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)電機可看作實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的一種變形：把實心轉(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]。空心杯轉(zhuǎn)子上無鐵心，轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動慣量?。豢招谋D(zhuǎn)子由整塊金屬鑄造而成，減小了制造缺陷和機械振動的可能性；空心杯轉(zhuǎn)子還可以和傳動對象一體化制造，簡化加工裝配過程，進一步增強電力傳動系統(tǒng)的可靠性[2]。因此，空心杯感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，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[4-5]對空心杯感應(yīng)電機的內(nèi)外氣隙長度及轉(zhuǎn)子材料進行優(yōu)化，但所設(shè)計樣機功率因數(shù)不超過0.6。高速領(lǐng)域常采用逆變器作為電機驅(qū)動，直流母線電壓固定，過低的功率因數(shù)會進一步降低空心杯感應(yīng)電機的輸出功率[6]。因此，空心杯感應(yīng)電機雖然機械性能優(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。對空心杯感應(yīng)電機進行功率因數(shù)補償，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，推動其在高速領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，基于浮動橋逆變器的雙逆變器拓?fù)湟堰\用到籠型感應(yīng)電機以及永磁直線電機上，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)補償，提高電機的輸出功率范圍[8-10]。同時，浮動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)電機這種大氣隙電機是一種較好的功率因數(shù)補償策略。本文從T型等效電路出發(fā)，介紹了空心杯感應(yīng)電機功率因數(shù)補償機理及其對工作特性的影響，給出了浮動橋逆變器的單位功率因數(shù)補償控制策略，最后在ANSYS電磁仿真軟件中搭建了空心杯感應(yīng)電機模型，使用場路耦合仿真驗證了該方法的有效性。

1 功率因數(shù)補償機理

圖2為本文空心杯感應(yīng)電機系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？招谋袘?yīng)電機定子繞組為開繞組結(jié)構(gòu)，一端接電源逆變器，另一端接浮動橋逆變器。浮動橋逆變器的特點在于其母線電容電壓Vdc不與直流電源Vs相連接，兩個逆變器的母線電壓彼此獨立。在穩(wěn)態(tài)時，浮動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。通過控制浮動橋逆變器輸出電壓幅值大小可對電源逆變器進行功率因數(shù)補償調(diào)節(jié)。

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

將浮動橋逆變器等效為可調(diào)無功補償電容，電機系統(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為勵磁電抗，XC為可調(diào)無功補償電容容抗。

圖3 T型等效電路模型

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

(1)

空心杯感應(yīng)電機氣隙較大，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。電機系統(tǒng)相量圖如圖4所示，α為電機本體功率因數(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。電機輸入電壓Uin為電源逆變器輸出電壓Us與浮動橋逆變器輸出電壓U之差，其中，U=-jXCI1。

圖4 電機系統(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 浮動橋逆變器控制

圖7 電機系統(tǒng)控制框圖

Qs=i1dusq-i1qusd

(2)

(3)

(4)

3 驗 證

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

表1 電機模型尺寸參數(shù)

固定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在浮動橋逆變器進入穩(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，即無浮動橋逆變器進行無功補償時，電源逆變器的功率因數(shù)cosβ等于空心杯感應(yīng)電機的功率因數(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)電機的雙氣隙結(jié)構(gòu)決定的。在XC=XC0，即浮動橋逆變器實現(xiàn)單位功率因數(shù)補償時，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)電機的輸出功率。

圖11 電機從起動到穩(wěn)態(tài)的仿真波形

圖11給出了空心杯感應(yīng)電機從起動到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的仿真波形。起動時，浮動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。空心杯感應(yīng)電機輸送到轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率較小，電磁轉(zhuǎn)矩較低，電機在負(fù)載轉(zhuǎn)矩帶動下反轉(zhuǎn)。當(dāng)母線電容電壓Vdc逐漸上升，至滿足條件式(4)時，浮動橋逆變器足夠補償空心杯感應(yīng)電機所需無功，電源逆變器的功率因數(shù)cosβ逐漸上升，電機的電磁轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速升高?？梢钥吹剑姶呸D(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

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