù)谋匾耘c作用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。同時(shí)按照感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算以及反電勢(shì)計(jì)算的模式對(duì)電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆椒捌溆?jì)算方式進(jìn)行了分析；最后提出電壓前反饋補(bǔ)償?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)模式并對(duì)該種模式下的具體效果與有效性進(jìn)行評(píng)估。希望在本文研究所取得結(jié)論的基礎(chǔ)上能夠?yàn)檫M(jìn)一步形成更為有效的發(fā)電治理，為進(jìn)一步提升發(fā)電質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。

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