王曉梅, 孫 健, 常國梅, 徐國林, 烏云翔, 邵詩逸

(北京賽思億電氣科技有限公司,北京 100097)

一種新的無刷雙饋電機軸帶系統(tǒng)矢量控制方案*

王曉梅, 孫 健, 常國梅, 徐國林, 烏云翔, 邵詩逸

(北京賽思億電氣科技有限公司,北京 100097)

無刷雙饋電機(BDFM)由于其無刷設(shè)計具備高可靠性，并且BDFM僅需要使用一個部分功率變頻器，可降低系統(tǒng)總成本。這些特性非常適用于速度范圍被嚴格限制的軸帶發(fā)電。提出了一種基于功率繞組磁鏈同步坐標系的矢量控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的獨網(wǎng)運行。詳細介紹了控制的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)推導(dǎo)，并進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的試驗驗證。

無刷雙饋電機； 矢量控制； 軸帶系統(tǒng)； 獨網(wǎng)

0 引 言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly Fed Motor,BDFM)有兩個獨立的定子繞組，兩者之間在機械和電磁上完全獨立。一般來說，一個繞組直接與電網(wǎng)相連，稱為功率繞組(Power Winding,PW);另一個繞組與變頻器[1]相連，稱為控制繞組(Control Winding,CW)。雖然兩個三相定子繞組是繞在相同的鐵心上，但如果兩個繞組采用特殊的極對數(shù)組合，可實現(xiàn)電磁上的完全去耦合。在各種極對數(shù)組合中，4/8和2/6是應(yīng)用最廣泛的[2-3]。BDFM采用類鼠籠結(jié)構(gòu)或繞組式設(shè)計的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)兩個定子繞組之間的間接耦合[3]。

由于BDFM的控制繞組僅吸收轉(zhuǎn)差功率，故只需使用部分功率變頻器即可[4]。變頻器的功率與電機調(diào)速范圍密切相關(guān)[5]，當(dāng)轉(zhuǎn)速范圍較小時，可以大大降低變頻器的功率及相應(yīng)的成本。此外，BDFM沒有滑環(huán)和碳刷，因此具有更高的可靠性，需要更少的維護。

在設(shè)計研究上，國內(nèi)外對于BDFM的設(shè)計方法[3]、容量計算[1]、仿真方法[6]和電磁設(shè)計[7]等多方面進行了較為成熟的研究。目前的研究重點已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)移到BDFM的應(yīng)用領(lǐng)域[8]。

在過去幾年的應(yīng)用中，BDFM被認為是一種解決風(fēng)力發(fā)電的理想解決方案[9-10]。學(xué)術(shù)界已經(jīng)對其控制方法[11-12]、不平衡運行[13]，以及在電網(wǎng)電壓跌落時的低電壓穿越[14-15]開展了廣泛研究。近來，軸帶發(fā)電被認為是BDFM的另一個潛在研究領(lǐng)域[16]。在軸帶發(fā)電系統(tǒng)中，主推進柴油機驅(qū)動BDFM向船舶負載供電。采用軸帶電機的優(yōu)勢在于可以降低燃料成本、減少發(fā)電機維護費用及潤滑費用[17]。對于定槳矩系統(tǒng)，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由主推進柴油機決定，所以要求軸帶系統(tǒng)適應(yīng)轉(zhuǎn)速變化的同時能為負載提供一個輸出恒定頻率的電源[18]。

風(fēng)力發(fā)電和軸帶發(fā)電的相似之處在于兩者都處于限定的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)。這樣的工作環(huán)境非常適合BDFM配備部分功率變頻器的系統(tǒng)[19]。但是，這兩個應(yīng)用之間仍然存在明顯的區(qū)別：軸帶發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)獨網(wǎng)運行，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)卻要連接一個大電網(wǎng)。在獨網(wǎng)運行時，軸帶發(fā)電系統(tǒng)需保證負載變化時輸出電壓仍然穩(wěn)定。根據(jù)最新的報道，目前最大的容量應(yīng)用于軸帶發(fā)電的BDFM是700 kW[20]。

本文旨在提出一種基于獨網(wǎng)條件下的PW定子磁鏈定向的矢量控制方案[11]。

1 BDFM的基本原理及建模

1.1 基本操作

圖1所示為一個無刷雙饋軸帶發(fā)電系統(tǒng)，PW連接網(wǎng)側(cè)逆變器端，CW連接在機側(cè)逆變器端，BDFM的速度由兩個定子繞組的頻率決定，不受扭矩影響，可表示為

(1)

式中：ωr、ω1、ω2——轉(zhuǎn)子、PW和CW的角頻率；p1、p2——PW和CW的極對數(shù)。

圖1 無刷雙饋軸帶發(fā)電系統(tǒng)

由于PW的角頻率ω1是恒定的50 Hz,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr是由主柴油機決定的，CW的頻率必須滿足式(1)以保證BDFM保持在同步運行模式下。

本文主要研究電機的控制策略，即機側(cè)部分，網(wǎng)側(cè)控制部分本文不做討論。

1.2 矢量控制的數(shù)學(xué)表征

BDFM在同步運行模式下的矢量控制算式如式(2)～式(8)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：u、i、R、L、Ψ——電壓、電流、電阻、電感和磁鏈；

下標1、2、r——PW、CW及轉(zhuǎn)子;

上標*——復(fù)共軛;

Te——轉(zhuǎn)矩。

從式(2)～式(8)中可以很清楚地看到PW和CW間沒有直接的磁耦，轉(zhuǎn)子是連接兩個定子繞組的介質(zhì)。

2 控制方案

2.1 電壓控制環(huán)

最終的控制目的是無論負載條件如何，均需穩(wěn)定PW的輸出電壓，即控制目標為u1d和u1q。如果把式(2)直接投影到d軸和q軸上，可得

(9)

(10)

當(dāng)u1足夠大時，則可以忽略R1i1的下降。穩(wěn)態(tài)Ψ1是常數(shù)，則dΨ1/dt≈0。因此，式(9)和式(10)可近似為

(11)

(12)

式(3)可在dq軸上分解為

(13)

(14)

綜合考慮BDFM模型，可得到ψ1和i2的關(guān)系為

(15)

(16)

σ1——PW的漏抗系數(shù)[11]。

因此-i2q控制Ψ1d，-i2d控制Ψ1q。值得注意的是，線性增益K0跟速度有關(guān)，D0d和D0q非常大，可視為擾動，其影響將在后文中討論。

總而言之，控制關(guān)系如式(7)所示，并在圖2中給出了控制方案。

(17)

圖2 電壓控制環(huán)

2.2 電流控制環(huán)

同樣，從式(11)和式(12)，i2和u2在兩個軸可以建立關(guān)系：

(18)

(19)

K1，D1d和D1q可表示為

相對于K0，D0d，D0q和K1是恒定的。同時D1d和D1q相對較小，式(18)和式(19)建立了如下控制關(guān)系：

這個關(guān)系被稱為電流控制環(huán)，如圖3所示。

圖3 電流控制環(huán)

2.3 矢量控制方案

綜上所述，可以建立如下控制環(huán)：

(20)

(21)

該控制方案示意圖如圖4所示?？刂品桨钢?，PW的控制頻率為50Hz，通過對頻率的積分得到PW磁鏈角θ1。轉(zhuǎn)子的位置信息θr由編碼器提供。為了配合PW磁鏈，如果忽略電阻下降，u1d_ref設(shè)置為0，u1q_ref根據(jù)實際所需電壓的大小來設(shè)置。

2.4 控制方案的討論

式(20)和式(21)中給出的控制鏈包括D0d，D0q，D2d和D2q的擾動部分。這些擾動來自轉(zhuǎn)子繞組與兩個定子繞組間的耦合。

這四個擾動項中，理論分析表明，D2d和D2q小到可以忽略不計，但是D0d和D0q較大。雖然通過解耦方案可以用來補償擾動，但解耦補償將高度依賴于機器參數(shù)并且涉及復(fù)雜的計算，所以本

圖4 控制方案

文沒有采用這種方法，而是使用PI控制器來實現(xiàn)補償。這可能導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)能力相對較差。

此外，由于D2d和D2q相比D0d和D0q影響較小，可以看出電流環(huán)比電壓環(huán)具有更好的動態(tài)特性，并且該特性將在試驗中得到驗證。

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 試驗平臺的搭建

為了驗證所提出的控制方案，建立了一個60kWBDFM的試驗臺，用于驗證控制性能。其參數(shù)如表1所示。

表1 BDFM參數(shù)

BDFM原理樣機連接了一個可調(diào)速的原動機，模擬變化的主軸。將BDFM樣機連接到一個變頻器，該變頻器使用本方案所提出的矢量控制算法。變頻器中的網(wǎng)側(cè)和機側(cè)是完全相同的硬件，通常稱為背靠背結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)與傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)相同，其控制目標是與電網(wǎng)同步，維持直流母線電壓。在整個試驗過程中，直流母線電壓保持在730 V。機側(cè)使用x86 Celeron 650 MHz CPU的控制器，滿足0.4 ms的控制回路的刷新時間。

PW通過接觸器連接到4個電阻箱，為BDFM提供負載。每個電阻箱可以提供15 kW、400 V的負載，4個電阻箱最大可提供60 kW的負載。因此，可以通過控制相應(yīng)的接觸器，實現(xiàn)15 kW的瞬態(tài)負載變化。

3.2 穩(wěn)定狀態(tài)下的控制性能

該控制要求軸帶發(fā)電系統(tǒng)提供可接受的穩(wěn)定電源，并通過PW電壓和兩個定子繞組中的電流進行評估。

圖5 BDFM在650 r/min和60 kW時的穩(wěn)態(tài)性能

圖5給出了650 r/min和60 kW(滿載)的試驗結(jié)果。顯然，PW和CW均能平穩(wěn)運行,并且PW能向負載提供正弦電壓。在設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍和不同負載條件下進行測試。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到250 r/min并且無負載情況下，達到最差的總諧波失真(THD)為5.01%。因此，該矢量控制方案可以實現(xiàn)穩(wěn)定的操作，并且沒有嚴重的電壓畸變。

3.3 負載變化時的動態(tài)性能

轉(zhuǎn)速為600 r/min，負載功率為30 kW,當(dāng)15 kW的電阻箱突然被加載到PW上時，電壓波形如圖6(a)所示，其中可以觀察到約有10.7%的電壓下降，幾秒鐘后PW電壓便回到基準水平。這種現(xiàn)象是由于上述所提到的擾動所致。圖6(b)提供的電流環(huán)波形中，當(dāng)負荷突然增大，i2d可以立刻響應(yīng)并跟蹤。i2d的恢復(fù)時間為0.5 s。i2q也有相似的性能，這里沒有給出。如圖6(c)所示，直流母線電壓也有一個短暫的電壓突降。

圖6 BDFM運行在600 r/min，負載從30 kW上升到45 kW時的動態(tài)性能

當(dāng)BDFM在350 r/min，從30 kW卸載到15 kW時，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖7 BDFM運行在350 r/min，負載從30 kW下降到15 kW時的動態(tài)性能

相比于第一種情況，如圖7(a)所示的PW電壓，經(jīng)歷1.5 s的瞬態(tài)響應(yīng)時間，電壓上升了28.6%。圖7(b)顯示了電流環(huán)的控制性能響應(yīng)時間小于1 s。在圖7(c)，直流母線電壓從730 V上升至800 V，甚至激活動態(tài)制動電路將額外的能量消耗在制動電阻上，以保護變流器的IGBT。在這兩個測試中，不難發(fā)現(xiàn)電流環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)效果優(yōu)于電壓環(huán)控制。這是因為電壓環(huán)控制存在更大的擾動。

3.4 速度變化時的動態(tài)性能

在船舶操作過程中，軸速度可能會急劇變化。但在這種情況下，仍需保持軸帶發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。因此，本文對軸帶電機系統(tǒng)的動態(tài)性能進行了試驗研究。

圖8(a)所示為感應(yīng)電動機的速度在12 s內(nèi)從450 r/min 調(diào)整到680 r/min。在此期間，負載保持在45 kW。PW的電壓波形如圖8(b)所示，最大時增加12.5%，但最后又回到參考值。i2q成功追蹤到它的參考值。當(dāng)負載恒定時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，由于功率下降，總電流是下降的，如圖8(c)所示。直流母線的電壓波動為3.4%，如圖8(d)所示。

圖8 BDFM運行在45 kW，轉(zhuǎn)速從450 r/min上升到680 r/min時的動態(tài)性能

4 結(jié) 語

本文提出了以獨立軸帶系統(tǒng)為目的的矢量控制器。該控制器基于功率繞組磁鏈，文中做了理論分析,并且通過穩(wěn)態(tài)和動態(tài)試驗驗證了該控制方案。結(jié)果表明，這種控制結(jié)構(gòu)能夠達到預(yù)期的性能，但是由于擾動的存在，響應(yīng)速度會有延遲，所以提高該控制器的動態(tài)響應(yīng)能力是未來的研究方向。

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A New Vector Control Scheme for Brushless Doubly Fed Motor in Shaft Generation*

WANGXiaomei,SUNJian,CHANGGuomei,XUGuolin,WUYunxiang,SHAOShiyi

(Beijing CSE Electric Technology Co., Ltd., Beijing 100097, China)

Brushless doubly fed induction motor (BDFM) offered the merit of high reliability due to its brushless operation.Furthermore, when the BDFM was supplied with a fractionally-rated converter, the total system cost decreases.These characteristics were suitable in the application of shaft generation in which the speed range was strictly limited.A vector control scheme oriented on the power winding flux reference frame to achieve stable stand-alone operation was proposed.Detailed mathematical model was introduced before the control structure was explained.Experimental results on steady state and transient performance were carried out to verify the control scheme.

brushless doubly fed motor (BDFM); vector control; shaft generation; stand-alone

國家科技支撐計劃課題資助項目(2014BAG04B02)

王曉梅(1988—)，女，研究方向為電氣控制系統(tǒng)、電氣傳動、軸帶發(fā)電。 孫 健(1989—)，男，助理工程師，研究方向為電氣控制系統(tǒng)、電氣傳動、軸帶發(fā)電。 常國梅(1982—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向為電氣控制系統(tǒng)、電氣傳動、軸帶發(fā)電。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0011- 06

2016 -10 -21