采用/△變換拓寬異步電動機恒轉矩調速范圍控制系統(tǒng)

蘇志從 王榕生

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

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蘇志從 王榕生

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

提出了/△變換拓寬異步電動機恒轉矩變頻調速范圍的方法。分析了異步電動機/△變換運行時的數(shù)學模型，構建了基于繞組開放式異步電動機的/△變換運行時轉子磁鏈定向控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真模型。以TMS320F2812 DSP為控制器，搭建了實驗平臺。實驗與仿真結果表明采用/△變換能顯著拓寬異步電動機恒轉矩變頻調速范圍，能顯著提升電機功率密度。

/△變換；恒轉矩；異步電動機

交流電動機在基頻（50Hz）以下為恒轉矩調速區(qū)，但在基頻以上區(qū)域，受母線電壓的限制，電機定子繞組線電壓無法繼續(xù)提高，若繼續(xù)提高電機轉速，轉矩也隨速度的上升而下降，無法滿足基頻以上高速運行時仍具有恒轉矩輸出的驅動要求。

提高電機額定電壓，可以拓展電機恒轉矩調速范圍，但受功率器件耐壓的限制。采用兩電平逆變器通過器件的串聯(lián)技術來提高系統(tǒng)承受電壓的能力，此種方法存在動、靜態(tài)均壓的問題。采用多電平逆變技術可以避開器件串聯(lián)引起的動、靜態(tài)均壓問題，使得輸出相同電壓時器件耐壓降低，實際應用中主要有三電平逆變技術和功率單元串聯(lián)式多電平逆變技術，但是三電平逆變器帶負載時存在中性點電位波動問題；功率單元串聯(lián)式多電平逆變器技術存在串聯(lián)變頻器單元較多，所需功率器件多，控制復雜的問題[1]。直接減小電機繞組匝數(shù)，也可以拓寬恒轉矩調速范圍，但是當電機運行在低速區(qū)，逆變器的調制度M很小，輸出電壓電流諧波大，低速區(qū)性能差。結合繞組變換技術，在高速區(qū)動態(tài)切除部分繞組[2-3]，也可以提高電機恒轉矩調速范圍，目前的研究主要在于拓寬恒功率區(qū)的應用場合。極相調制技術也可以用于拓寬電機轉矩/轉速范圍，已在混合動力汽車得到應用，但是所用功率半導體器件多，電流控制也較復雜[3-4]。

倍。

1　控制系統(tǒng)主電路

圖1　電機/△變換電路拓撲

2　按轉子磁場定向的異步電動機?/△變換矢量控制系統(tǒng)

磁鏈方程

電壓方程

電磁轉矩方程

機械運動方程

由以上公式可以推導得到

式中，轉子磁鏈ψr的大小由惟一變量 isd（定子電流勵磁分量）確定，當電機穩(wěn)態(tài)運行時，ψr穩(wěn)定，ωsl由 isq惟一確定。所以，轉子磁場定向控制可以實現(xiàn)磁通和轉矩的解耦控制。

圖2　/△變換拓寬異步電機恒轉矩調速范圍系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)仿真分析

Matlab/Simulink上的模型庫里面的異步電動機模型是型接法的，不能用于/△變換，但是，/△變換不改變電機內部的電磁關系，只改變外部接線，所以可以根據異步電動機的數(shù)學模型搭建了開放式繞組籠型異步電動機仿真模型[8]，并構建/△變換時轉子磁場定向控制系統(tǒng)的仿真模型，其系統(tǒng)結構如圖 2所示。選用Y90L-4三相異步電動機為控制對象，電機參數(shù)如下：額定功率 1.1kW，額定電壓 380V，額定電流 2.7A，額定轉速1400r/min，額定轉矩7.5N·m，定子相電阻7.00Ω，轉子相電阻6.06Ω，定子/轉子漏感0.043H，勵磁電感0.595H，仿真環(huán)境設置如下：Y型接法空載啟動，給定轉速為1400r/min，0.25s時施加7N·m的負載，0.52s時進行/△變換，變換時間t1=0.0025s，0.5225s切換完成，電機△型接法運行，給定轉速為1404r/min，0.62s時給定轉速變?yōu)?2500r/min，SVPWM模塊的采樣周期為0.0001s，仿真算法選擇ode23tb，誤差容限為1e-6，最大步長為1e-5。仿真結果如圖3所示。如果/△變換所用時間較多，以t1=0.005s為例，則其轉速和電流波形如圖4所示。

圖3　/△變換時間為t1=0.0025s仿真波形

圖4　/△變換時間為t1=0.005s的仿真波形

4　實驗結果分析

本文搭建了以 TMS320F2812為控制核心的實驗平臺，選用智能功率模塊PM25RLA120實現(xiàn)三相全橋逆變，選用分立元件IGW15T120與不控整流橋組合實現(xiàn)/△變換，選用Y90L-4三相異步電動機為控制對象，電機參數(shù)如前。該電動機驅動一臺直流發(fā)電機為負載進行性能測試，實驗平臺如圖5所示。

圖5　實驗平臺實物圖

圖6　/△變換流程圖

圖7示出了負載轉矩為7N·m恒值時，在不同轉速、不同連接下的電機A相、B相電流波形，圖8為/△正變換及反變換過程的電流波形，其中型連接時的轉速為 1400r/min，△型連接時的轉速為1404r/min。

圖7　穩(wěn)態(tài)電流波形

圖8　/△變換過程電流波形

圖7電流波形表明，圖1所示的主電路在額定負載情況下不同轉速時的電流幅值基本相同且電流波形正弦，采用/△變換拓寬恒轉矩調速范圍方法可行。圖8電流波形表明，在負載條件下，圖1所示的主電路可以可靠實現(xiàn)/△變換，變換后經過短暫的調節(jié)重新達到穩(wěn)態(tài)運行，變換過程的電流變化與仿真結果基本一致，而且/△變換時間很短，為2.5ms，對動態(tài)性能影響很小。

5　結論

[1] 陳伯時, 陳敏遜. 交流調速系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998.

[2] Yushi Takatsuka, Hidenori Hara, Kenji Yamada, Akihiko Maemura, Tsuneo Kume. A wide speed range high efficiency EV drive system using winding changeover technique and SiC devices. Proceedings of The 2014 International Power Electronics Conference, Hiroshima, 2014(18-21): 1898-1903.

[3] Tsuneo J. Kume, Mahesh M. Swamy, Mitsujiro Sawamura, KenjiYamada, Ikuma Murokita, "A Quick Transition Electronic Winding Changeover Technique for Extended Speed Ranges," CD-ROM IEEE Power Electronics Specialists Conference 2004, Aachen, Germany.

[4] 孫東森, 葛寶明, 吳偉亮, 等. 極相調制感應電機的建模與控制[J]. 中國電機工程學報, 2012(18): 80-87, 181.

[5] Ferreira F J T E, Cistelecan M V, Anibal T. de Almeida. Comparison of different tapped windings for flux adjustment in induction motors[J]. IEEE Trans. on Energy Conv., 2014,29(2).

[6] 李賀龍. 基于雙逆變器的開放式繞組感應電機矢量控制系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2012.

[7] 湯夢陽. 異步電機矢量控制與參數(shù)辨識研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2014.

[8] 黃守道, 鄧建國, 羅德榮. 電機瞬態(tài)過程分析的Matlab建模與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

Extended Constant Torque Range for Asynchronous Machine Drive Using WYE-DELTA Winding Changeover Technique

Su Zhicong Wang Rongsheng
(Electrical Engineering and Automation Institute of Fuzhou University, FuZhou 350116)

A wide constant torque range vector-controlled asynchronous machine drive using/△winding changeover technique is presented. According to the mathematical model of asynchronous motor ,the simulation model of open-winding asynchronous motor and its direct vector control induction machine drive using WYE/DELTA winding changeover technique was established with Matlab/Simulink. The experimental platform was also set up based on the TMS320F2812 DSP controller. The experiment results and the simulation results showed the constant torque range of the induction machine was extended and the power density was proved.

WYE-DELTA winding changeover; constant torque; asynchronous machine

蘇志從（1987-），男，福建省泉州市人，碩士研究生，研究方向為新型電機設計與控制技術。