應(yīng)用于中小功率PMSG的無電感調(diào)壓器

顧維菱，劉闖，朱學(xué)忠

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016）

1 引言

永磁同步電機(jī)由于沒有勵(lì)磁繞組，不消耗激磁功率，所以損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域［1］。但是由于永磁發(fā)電機(jī)沒有勵(lì)磁繞組，無法調(diào)節(jié)其磁場(chǎng)和輸出電壓、功率因數(shù)，從而限制了它的應(yīng)用范圍。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)調(diào)壓、整流控制做了很多研究，目前最常用且成熟的永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）調(diào)壓系統(tǒng)是傳統(tǒng)的AC-DC-DC拓?fù)洹＿@種拓?fù)鋵⒔涣麟娡ㄟ^不控整流后輸給常用DC-DC（如BUCK，Boost，F(xiàn)lyback等）進(jìn)行調(diào)壓，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠且成本低，對(duì)于功率因數(shù)較高的PMSG，采用這種電路就足以獲得較好的輸出特性。

但DC-DC變換器含有無源LC濾波環(huán)節(jié)，在提高功率因數(shù)的同時(shí)卻使整流器重量、成本增加。減少儲(chǔ)能電感的體積、重量對(duì)于提升系統(tǒng)的功率密度有很大幫助。Baker 和Nie 等人曾在文獻(xiàn)［2-4］中提到由于永磁直線電機(jī)本身的內(nèi)置電感（電樞反應(yīng)電抗+漏抗）一般較大，可以用該內(nèi)置電感代替Boost 變換器的儲(chǔ)能電感，并將其應(yīng)用于直驅(qū)式海浪發(fā)電機(jī)。文獻(xiàn)［5］中對(duì)將該電路應(yīng)用于直驅(qū)式海浪發(fā)電機(jī)的控制進(jìn)行了進(jìn)一步探討?？紤]到PMSG的內(nèi)置電感也比較大，對(duì)于不可控整流+Boost 的調(diào)壓器，同樣可以用PMSG內(nèi)置電感代替Boost的儲(chǔ)能電感。在此基礎(chǔ)上本文將討論一種適用于中小型永磁同步發(fā)電機(jī)的無電感調(diào)壓器。

本文將研究這種無電感調(diào)壓器的拓?fù)?，討論其工作原理和工作方式，并和傳統(tǒng)的Boost DC-DC 電路進(jìn)行比較，最后將在高速電機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這種方案的可行性以及性能。

2 無電感調(diào)壓器的工作原理

2.1 無電感調(diào)壓器結(jié)構(gòu)研究

圖1 即為本文提出的新型無電感調(diào)壓器拓?fù)?，?duì)比圖2（常用的三相不可控整流橋+DC-DC調(diào)壓器）可以發(fā)現(xiàn)，該方案不僅能省略常用調(diào)壓結(jié)構(gòu)（見圖2）中的儲(chǔ)能電感，還可以省去前級(jí)濾波電容。由于發(fā)電機(jī)輸出三相交流電頻率相對(duì)開關(guān)管頻率而言比較低，經(jīng)過不可控整流橋之后變成脈動(dòng)很大的6 脈沖直流電，為了后級(jí)獲得紋波較小的直流電壓，需要較大的紋波電容C0進(jìn)行濾波，若能省去C0，可使系統(tǒng)的體積和重量進(jìn)一步下降。

圖1 無電感調(diào)壓器拓?fù)銯ig.1 Topology of non-inductive regulator

圖2 常用三相不可控整流+DC-DC電路Fig.2 Common circuit of three-phase uncontrolled rectifier+DC-DC

2.2 無電感調(diào)壓器系統(tǒng)分析

在對(duì)圖1 所示電路進(jìn)行分析之前做以下假設(shè)：1）設(shè)電機(jī)輸出三相電壓幅值相等且相位差120°；2）設(shè)電機(jī)三相繞組內(nèi)置電感La=Lb=Lc=L且大小恒定；3）設(shè)開關(guān)管頻率（fs）遠(yuǎn)大于電機(jī)輸出三相交流電頻率（fo），且在開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓保持不變。

電路的工作原理為：以Ua＞Ub＞Uc時(shí)進(jìn)行分析，對(duì)于三相不可控整流橋，二極管D1，D6ON，其他二極管OFF。

當(dāng)fs遠(yuǎn)大于fo時(shí)，默認(rèn)在開關(guān)管Q 開關(guān)的單周期內(nèi)，Boost電路的輸入電壓基本保持不變，有UGO=Uac。由此，在單周期內(nèi)可以用Boost DC-DC電路原理討論電路工作原理。

開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)，電路等效電路圖如圖3 所示，電流流過Q，并通過電感La，Lc線性增長(zhǎng)。

圖3 開關(guān)管開通時(shí)電流路徑Fig.3 Current path when switch tube is opened

開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)，D0導(dǎo)通，等效電路如圖4所示，電流通過二極管D0續(xù)流，向輸出側(cè)流動(dòng)，電源功率和電感L 儲(chǔ)能向負(fù)載和電容C 轉(zhuǎn)移，給C充電。

圖4 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流路徑Fig.4 Current path when switch tube is closed

此后Q又導(dǎo)通，開始另一個(gè)開關(guān)周期。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)開關(guān)周期，電路可以等效為如圖5 所示的Boost DC-DC 結(jié)構(gòu)圖。其分析方式和Boost電路相似。

圖5 等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram

3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

無電感調(diào)壓電路的分析和Boost DC-DC 變換器相似，所以其元器件參數(shù)設(shè)計(jì)也可以參照Boost型電路進(jìn)行［6］。

本文將選用現(xiàn)有500 W 高速永磁同步發(fā)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min 時(shí)的三相電壓頻率為1 kHz，輸出線電壓有效值為14.5 V。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓Uac=10～36 V，輸出電壓Uo=48 V，最小輸出電流Iomin=2 A，輸出功率Po=500 W，電壓紋波0.5%，開關(guān)管頻率fs＝43 kHz。

參考Boost電路，臨界電流為

由式（1）可知，當(dāng)D越接近1/3 時(shí)，IOB越大。令最小負(fù)載電流Iomin大于臨界負(fù)載電流，得

取L=21 μH，即La=Lb=Lc=10.5 μH。

式中：Rmin為最小負(fù)載電阻；fs為開關(guān)頻率。

由式（3）、式（4）得到fc=1/RC=0.544 kHz,C≥400 μF。

由于電路結(jié)構(gòu)中不含有前級(jí)濾波電容C0，且電機(jī)三相輸入電壓紋波較大，輸出濾波電容C應(yīng)該足夠大才能滿足輸出平穩(wěn)要求，取C=1 100 μF。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)框圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為2臺(tái)高速永磁同步電機(jī)對(duì)拖，其中一個(gè)為電動(dòng)機(jī)，作為另一臺(tái)電機(jī)（發(fā)電機(jī)）的原動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)由控制器控制；發(fā)電機(jī)額定功率為500 W，最高轉(zhuǎn)速為108 000 r/min，后面接無電感調(diào)壓器。

圖6 實(shí)驗(yàn)框圖Fig.6 The diagram of experiment

圖7 顯示了不同負(fù)載情況下的驅(qū)動(dòng)波形、輸出電壓和UC3842電流輸入波形。

圖7 不同情況下的驅(qū)動(dòng)、輸出電壓和芯片輸入電流波形Fig.7 Driving，output voltage and input current waveforms of chip under different conditions

圖7中空載情況下可以看出輸出電壓雖然有些許紋波，但比較平穩(wěn)，同時(shí)在負(fù)載3 Ω時(shí)電感不斷續(xù)，滿足要求。雖然在負(fù)載3 Ω時(shí)輸出電壓有所下降，但電壓變化率很小。

圖8和圖9分別為不同輸入電壓時(shí)調(diào)壓器輸出電流—效率（Io—η）曲線以及外特性曲線。

圖8 不同輸入電壓時(shí)的Io—η曲線Fig.8 Curves of Io—ηof different input voltage

圖9 外特性曲線Fig.9 Curves of external characteristic

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)總體外特性較硬，在輸入電壓大于24 V時(shí)系統(tǒng)效率能保持83%以上。同時(shí)我們可以得到以下2個(gè)結(jié)論：

1）在相同負(fù)載情況下，輸入電壓越高，系統(tǒng)效率越高，外特性越硬；

2）在輸入電壓相同下，負(fù)載越重，效率越低，輸出電壓下降也較多，負(fù)載效應(yīng)較為嚴(yán)重。

其中結(jié)論1）是由于在相同輸出功率情況下，輸入電壓低導(dǎo)致輸入電流增加，使得前級(jí)損耗大大增加，效率也會(huì)下降，反之亦然；結(jié)論2）是在保持輸入電壓不變情況下，閉環(huán)的輸出電壓變化很小，負(fù)載加重，導(dǎo)致輸出電流增加，負(fù)載損耗以及采樣電阻等損耗增加，效率也隨之下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該無電感調(diào)壓器工作性能穩(wěn)定，且PMSG內(nèi)置電感完全滿足實(shí)驗(yàn)需求。用直流電橋測(cè)得發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電感為16.17 μH，但是其內(nèi)置電感實(shí)際大小能否滿足所有無電感調(diào)壓器的需求還需要進(jìn)一步論證。

圖10是在電機(jī)輸入線電壓有效值30.2 V，負(fù)載電阻為24.2 Ω時(shí)的采樣電阻上的電壓（電流）變化情況。

圖10 R=24.2 Ω時(shí)采樣電阻電壓值Fig.10 Voltage sampling of R=24.2 Ω

通過圖10我們可以推算電機(jī)內(nèi)部的電感：當(dāng)采樣電阻為0.05 Ω，轉(zhuǎn)速為60 000 r/min 時(shí)，電機(jī)的輸入線電壓Uac=30.2 V，當(dāng)Q為ON時(shí)，有

通過測(cè)得的電流增量ΔiL和時(shí)間增量Δt，計(jì)算得到L=23.6 μH。

可以看出實(shí)際測(cè)得的電感值大于用直流電橋直接測(cè)得的電感值，且大于設(shè)計(jì)值，說明是符合要求的，也證明了該電路的可行性。

由于本實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)是高速PMSM，體積較小，其內(nèi)置電感也比較小，一般低速PMSM 內(nèi)置電感較大，可達(dá)mH 數(shù)量級(jí)，都能滿足Boost 電路的需求。

此外該方案使用的是電機(jī)內(nèi)部的電樞反應(yīng)電抗［7］，除了使用直流電橋類儀表測(cè)得一個(gè)粗略的參數(shù)，目前還沒有成熟的方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。所以為了獲得更好的系統(tǒng)性能，調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以和電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合起來。

圖2 拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)能量單向流動(dòng)，適用于功率因數(shù)較高的發(fā)電機(jī)；而對(duì)于功率因數(shù)較低的發(fā)電機(jī)，可以采用如圖11所示的具有能量雙向流動(dòng)的拓?fù)?。通過DSP等數(shù)字控制芯片對(duì)其進(jìn)行SPWM/SVPWM 控制，從而矯正因?yàn)榇箅姼卸鴮?dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與輸出電流之間的相位差。此外本文討論的無電感調(diào)壓器拓?fù)湟部梢詰?yīng)用在兩相電路結(jié)構(gòu)。

圖11 具有雙向運(yùn)行能力的無電感調(diào)壓器Fig.11 Non inductive voltage regulator with capacity of bidirectional operation

5 結(jié)論

相較于其他電機(jī)結(jié)構(gòu)，永磁同步電機(jī)具有功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，并且在相同功率等級(jí)情況下結(jié)構(gòu)體積也小于一般發(fā)電機(jī)（凸極式電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)等）。為了進(jìn)一步減小永磁同步發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的調(diào)壓器的體積重量，本文提出將PMSG 的內(nèi)置電感代替Boost 直流變換器儲(chǔ)能電感的結(jié)構(gòu)，從而大大減小了調(diào)壓結(jié)構(gòu)的大小。

通過理論分析驗(yàn)證了無電感調(diào)壓系統(tǒng)的可行性，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果更論證了其性能的穩(wěn)定性和實(shí)用性，而相比于傳統(tǒng)的三相橋整流電路，該拓?fù)湓诒ＷC效率的情況下體積和重量都大大減小，增加了系統(tǒng)的功率密度，說明這是一種值得研究和推廣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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