基于旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電技術(shù)的PMSM調(diào)速方法研究

孫忠鵬, 莊亞平, 馬守軍, 壽海明

（海軍裝備研究院，北京 100161）

0 前言

永磁同步電動機(jī)具有功率密度高、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。常見的永磁同步電動機(jī)控制方法有恒壓頻比控制、空間矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、基于空間矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制等[1]，這些控制方法的執(zhí)行都依賴于變頻器設(shè)備。因此，要實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的控制必須配備與之功率相匹配的變頻器。但是在一些領(lǐng)域電機(jī)功率的需求越來越高，大功率變頻器因受電力電子器件的限制而發(fā)展緩慢。本文提出的基于旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)不依賴于大功率變頻器，為大功率永磁同步電動機(jī)的控制提供一種新思路。

1 變頻發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

變頻發(fā)電技術(shù)根據(jù)工作機(jī)理可分為靜止型變頻發(fā)電和旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電。

靜止型變頻發(fā)電利用電力電子技術(shù)和電力電子器件，通過控制開關(guān)通斷時間和頻率實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出電能的變頻調(diào)壓，以滿足電網(wǎng)供電要求。典型的應(yīng)用就是風(fēng)力發(fā)電，由于風(fēng)速不可控制，輸出電能原始頻率不能滿足電網(wǎng)要求，利用電力電子變頻裝置可以實(shí)現(xiàn)恒頻輸出[2]。嚴(yán)格來講，風(fēng)力發(fā)電屬于靜止型變速恒頻發(fā)電。

旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電利用原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，通過控制原動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)勵磁實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)壓。其中原動機(jī)既可以是柴油機(jī)、汽輪機(jī)等，也可以是電動機(jī)。電動機(jī)作為原動機(jī)時多應(yīng)用于固定變頻比變頻發(fā)電，電動機(jī)通過原始電網(wǎng)驅(qū)動，利用電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間極對數(shù)的匹配關(guān)系得到滿足頻率要求的電能。日本電力系統(tǒng)中50 Hz電網(wǎng)與60 Hz電網(wǎng)就是利用這樣的變頻機(jī)組實(shí)現(xiàn)不同頻率電網(wǎng)之間的電能交換[3]。原動機(jī)為柴油機(jī)、汽輪機(jī)等速度可調(diào)動力裝置時，即可帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生頻率可控的電能。由于原動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時一般效率較低，經(jīng)濟(jì)性較差，這種變頻發(fā)電技術(shù)尚無成熟應(yīng)用。

作為可以規(guī)避大功率電力電子器件限制的一種途徑，旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且不存在電磁污染問題等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于大功率永磁同步電動機(jī)控制領(lǐng)域值得深入探索。

采用旋轉(zhuǎn)式變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)屬于電壓源型供電，由于沒有電力電子器件，電壓波形嚴(yán)格正弦變化，不存在電壓諧波，因此避免了由于諧波而引起的電機(jī)損耗。而且，不存在非正弦供電下電流諧波產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，可以有效抑制永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。

2 控制方法選擇

永磁同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分為他控變頻調(diào)速系統(tǒng)和自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。前者通過變頻電源獨(dú)立控制永磁同步電動機(jī)供電電壓和頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的開環(huán)控制，如壓頻比控制。后者利用電機(jī)軸系安裝的轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻器的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的閉環(huán)控制，如空間矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

基于旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)調(diào)速方法，發(fā)電機(jī)勵磁控制可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。但由于原動機(jī)調(diào)速是機(jī)械運(yùn)動過程，時間常數(shù)較大，無法滿足矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的要求，因此該系統(tǒng)中永磁同步電動機(jī)宜采用壓頻比控制。永磁同步電動機(jī)的壓頻比控制特性如圖1所示。

低速運(yùn)行時，考慮到定子繞組電阻和漏感的電壓補(bǔ)償，相應(yīng)提高啟動電壓。當(dāng)永磁同步電動機(jī)高于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，定子線圈感生電動勢E0隨轉(zhuǎn)速升高而增大，由于受發(fā)電機(jī)最高供電電壓限制，必須對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行弱磁。永磁體產(chǎn)生的磁場無法控制，只有通過調(diào)節(jié)定子電流直軸去磁分量id實(shí)現(xiàn)弱磁，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換和電流矢量控制。這在壓頻比控制方式下難以實(shí)現(xiàn)，所以永磁同步電動機(jī)在恒功率運(yùn)行區(qū)段難以實(shí)現(xiàn)較廣的調(diào)速范圍。

3 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

基于旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、永磁同步電動機(jī)和負(fù)載，原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，輸出電能通過電纜直接為永磁同步電動機(jī)供電以驅(qū)動負(fù)載?？刂茩C(jī)構(gòu)通過測速裝置測得當(dāng)前原動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，分別進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制通道和勵磁控制通道。進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制通道的轉(zhuǎn)速信號與給定轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行比較，作為原動機(jī)調(diào)速器輸入實(shí)現(xiàn)原動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率的目的；進(jìn)入勵磁控制通道的轉(zhuǎn)速信號首先經(jīng)過V/f特性曲線獲得與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相適應(yīng)的電壓幅值，通過控制勵磁使電壓幅值跟蹤轉(zhuǎn)速變化。為了使發(fā)電電壓嚴(yán)格按照V/f特性曲線變化，采用電壓閉環(huán)控制。

原動機(jī)與發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變頻機(jī)組采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)供電電壓和頻率的控制。永磁同步電動機(jī)由變頻機(jī)組直接供電，采用的是轉(zhuǎn)速開環(huán)、電壓閉環(huán)的調(diào)速方式，與異步電機(jī)VVVF（變頻變壓）系統(tǒng)相同。其中，V/f特性曲線可以根據(jù)不同的負(fù)載進(jìn)行選擇。發(fā)電機(jī)與永磁同步電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

式中：nG和nM—發(fā)電機(jī)和永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速；fG和fM—發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率和永磁同步電動機(jī)供電頻率；PG和PM—發(fā)電機(jī)和永磁同步電動機(jī)極對數(shù)。

根據(jù)fG=fM和公式（1）、（2）得到發(fā)電機(jī)與永磁同步電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速與極對數(shù)之間的關(guān)系（見公式3）。據(jù)此，可以通過極對數(shù)的相互匹配來滿足負(fù)載轉(zhuǎn)速要求。

4 系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

4.1 失步問題

如果永磁同步電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動，功角在允許范圍內(nèi)變化，同時電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化以使電機(jī)同步穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速和定子電壓下所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩時，永磁同步電動機(jī)就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。此時，必須采取措施，提高定子電壓幅值，防止電機(jī)進(jìn)入失步運(yùn)行狀態(tài)。

由于該系統(tǒng)中永磁同步電動機(jī)采用轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，電動機(jī)一旦進(jìn)入失步運(yùn)行狀態(tài)，無法通過自動調(diào)節(jié)將電機(jī)拉回同步轉(zhuǎn)速。所以，首先必須充分了解該系統(tǒng)中永磁同步電動機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)，在選擇V/f特性曲線時，要使電動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)與極限點(diǎn)留有一定裕度，使系統(tǒng)能夠承受一定的轉(zhuǎn)矩波動，不至于因?yàn)檩^小的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而導(dǎo)致電機(jī)失步。當(dāng)永磁同步電機(jī)嚴(yán)重失步時應(yīng)立即切除電源，

4.2 啟動特性

永磁同步電動機(jī)的啟動性能十分重要，對于電機(jī)的使用壽命有重要影響。受機(jī)械慣性影響，永磁同步電動機(jī)啟動時轉(zhuǎn)速變化滯后于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速變化，電機(jī)處于異步運(yùn)行狀態(tài)。由于永磁同步電動機(jī)同步電抗小，異步啟動時電流過大，啟動轉(zhuǎn)矩過高，必須采取相應(yīng)的措施。

變頻電源供電時永磁同步電動機(jī)常采用軟啟動方式[6]，從靜止開始逐漸升頻變頻起動，可以明顯改善啟動性能。該系統(tǒng)可以通過控制原動機(jī)上升速率實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的軟啟動。

5 仿真分析

為進(jìn)一步研究基于旋轉(zhuǎn)型變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)調(diào)速方法，利用 MATLAB中Simulink仿真模塊，搭建簡單系統(tǒng)模型（如圖3）進(jìn)行仿真分析。其中，原動機(jī)模型簡化為簡單的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的功率調(diào)節(jié)裝置。永磁同步電動機(jī)極對數(shù)PM=8，發(fā)電機(jī)極對數(shù)PG=2。由公式3可知，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的4倍。

1) 調(diào)速特性仿真分析

仿真永磁同步電動機(jī)從靜止起步加速至 300 r/min。設(shè)定原動機(jī)加速至1200 r/min，加速時間由轉(zhuǎn)速給定模塊設(shè)定，結(jié)果見圖4～圖6。

通過仿真結(jié)果可知，發(fā)電機(jī)電壓幅值隨轉(zhuǎn)速上升而逐漸增大。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間存在著比例關(guān)系，可以通過控制發(fā)電機(jī)的加速曲線實(shí)現(xiàn)對永磁同步電動機(jī)調(diào)速控制。

永磁同步電動機(jī)需要加速時，改變原動機(jī)給定轉(zhuǎn)速，原動機(jī)通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)提高變頻機(jī)組供電頻率，永磁同步電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速隨之上升，電機(jī)經(jīng)過一段加速過程后遷入同步轉(zhuǎn)速。電機(jī)的加速時間取決于原動機(jī)的加速時間 T1和原動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后永磁同步電動機(jī)牽入同步轉(zhuǎn)速所需的時間T2。由于原動機(jī)加速和永磁同步電動機(jī)加速幾乎同步進(jìn)行，T2相對T1來說很小，所以電機(jī)的加速性能主要受原動機(jī)加速性能的影響。電機(jī)減速與加速過程類似。

2) 啟動特性分析

仿真永磁同步電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載情況下的空載啟動特性。直接啟動時原動機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，軟啟動時轉(zhuǎn)速給定1 s內(nèi)增至1000 r/min，結(jié)果如下：

通過仿真結(jié)果可知，采用直接啟動方式，當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量較小時，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過幾次波動后能夠快速進(jìn)入同步運(yùn)行（見圖7）；當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量較大時，由于電機(jī)響應(yīng)較慢，啟動后進(jìn)入失步狀態(tài)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)震蕩并呈指數(shù)衰減最后穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速（見圖8）；若轉(zhuǎn)動慣量過大，電機(jī)將進(jìn)入嚴(yán)重失步狀態(tài)，轉(zhuǎn)速一直波動且無法趨于穩(wěn)定。

采用軟啟動方式時，原動機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止逐漸加速至1000 r/min，即使當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量較大，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過幾次波動后逐漸拖入同步運(yùn)行（見圖9），相比直接啟動轉(zhuǎn)速波動得到了很大抑制，極大改善了啟動性能。若再增加原動機(jī)加速時間，轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象可進(jìn)一步抑制，而此時電機(jī)啟動時間變長。所以在選擇原動機(jī)加速時間時要綜合考慮啟動性能和電機(jī)啟動時間，而且轉(zhuǎn)動慣量的大小對于加速時間的選取有重要影響。

六 結(jié)論

本文介紹的基于旋轉(zhuǎn)式變頻發(fā)電技術(shù)的永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不依賴于大功率變頻器。通過研究相關(guān)理論，對系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，并通過建立系統(tǒng)仿真模型研究了永磁同步電動機(jī)壓頻比調(diào)速方式下的調(diào)速特性和啟動特性，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供重要參考。

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