橫向磁通電機各相獨立控制策略研究

楊鋒權(quán)

?

橫向磁通電機各相獨立控制策略研究

楊鋒權(quán)

（中國人民解放軍 4805 工廠象山修船廠（海申機電總廠），浙江寧波 315700）

本文分析了橫向磁通各相異性的特點，提出了不同于傳統(tǒng)三相矢量控制的控制方法，即三角函數(shù)法各相獨立控制。分析了各相獨立控制的原理，建立了數(shù)學(xué)模型，并與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行了對比仿真，仿真結(jié)果表明：三角函數(shù)法各相獨立控制能很好的平衡各相電流，控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

橫向磁通電機 各相獨立 單相坐標(biāo)變換

0 引言

德國不倫瑞克理工大學(xué)(Brunswick)的Herbert Weh 教授在20世紀(jì)80年代提出的橫向磁通電機(Transverse flux motor, TFM)結(jié)構(gòu)思想[1,2]，對提高電機的轉(zhuǎn)矩密度具有重要意義。一般來講，TFM有著有別于其他類型電動機的特征[3]：1）電動機各相之間完全物理隔離，因此相間無電磁耦合；2）電動機的磁路真正是三維的；3）簡單螺線管線圈和與其成套的定子鐵芯耦合，構(gòu)成每一相的電樞繞組；4）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使磁通集中，以便產(chǎn)生高氣隙磁密；5）無需折中幾何尺寸，即可改變磁路結(jié)構(gòu)和線圈區(qū)域。

各國學(xué)者橫向磁通電機的驅(qū)動控制隨著電機的研究而開展了大量的研究工作，提出了如下幾種主要的驅(qū)動控制：1）方波電流控制[4]。2）三相正弦波通用變頻器的驅(qū)動控制[5]。3）三相方波變頻器驅(qū)動控制。

橫向磁通電機整體由若干個小功率電機模塊組合而成，每個模塊包括一相或多相，每相只需一組集中式繞組，且各相之間實現(xiàn)了電磁和結(jié)構(gòu)的雙重解耦的結(jié)構(gòu)。基于這些特點，本文提出了采用三相變頻器驅(qū)動三相開繞組橫向磁通永磁電機的各相獨立控制方案。

1 橫向磁通永磁電機的相間不平衡特性

由于橫向磁通電機各相之間完全物理隔離，因此相間無電磁耦合。所以，制造過程中存在相間反電動勢的大小和相位不平衡。

1）相間反電動勢大小不一致。實驗用200 kW六相橫向磁通永磁電機的各相的反電動勢在相同的轉(zhuǎn)速下，由其工藝和制造的差異，導(dǎo)致磁場不一致，從而反電動勢大小不同。

2）相位差不一致。橫向磁通電機不同相之間的相位差完全是由機械角度的偏差決定。設(shè)計時，是通過定子的繞組偏差和轉(zhuǎn)子的磁極偏差共同形成相位差。實際的機械加工中由于制造工藝的限制，又由于橫向磁通的極數(shù)很多，實際電機的相位差與設(shè)計值存在偏差。

如下是200 kW六相橫向磁通永磁電機的反電動勢設(shè)計值、以及通過試驗測得的一個通道實際值。

1）額定轉(zhuǎn)速時，反電勢有效值約：260 V。

2）以發(fā)電運行，轉(zhuǎn)速約為110 rpm時的空載反電勢結(jié)果來分析反電勢的幅值不平衡量：A1p=350 V，B1p=341 V，C1p=337 V。δ1%（以峰值計算不平衡量）=13/350~~ 13/337= 3.7%~ 3.86%。

3）以發(fā)電運行，轉(zhuǎn)速約為110 rpm時的空載反電勢結(jié)果來分析反電勢的相角不平衡量。實測值：A1=0°, B1=115.4°, C1=236.6°。理想值：A1=0°, B1=120°, C1=240°。δab%= 4.6/120= 3.83%; δac%=3.4/120=2.83%。

2 傳統(tǒng)的三相開繞組永磁電機矢量控制策略

首先在對200 kW橫向磁通永磁電機進(jìn)行了單通道（一個三相）的控制采用傳統(tǒng)的三相開繞組永磁同步電機的控制方法。三相開繞組永磁電機的控制策略與三相Y型永磁同步電機的控制策略相似，不同之處是：對每個繞組進(jìn)行電流采樣和PWM的生成。

以實際電機的第1通道的反電動勢在Matlab/Simulink下建立仿真，仿真結(jié)果如圖1。

圖1傳統(tǒng)的三相開繞組永磁電機矢量下各相電流

從圖1可知，由于相間的反電動勢的相位偏差和大小不等，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制三相電流存在偏差，偏差為20 A。

3 橫向磁通永磁電機的各相獨立控制

對各相進(jìn)行獨立控制時，實際上控制多個單相交流永磁電機。單相交流永磁電機的控制策略有多種形式，如：1）轉(zhuǎn)速環(huán)與電流跟蹤型控制。2）雙閉環(huán)的控制方式。本文采用后者進(jìn)行分析。雙環(huán)中的外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電流環(huán)在采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸電流分量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。在三相電機系統(tǒng)中，可通過電流的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換來解決這個問題。而在單相系統(tǒng)中，由于只有一相電量，故無法直接利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。如下分析在單相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對電流進(jìn)行閉環(huán)控制。

3.1 TFPM各相獨立控制原理

建立了各相獨立控制的控制框圖，如圖2。

在單相系統(tǒng)中運用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的原理，不同于三相系統(tǒng)。常見的方法是1/4周期延遲等效法。這種延遲1/4周期得到虛擬的β分量的方法常應(yīng)用于固定基本周期的場合，如單相PWM整流中，對于單相電機在全速度范圍內(nèi)基本周期變化，在低速時周期過長，在數(shù)字實現(xiàn)上存儲空間受限。且周期過長，β分量的時間滯后大。因此該方法不能應(yīng)用于單相交流電機控制中，即不適用于本控制策略。

3.2 TFPM各相獨立控制數(shù)學(xué)模型

本文提出了三角函數(shù)法，并建立了如下數(shù)學(xué)模型。

1s/2r坐標(biāo)變換過程中，dq軸存在交流分量，利用PI調(diào)節(jié)控制。坐標(biāo)變換先將單相靜止坐標(biāo)下的a定義為兩相靜止坐標(biāo)系下的α分量，引入虛擬的靜止分量β，再進(jìn)行2s/2r變換。

α、β及dq軸的建立，需以永磁電機為基礎(chǔ)。定義β軸超前α軸90°，q軸超前d軸90°。如圖2所示。

令

圖2 各相電流各相獨立控制的控制框圖

虛擬一個β分量，再進(jìn)行坐標(biāo)變換得到dq軸分量：

3.3 TFPM相位偏差的控制

在分析各種控制策略的過程中，采用一種較容易實現(xiàn)的控制方法：各相的相位解耦矢量控制，即在三相的坐標(biāo)變換時，分別用其準(zhǔn)確的相位代替120°。

在相位非對稱的三相系統(tǒng)中，C3s/2r-ayn：

非對稱的三相系統(tǒng)中，反變換C2r/3s-ayn：

3.4 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了200 kW六相橫向磁通永磁電機的單通道各相獨立控制仿真模型，并進(jìn)行仿真，三相輸出電流如圖3。可見，采用各相獨立控制，通道內(nèi)，三相電流平衡。

圖3 各相獨立控制仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過原理分析與仿真，橫向磁通永磁電機采用三角函數(shù)法的各相獨立控制實現(xiàn)了各相的完全解耦控制，使得相間的相位和大小偏差引起的不平衡得到較好的抑制。

[1] Weh H, May H. Achievable force densities for permanent magnet excited machine in new configuration [C]. Proceedings of ICEM, Munchen, Germany, l986: l107-l1l1.

[2] Weh H, Hoffman H, Landrath J．New permanent magnet excited synchronous machine with high efficiency at low speed [C]. Proceedings of ICEM, Pisa, Italy, 1988: 35-40.

[3] 劉哲民, 陳謝杰, 陳麗香等. 基于3D-FEM 的新型橫向磁通永磁電機的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2006, 5(21): 19-23.

[4] 李亞旭. 橫向磁通電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初析[J]. 船電技術(shù), 2003, 23(1): 8-12.French C D, Hodge C, Husband M．Optimised~rque control of marine transverse- flux propulsion machines[C]. Conference of IEE, Bath, UK, 2002.

Research on Each Phase Independent Control Method for Transverse Flux Motor

Yang Fengquan

(No.4805 Factory of PLA, Ningbo 315700, Zhejiang, China)

TM301.2

A

1003-4862（2014）08-0062-03

2014-02-24

楊鋒權(quán)（1975-），男，工程師。專業(yè)方向：電子技術(shù)應(yīng)用。