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        浮動(dòng)橋逆變器控制的單位功率因數(shù)空心杯感應(yīng)電機(jī)

        2022-11-18 09:38:00彭理森
        微特電機(jī) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:等效電路浮動(dòng)功率因數(shù)

        彭理森,張 波

        (華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣州 510641)

        0 引 言

        空心杯感應(yīng)電機(jī)可看作實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的一種變形:把實(shí)心轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電銅層和鐵心分離,導(dǎo)電銅層形成空心杯轉(zhuǎn)子,鐵心不再隨空心杯轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn),而是固定下來形成內(nèi)定子鐵心,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]??招谋D(zhuǎn)子上無鐵心,轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?。豢招谋D(zhuǎn)子由整塊金屬鑄造而成,減小了制造缺陷和機(jī)械振動(dòng)的可能性;空心杯轉(zhuǎn)子還可以和傳動(dòng)對象一體化制造,簡化加工裝配過程,進(jìn)一步增強(qiáng)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性[2]。因此,空心杯感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械強(qiáng)度高,適用于渦輪分子泵、高速車床、家用電器等高速領(lǐng)域[3]。

        但空心杯感應(yīng)電機(jī)為轉(zhuǎn)子無鐵心結(jié)構(gòu),且存在內(nèi)外雙氣隙,有效氣隙長度較大,功率因數(shù)和輸出功率均比較低。文獻(xiàn)[4-5]對空心杯感應(yīng)電機(jī)的內(nèi)外氣隙長度及轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行優(yōu)化,但所設(shè)計(jì)樣機(jī)功率因數(shù)不超過0.6。高速領(lǐng)域常采用逆變器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),直流母線電壓固定,過低的功率因數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低空心杯感應(yīng)電機(jī)的輸出功率[6]。因此,空心杯感應(yīng)電機(jī)雖然機(jī)械性能優(yōu)良,但在高速領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀不如籠型高速感應(yīng)電機(jī)。對空心杯感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償,提高輸出功率,有利于發(fā)揮空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,推動(dòng)其在高速領(lǐng)域的應(yīng)用。

        目前,基于浮動(dòng)橋逆變器的雙逆變器拓?fù)湟堰\(yùn)用到籠型感應(yīng)電機(jī)以及永磁直線電機(jī)上,可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)補(bǔ)償,提高電機(jī)的輸出功率范圍[8-10]。同時(shí),浮動(dòng)橋逆變器無需兩套電源,節(jié)省了系統(tǒng)成本與體積,且取消了零序電流,對于空心杯感應(yīng)電機(jī)這種大氣隙電機(jī)是一種較好的功率因數(shù)補(bǔ)償策略。本文從T型等效電路出發(fā),介紹了空心杯感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償機(jī)理及其對工作特性的影響,給出了浮動(dòng)橋逆變器的單位功率因數(shù)補(bǔ)償控制策略,最后在ANSYS電磁仿真軟件中搭建了空心杯感應(yīng)電機(jī)模型,使用場路耦合仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

        1 功率因數(shù)補(bǔ)償機(jī)理

        圖2為本文空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??招谋袘?yīng)電機(jī)定子繞組為開繞組結(jié)構(gòu),一端接電源逆變器,另一端接浮動(dòng)橋逆變器。浮動(dòng)橋逆變器的特點(diǎn)在于其母線電容電壓Vdc不與直流電源Vs相連接,兩個(gè)逆變器的母線電壓彼此獨(dú)立。在穩(wěn)態(tài)時(shí),浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓相位滯后定子電流90°,其只發(fā)出無功功率,與電源逆變器以及空心杯感應(yīng)電機(jī)之間不存在有功功率交互,故其直流母線電壓維持穩(wěn)定。通過控制浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓幅值大小可對電源逆變器進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

        圖2 空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        將浮動(dòng)橋逆變器等效為可調(diào)無功補(bǔ)償電容,電機(jī)系統(tǒng)T型等效電路如圖3所示。圖3中,Us為電源逆變器輸出相電壓相量,I1、I′2分別為定、轉(zhuǎn)子相電流相量,R1、R′2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻,X1、X′2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組漏抗,Xm為勵(lì)磁電抗,XC為可調(diào)無功補(bǔ)償電容容抗。

        圖3 T型等效電路模型

        單位功率因數(shù)補(bǔ)償下,記XC的值為XC0。由T型等效電路模型可求得XC0表達(dá)式:

        (1)

        空心杯感應(yīng)電機(jī)氣隙較大,耦合系數(shù)比較低。以0.8的耦合系數(shù)為例,T型等效電路參數(shù)選擇:R1=0.38 Ω,R′2=0.32 Ω,X1=12.74 Ω,X′2=12.74 Ω,Xm=10.05 Ω。電機(jī)系統(tǒng)相量圖如圖4所示,α為電機(jī)本體功率因數(shù)角,β為電源逆變器功率因數(shù)角,虛線軌跡代表電源逆變器的最大輸出電壓,其受直流母線電壓Vs限制。電機(jī)輸入電壓Uin為電源逆變器輸出電壓Us與浮動(dòng)橋逆變器輸出電壓U之差,其中,U=-jXCI1。

        圖4 電機(jī)系統(tǒng)相量圖

        圖5 電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線

        圖6 電源逆變器功率因數(shù)-轉(zhuǎn)差率曲線

        2 浮動(dòng)橋逆變器控制

        圖7 電機(jī)系統(tǒng)控制框圖

        Qs=i1dusq-i1qusd

        (2)

        (3)

        (4)

        3 驗(yàn) 證

        在ANSYS有限元仿真軟件中搭建驗(yàn)證平臺(tái),主要包括三部分:空心杯感應(yīng)電機(jī)模型、功率電路模型以及控制回路模型??招谋袘?yīng)電機(jī)參數(shù)取自文獻(xiàn)[4]所設(shè)計(jì)的樣機(jī)參數(shù),在ANSYS Maxwell軟件中重建電機(jī)模型如圖8(a)所示,尺寸參數(shù)如表1所示[4]。

        表1 電機(jī)模型尺寸參數(shù)

        固定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,在浮動(dòng)橋逆變器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,以300 r/min為步長,分別記錄4 000 r/min~5 500 r/min下空心杯感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem以及電源逆變器的功率因數(shù)cosβ,仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

        圖8 仿真模型

        圖9 電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

        圖10 電源逆變器功率因數(shù)-轉(zhuǎn)速曲線

        在XC=0,即無浮動(dòng)橋逆變器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí),電源逆變器的功率因數(shù)cosβ等于空心杯感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)cosα??梢钥吹?,cosα不超過0.6,過低的功率因數(shù)是由空心杯感應(yīng)電機(jī)的雙氣隙結(jié)構(gòu)決定的。在XC=XC0,即浮動(dòng)橋逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)補(bǔ)償時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩Tem、功率因數(shù)cosβ-轉(zhuǎn)速曲線趨勢與等效電路模型所推導(dǎo)的一致,證明了浮動(dòng)橋逆變器可以改善電源逆變器的功率因數(shù)以及增大空心杯感應(yīng)電機(jī)的輸出功率。

        圖11 電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的仿真波形

        圖11給出了空心杯感應(yīng)電機(jī)從起動(dòng)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的仿真波形。起動(dòng)時(shí),浮動(dòng)橋逆變器的母線電容電壓Vdc為0,電源逆變器輸出的大部分有功功率通過定子繞組給母線電容充電,母線電容電壓Vdc逐漸上升??招谋袘?yīng)電機(jī)輸送到轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率較小,電磁轉(zhuǎn)矩較低,電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)下反轉(zhuǎn)。當(dāng)母線電容電壓Vdc逐漸上升,至滿足條件式(4)時(shí),浮動(dòng)橋逆變器足夠補(bǔ)償空心杯感應(yīng)電機(jī)所需無功,電源逆變器的功率因數(shù)cosβ逐漸上升,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大,轉(zhuǎn)速升高??梢钥吹?,電磁轉(zhuǎn)矩的上升趨勢和電源逆變器的功率因數(shù)cosβ上升趨勢是一致的。此后,電源逆變器一直工作于單位功率因數(shù)下。

        4 結(jié) 語

        本文將浮動(dòng)橋逆變器應(yīng)用于空心杯感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電源逆變器單位功率因數(shù)補(bǔ)償,仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。該方法彌補(bǔ)了空心杯感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)低和輸出功率低的缺點(diǎn),有利于改善其在高速領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

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