盧力東

摘 要：無刷勵磁同步電機(jī)是當(dāng)前一種新型的電機(jī)，這種電機(jī)除了具備常規(guī)電勵磁同步電機(jī)的優(yōu)點之外，在無電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)方面也具有顯著的優(yōu)勢，并且還具有可靠性的特點，不需要對其進(jìn)行維護(hù)，在這種電機(jī)的定子上主要包含了兩套不同極數(shù)的繞組，其中一套主要安裝在電網(wǎng)上，另外一套安裝在單相勵磁繞組上，不斷的為電機(jī)帶來勵磁電流。在本電機(jī)中，不需要電刷以及滑環(huán)結(jié)構(gòu)，就能達(dá)到勵磁的效果，因此在風(fēng)力發(fā)電以及其他易燃易爆的相關(guān)領(lǐng)域中都有所應(yīng)用。本文將重點對這一電機(jī)的控制方法進(jìn)行簡要的闡述中，并且進(jìn)行了仿真分析，希望在今后的控制系統(tǒng)中能夠獲得更加可靠的有效性。

關(guān)鍵詞：無刷勵磁；靜態(tài)勵磁；聯(lián)合仿真；有限元分析

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用以及不斷發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了一種新型的交流同步電機(jī)，這種電機(jī)就是無刷電勵磁同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)子方面具有多種不同的組合方式，為了保證能夠獲得更加理想的效果，本文主要采用的方式是將磁場進(jìn)行調(diào)制，使其具有較好的效果，產(chǎn)生磁障，并且將其與短路籠混合轉(zhuǎn)子相互結(jié)合起來應(yīng)用，在磁導(dǎo)的作用下就可以實現(xiàn)磁場耦合的現(xiàn)象，實現(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換。因此省去了在常規(guī)電機(jī)應(yīng)用中的電刷以及滑環(huán)等方面的結(jié)構(gòu)，這一類型的電機(jī)是在近幾年中剛剛出現(xiàn)的，并沒有得到全面的應(yīng)用，因此在結(jié)構(gòu)上可能還存在一定的不完善，具有特殊性的特點，筆者對此設(shè)計了一種勵磁控制裝置，希望能夠?qū)崿F(xiàn)更加完善的功能。

1 勵磁控制裝置的功能

在建立起一個勵磁控制裝置以后，能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾方面的功能。首先是可以對發(fā)電機(jī)的負(fù)荷變化進(jìn)行實時監(jiān)測，并且對勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)適應(yīng)，這樣就能夠保證無刷電勵磁同步電機(jī)的機(jī)端電壓始終處在給定值的范圍內(nèi)。其次是在多機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的過程中，能夠通過對勵磁繞組電流進(jìn)行發(fā)電機(jī)之間無功功率的有效控制，并且進(jìn)行合理的分配。第三，在應(yīng)用的過程中，其最大勵磁以及最小勵磁被進(jìn)行了限制，這樣就會對安全性產(chǎn)生一定程度的影響。第四，一旦發(fā)電機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生了故障，那么就使用勵磁繞組降低故障的損失，除此之外，還能夠幫助電網(wǎng)的運(yùn)行效率得到進(jìn)一步的提升。

2 有限元分析模型的建立

在對電機(jī)瞬態(tài)的特征進(jìn)行分析的過程中，需要在相關(guān)軟件的基礎(chǔ)上建立一個有限元的分析模型，這個模型中定子為8+4極，也就是說有8極繞組是一套三相雙層電樞繞組，而另外4極繞組是一套單相單層勵磁繞組，所選擇的轉(zhuǎn)子是在磁場調(diào)制式下產(chǎn)生的混合轉(zhuǎn)子。這種電機(jī)磁路在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出不對稱的幾何特點，因此不能簡化有限元模型中的分塊計算。本模型中的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

3 控制系統(tǒng)原理

當(dāng)勵磁電流比較小時，無刷電勵磁同步電機(jī)自身的功率繞組端電壓以及勵磁繞組的勵磁電流之間所產(chǎn)生的關(guān)系是呈現(xiàn)線性發(fā)展的，并且當(dāng)勵磁電流在不斷加大的情況下，電機(jī)磁路就會呈現(xiàn)出飽和的狀態(tài)，這樣電機(jī)功率繞組端電壓以及勵磁繞組電流之間的關(guān)系是正比，這一比例關(guān)系將會呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，在采用有限元對其進(jìn)行分析以后，可以得到一個被控系統(tǒng)響應(yīng)以及激勵之間的關(guān)系。

在進(jìn)行控制的過程中，系統(tǒng)主要是通過對PWM斬波器對勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并且在電流互感器的幫助下，能夠檢測出勵磁電流自身所具有的實時負(fù)反饋，這樣能夠達(dá)到對電流的閉環(huán)控制，電流在給定值的作用下能夠在端電壓實測值以及給定值進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，這樣就形成了對雙閉環(huán)的控制。在對電流閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，所采用的算法是數(shù)字式PI控制算法，這種算法是將繞組電流傳感器中的結(jié)果采用AD的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且與給定值電流進(jìn)行比較，這樣就能得到一個誤差，再將誤差帶入到公式中進(jìn)行計算，將計算結(jié)果給入到PWM發(fā)生器中，在比較寄存器中，這樣就能完成一次PI調(diào)節(jié)。

在這個公式中，dutyk代表的是這次調(diào)節(jié)過程中所占的占空比，dutyk-1代表的是在上一次調(diào)節(jié)完成以后所占的占空比，其中k1代表的是比例調(diào)節(jié)系數(shù)，ck代表的是此次測量過程中產(chǎn)生的偏差，而k2表示的是微分控制系數(shù)，最后的ek-1代表上次測量偏差量。給定電流主要是在PI輸出的基礎(chǔ)上中在限幅環(huán)節(jié)中確定下來的。將dutyk應(yīng)用在PWM模塊中的比較寄存器里，能夠?qū)崿F(xiàn)對電流的一次調(diào)節(jié)，信號在產(chǎn)生的過程中是在自動化的環(huán)境下完成的，并不會對CPU時間加以占用，因此這讓CPU具有更加充足的時間進(jìn)行計算，同時也讓程序的復(fù)雜性得到了顯著的降低。

4 軟件流程

圖1為勵磁系統(tǒng)的軟件流程圖，先進(jìn)行核心模塊及外圍器件的初始化程序，設(shè)置默認(rèn)工作狀態(tài)，對濾波電容進(jìn)行限流預(yù)充電，等待啟動指示，得到啟動命令后，由接觸器切換勵磁繞組連接狀態(tài)到IGBT端，短路充電電阻，同時輸出PWM信號給IGBT驅(qū)動模塊，開始對勵磁繞組加電。AD轉(zhuǎn)換模塊開始檢測勵磁繞組的電流值和電機(jī)功率繞組輸出電壓值，與設(shè)定的電壓值做比較，調(diào)整勵磁電流，以實現(xiàn)負(fù)載變化時端電壓的恒定。

傳統(tǒng)勵磁控制裝置的電壓比較環(huán)節(jié)均采用端電壓有效值與給定值比較，但是求解端電壓有效值至少要對端電壓采樣一個電流周期（20ms），如果再加人濾波算法，考慮勵磁電源功率和勵磁繞組電抗，則需要更長的響應(yīng)時間。故本文采用一種新的電壓控制策略，對二相繞組的端電壓給定位取絕對值并做和，得到如圖2所示的“電壓和”曲線，將采樣結(jié)果取和與該曲線比較，即可在很短時間內(nèi)得到實時電壓與給定的偏差量，再根據(jù)偏差量進(jìn)行PID計算，依照計算結(jié)果來調(diào)節(jié)PWM模塊的占空比，進(jìn)而實現(xiàn)了對該電機(jī)的勵磁控制，大大加快了電機(jī)端電壓隨負(fù)載變化的響應(yīng)速度。

為了確定“電壓和”的標(biāo)準(zhǔn)曲線的相位，引人了電壓AD轉(zhuǎn)換和過零檢測裝置，每當(dāng)發(fā)電機(jī)的三相輸出電壓信號有任意一相過零時，“電壓和”信號（電壓環(huán)給定信號）重置相位，實現(xiàn)相位跟蹤。為了防止勵磁繞組過熱而損壞絕緣，要考慮電機(jī)勵磁繞組的熱容量，因而流過勵磁繞組的最大勵磁電流要進(jìn)行嚴(yán)格的限制。為了防止發(fā)電機(jī)飛車，勵磁繞組的最小勵磁電流也要進(jìn)行軟件限制。

結(jié)束語

本文針對新型混合轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)，設(shè)計了一臺專用全靜態(tài)勵磁控制裝置，并應(yīng)用了新型的電壓控制方式，經(jīng)過軟件仿真驗證，可以實現(xiàn)無刷電勵磁同步電機(jī)變負(fù)載端電壓恒定等控制目標(biāo)，加快了對負(fù)載變化時電壓恢復(fù)的響應(yīng)速度，為相應(yīng)的勵磁控制裝置的研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。

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