趙探探 于克訓(xùn) 梁嘉豪 謝賢飛

基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法

趙探探 于克訓(xùn) 梁嘉豪 謝賢飛

（強(qiáng)電磁技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

在工業(yè)應(yīng)用中，為了保證無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，控制側(cè)一般采用小容量變頻器，因此通常采用異步起動(dòng)控制方法進(jìn)行起動(dòng)?，F(xiàn)有起動(dòng)控制策略和所需設(shè)備較為復(fù)雜，或者需要特定的電機(jī)結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這些問(wèn)題，該文提出一種改進(jìn)能量吸收電路的調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?。并基于無(wú)刷雙饋電機(jī)同步-異步相串聯(lián)等效電路對(duì)電機(jī)的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了新拓?fù)涞牡刃Т?lián)電阻表達(dá)式。據(jù)此設(shè)計(jì)了無(wú)刷雙饋電機(jī)定時(shí)間定導(dǎo)通比、定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比的異步起動(dòng)控制方法，在不增加額外設(shè)備的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步起動(dòng)控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了控制方法的可行性。該方法簡(jiǎn)化了無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制算法的開(kāi)發(fā)難度，有利于無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的推廣。

無(wú)刷雙饋電機(jī) 異步起動(dòng)控制 能量吸收電路 等效串聯(lián)電阻

0 引言

節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要工作內(nèi)容。與此同時(shí)，提高電能利用效率是“十四五”節(jié)能減排工作的重點(diǎn)要求。在工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于小范圍調(diào)速的各類(lèi)風(fēng)機(jī)和泵，通過(guò)配備小容量變頻器的有刷雙饋電機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)流量與壓力，能在控制傳動(dòng)系統(tǒng)成本的同時(shí)，大幅降低傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)使用風(fēng)門(mén)或閥門(mén)調(diào)節(jié)流量和壓力帶來(lái)的能量損失，因此被廣泛應(yīng)用于工廠的節(jié)能減排改造工 程[1-3]。隨著無(wú)刷雙饋電機(jī)（Brushless Double-Fed Motor, BDFM）的不斷發(fā)展，由于其運(yùn)行特性與有刷雙饋電機(jī)相似，且沒(méi)有電刷和集電環(huán)，也逐漸被應(yīng)用于各類(lèi)風(fēng)機(jī)和泵的調(diào)速系統(tǒng)[2-5]。無(wú)刷雙饋電機(jī)具有高可靠性、低維護(hù)成本等特點(diǎn)，十分適用于環(huán)境惡劣、維護(hù)困難以及具有防爆要求的采油、石化、電廠等場(chǎng)合，受到了許多學(xué)者的關(guān)注[5-10]。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的成功起動(dòng)非常重要。如若油田注水泵起動(dòng)失敗，會(huì)導(dǎo)致地面下陷，采油困難；若熱電廠循環(huán)水泵起動(dòng)失敗，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組觸發(fā)高溫保護(hù)而停機(jī)。因此，對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)起動(dòng)控制方法的研究十分必要。

近年來(lái)，關(guān)于無(wú)刷雙饋電機(jī)起動(dòng)控制方法的研究主要集中在異步和雙饋起動(dòng)控制。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)制行為分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行模式及轉(zhuǎn)矩成分，為研究電機(jī)起動(dòng)控制提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[11]摒棄了傳統(tǒng)串接分級(jí)電阻的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)方法，基于控制側(cè)逆變器等效虛擬電阻理論，通過(guò)改變逆變器下橋臂導(dǎo)通比來(lái)調(diào)整控制側(cè)接入的等效電阻大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的異步起動(dòng)，該方法控制較為靈活且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑上升。對(duì)于繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)，文獻(xiàn)[12-13]提出了一種采用復(fù)合線(xiàn)圈組的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能在起動(dòng)工況下增大轉(zhuǎn)子繞組折算值，從而降低起動(dòng)電流并提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[14-17]在轉(zhuǎn)子繞組為復(fù)合線(xiàn)圈組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)大小雙星形的定子繞組結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生多個(gè)極對(duì)數(shù)的諧波磁場(chǎng)，以此進(jìn)一步地增大了無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)自起動(dòng)能力。文獻(xiàn)[18]參考發(fā)電機(jī)同步并網(wǎng)控制，設(shè)計(jì)了低壓系統(tǒng)中無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋起動(dòng)控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其可行性。文獻(xiàn)[19]進(jìn)一步改進(jìn)了無(wú)刷雙饋電機(jī)異步和雙饋起動(dòng)控制方法，分別提出了基于虛擬電阻的恒轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)控制策略與基于定子控制繞組開(kāi)路電壓跟蹤的雙饋起動(dòng)控制策略，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[20-21]采用無(wú)刷雙饋電機(jī)雙逆變器控制方法，避免了功率繞組直接接入恒定頻率電源時(shí)的起動(dòng)問(wèn)題，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著逆變器輸出頻率的增加而上升，進(jìn)而完成電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，這為設(shè)計(jì)無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)涮峁┝诵碌乃悸?。上述這些起動(dòng)控制方法，控制策略和所需設(shè)備較為復(fù)雜，或者需要特定的電機(jī)結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，一定程度上限制了其實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，為了保證無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，控制側(cè)一般采用小容量變頻器，不能滿(mǎn)足雙饋起動(dòng)對(duì)變頻器容量的需求，因此通常采用異步起動(dòng)控制方法。為進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法，通過(guò)改進(jìn)常規(guī)無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?，本文提出了兩種基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法，在不增加額外設(shè)備的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步起動(dòng)控制。本文首先，基于無(wú)刷雙饋電機(jī)同步-異步相串聯(lián)的等效電路對(duì)電機(jī)的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析，指出在自然同步速以下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由功率側(cè)轉(zhuǎn)矩和控制側(cè)轉(zhuǎn)矩相疊加而成，并推導(dǎo)出其異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。其次，基于現(xiàn)有無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?，并介紹了其工作原理。然后，推導(dǎo)了新系統(tǒng)拓?fù)涞牡刃Т?lián)電阻表達(dá)式，給出了定時(shí)間定導(dǎo)通比、定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比兩種起動(dòng)控制方法。最后，進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這兩種異步起動(dòng)控制方法的可行性，為無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異步起動(dòng)控制提供了新的參考。

1 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性分析

無(wú)刷雙饋電機(jī)作為一種典型的雙電氣端口電機(jī)，一般具有兩套定子繞組，分別稱(chēng)為功率繞組和控制繞組。其轉(zhuǎn)子需要特殊設(shè)計(jì)以耦合兩種極對(duì)數(shù)不同的定子磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。其中繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)以其電流回路單一、參數(shù)設(shè)計(jì)靈活、諧波抑制效果好的特點(diǎn)，已成為實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的無(wú)刷雙饋電機(jī)。因此本文以常見(jiàn)的繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子1/3對(duì)極無(wú)刷雙饋電機(jī)為例，研究其異步起動(dòng)控制方法。為分析無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，參照文獻(xiàn)[22]，通過(guò)將無(wú)刷雙饋電機(jī)的兩個(gè)定子回路折算至轉(zhuǎn)子側(cè)，可得如圖1所示的無(wú)刷雙饋電機(jī)同步-異步相串聯(lián)等效電路模型。據(jù)此可以看出無(wú)刷雙饋電機(jī)可等效為兩臺(tái)有刷雙饋電機(jī)的串聯(lián)疊加。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)同步-異步相串聯(lián)等效電路

圖1中，分別表示對(duì)應(yīng)繞組側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電流、電阻、電抗、轉(zhuǎn)差率；下標(biāo)pc、r分別表示功率側(cè)、控制側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)，下標(biāo)m、l分別表示對(duì)應(yīng)繞組側(cè)的主電抗、漏電抗；上標(biāo)“”表示對(duì)應(yīng)量為折算量。具體詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。根據(jù)此等效電路，忽略電機(jī)機(jī)械損耗，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，系統(tǒng)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

式中，em、emp、emc分別為系統(tǒng)輸出的總電磁轉(zhuǎn)矩、功率側(cè)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩、控制側(cè)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；emp和emc分別為功率側(cè)和控制側(cè)的電磁功率；pr和cr分別為功率側(cè)和控制側(cè)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械角速度。其中電磁功率和機(jī)械角速度可分別表示為

進(jìn)而可以作出無(wú)刷雙饋電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)

由圖2可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩為由功率側(cè)和控制側(cè)各自對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩分量emp、emc之和。對(duì)于1/3對(duì)極無(wú)刷雙饋電機(jī)，在0 r/min至功率繞組同步速3 000 r/min范圍內(nèi)，其總異步轉(zhuǎn)矩存在三個(gè)過(guò)零點(diǎn)、兩個(gè)極大值點(diǎn)和一個(gè)極小值點(diǎn)。其中，一個(gè)過(guò)零點(diǎn)位于控制繞組通直流電時(shí)的系統(tǒng)自然同步轉(zhuǎn)速750 r/min，一個(gè)位于功率繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速3 000 r/min，還有一個(gè)位于這兩點(diǎn)之間。圖2還說(shuō)明了無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)速為什么都是穩(wěn)定在電機(jī)自然同步速以下，這是由于電機(jī)的第一個(gè)轉(zhuǎn)矩極大值點(diǎn)在自然同步速以下，如果轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，則異步轉(zhuǎn)矩將會(huì)減小至負(fù)值，系統(tǒng)將難以滿(mǎn)足負(fù)載的轉(zhuǎn)矩需求。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，其異步起動(dòng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定點(diǎn)將離自然同步速越遠(yuǎn)。同時(shí)，當(dāng)控制繞組接入電源時(shí)，無(wú)刷雙饋電機(jī)還將具有與功角關(guān)聯(lián)的同步轉(zhuǎn)矩特性，這時(shí)其總的轉(zhuǎn)矩特性是異步與同步轉(zhuǎn)矩特性的疊加。

從旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角度，能進(jìn)一步分析無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理。對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)異步工況，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在自然同步速以下時(shí)，其感應(yīng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向如圖3所示。圖3中，r為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為功率繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，rp、rc分別為轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的1對(duì)極、3對(duì)極磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，c為控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)子速度低于自然同步速時(shí)，功率繞組磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流，產(chǎn)生了功率側(cè)異步轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，此電流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的調(diào)制，將產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反且極對(duì)數(shù)不同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。以1/3對(duì)極無(wú)刷雙饋電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的1對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度rp方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度同向，3對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度rc，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于自然同步速（rc＞0），因此其空間旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。此時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的3對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將旋轉(zhuǎn)切割定子控制繞組，由于為異步起動(dòng)狀態(tài)，控制繞組沒(méi)有接入電源，因此在控制繞組中將產(chǎn)生與3對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同方向旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電流，進(jìn)而生成轉(zhuǎn)速為c的控制繞組磁場(chǎng)，這產(chǎn)生了控制側(cè)異步轉(zhuǎn)矩。對(duì)于其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向，由轉(zhuǎn)差定義的正方向確定，即主磁場(chǎng)和從磁場(chǎng)的差。則從轉(zhuǎn)子上看，對(duì)于功率側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為從磁場(chǎng)，因此其對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與主磁場(chǎng)方向一致，為正即逆時(shí)針?lè)较颉?duì)于控制側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為主磁場(chǎng)，因此其對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與從磁場(chǎng)方向相反，也為正即逆時(shí)針?lè)较?。這從磁場(chǎng)的角度再次說(shuō)明了自然同步速以下無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為功率側(cè)和控制側(cè)產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩的和。這也表明無(wú)刷雙饋電機(jī)有較高的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有較好的起動(dòng)和帶載能力。此外，對(duì)于自然同步速以上的異步轉(zhuǎn)矩，也可按上述流程分析，由分析結(jié)果可得，在部分轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)其功率側(cè)和控制側(cè)異步轉(zhuǎn)矩方向相反。這也表明無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要在雙饋工況下才能到達(dá)自然同步速以上。

圖3 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖

2 基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

工業(yè)上常用的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示，無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組和控制繞組分別連接電網(wǎng)和變頻器。變頻器只需提供轉(zhuǎn)差功率，其容量根據(jù)負(fù)載的調(diào)速范圍來(lái)設(shè)計(jì)，調(diào)速范圍越大所需變頻器容量就越大；反之，則越小。根據(jù)雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)，其主要優(yōu)勢(shì)在于僅需小容量變頻器即可實(shí)現(xiàn)部分范圍調(diào)速。因此，目前無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用工況主要為部分范圍調(diào)速，其調(diào)速系統(tǒng)所用變頻器容量?jī)H為整個(gè)電機(jī)容量的一部分，小于負(fù)載功率，調(diào)速系統(tǒng)成本較低。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)在超同步速工況時(shí)，其轉(zhuǎn)子繞組電頻率表達(dá)式如式（5）所示，亞同步速工況如式（6）所示。因此，當(dāng)電機(jī)在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時(shí)，其轉(zhuǎn)子鐵耗較小，系統(tǒng)效率較高。而且，一般將系統(tǒng)的調(diào)速范圍設(shè)為自然同步速以上，在這種工況下，調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有能量回饋電網(wǎng)，故整流單元常選用不控整流橋以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

式中，為相應(yīng)繞組的電頻率。

圖4所示的調(diào)速系統(tǒng)還能保證在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)能切入控制繞組短路狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的故障旁路異步運(yùn)行。此緊急工況下要保證電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)的功率不小于負(fù)載功率的最低需求，以滿(mǎn)足變頻器出現(xiàn)故障時(shí)保障系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。

圖4 典型無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?/p>

對(duì)于現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)常用的起動(dòng)控制方法，一般為異步起動(dòng)控制，這是由于該系統(tǒng)采用的是小容量變頻器，不能滿(mǎn)足雙饋起動(dòng)控制方法對(duì)變頻器容量的要求。現(xiàn)今無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步起動(dòng)控制方法主要通過(guò)控制繞組串接分級(jí)電阻完成，起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)如圖5所示，c0、c1、c2、c3、c4分別為控制繞組串接的不同阻值的電阻，通過(guò)改變電阻的阻值來(lái)維持起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這種起動(dòng)方法優(yōu)點(diǎn)是控制策略較為簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行不同阻值電阻的切換，而缺點(diǎn)是因電阻阻值變化的跳躍性，在電阻切換瞬間電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生突變，同時(shí)還需配備電阻柜，增加了系統(tǒng)設(shè)備。此外，還有通過(guò)控制逆變橋下橋臂導(dǎo)通比來(lái)等效虛擬電阻的異步起動(dòng)方法，能做到電阻阻值變化的連續(xù)性，避免了串接電阻的不足，但是這需要對(duì)逆變單元下橋臂單獨(dú)控制，無(wú)法在商用變頻器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該異步起動(dòng)控制算法。這對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工業(yè)推廣不利，需要進(jìn)一步改進(jìn)簡(jiǎn)化。

圖5 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)串接電阻時(shí)轉(zhuǎn)矩特性

為此，本文提出一種基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D6所示，此拓?fù)鋬H改變了能量吸收電路的連接方式，在沒(méi)有增加額外的設(shè)備的基礎(chǔ)上，能完成無(wú)刷雙饋電機(jī)的平滑起動(dòng)。能量吸收電路本身是變頻器安全運(yùn)行需要配備的設(shè)備，能保護(hù)直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，特別是對(duì)調(diào)速系統(tǒng)有制動(dòng)要求的工況必須配備。此拓?fù)涓倪M(jìn)的能量吸收電路不僅能在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)保證母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，還能在異步起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)串接等效電阻的功能。

圖6 改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?/p>

改進(jìn)能量吸收電路的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)接觸器的通斷進(jìn)行切換控制。系統(tǒng)拓?fù)涞慕佑|器控制邏輯如圖7所示，其中紅色實(shí)線(xiàn)開(kāi)關(guān)表示接觸器導(dǎo)通狀態(tài)，黑色虛線(xiàn)開(kāi)關(guān)表示接觸器斷開(kāi)狀態(tài)。系統(tǒng)默認(rèn)接觸器狀態(tài)如圖7a所示，與常規(guī)能量吸收電路相同。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行起動(dòng)控制時(shí)，接觸器狀態(tài)切換為圖7b中所示，以完成本文所提出的異步起動(dòng)控制方法，電機(jī)起動(dòng)完成后又切換為圖7a所示狀態(tài)。同時(shí)將圖7a所示的接觸器狀態(tài)設(shè)計(jì)成接觸器常閉端所連接成的狀態(tài)，能保證接觸器出現(xiàn)開(kāi)關(guān)故障時(shí)系統(tǒng)仍處于默認(rèn)接觸器狀態(tài)。同時(shí)，在每次電機(jī)起動(dòng)時(shí)，拓?fù)渲忻總€(gè)接觸器只進(jìn)行2次開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換。且在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)刷雙饋電機(jī)主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，為連續(xù)工作制，電機(jī)起停頻率低。因此，現(xiàn)今主流接觸器參數(shù)能滿(mǎn)足此系統(tǒng)要求。為進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)程序，通過(guò)對(duì)接觸器的通斷狀態(tài)反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以避免由接觸器故障導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

圖7 改進(jìn)能量吸收電路接觸器狀態(tài)變化示意圖

當(dāng)電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)，即系統(tǒng)在圖7b所示的工作狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)控制能量吸收電路中IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷即可實(shí)現(xiàn)控制繞組短接或者接入電阻。因此通過(guò)控制其導(dǎo)通比即可實(shí)現(xiàn)控制繞組側(cè)接入等效電阻阻值的調(diào)整，以此能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑異步起動(dòng)。改進(jìn)能量吸收電路狀態(tài)的切換僅需增加接觸器即可，且等效虛擬電阻大小的調(diào)節(jié)不需要操作逆變單元下橋臂，適用于逆變單元為商業(yè)產(chǎn)品，未開(kāi)放下橋臂IGBT單獨(dú)編程權(quán)限時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合。完成調(diào)速系統(tǒng)異步起動(dòng)的控制僅需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能量吸收電路即可，降低了開(kāi)發(fā)難度，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)基于通用變頻器的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化推廣。

3 基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法

無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)通過(guò)串接等效電阻不僅能調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小以帶動(dòng)負(fù)載，還能降低直接短接起動(dòng)時(shí)功率側(cè)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由圖5可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)控制繞組串接電阻不會(huì)改變其異步運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)矩，但其最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電阻的增加而減小。因此通過(guò)合理調(diào)整電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)其串接電阻的大小，即可使電機(jī)保持理想的轉(zhuǎn)矩輸出，順利完成電機(jī)的異步起動(dòng)。

根據(jù)此原理，本文基于改進(jìn)能量吸收電路后的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)?，提出兩種無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法，其控制核心為調(diào)節(jié)控制繞組外接電阻等效阻值的大小，使電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中沿著有較大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)運(yùn)行，從而縮短起動(dòng)時(shí)間并限制起動(dòng)電流。為便于分析，根據(jù)圖6可進(jìn)一步簡(jiǎn)化電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)的電路，簡(jiǎn)化后的電路如圖8所示，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，控制繞組連接的逆變單元沒(méi)有工作，電流將經(jīng)過(guò)逆變單元中IGBT的反并聯(lián)二極管流向改進(jìn)能量吸收電路，此時(shí)反并聯(lián)二極管完成了整流功能。通過(guò)控制改進(jìn)能量吸收電路中的IGBT即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整電機(jī)控制繞組串接等效電阻的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑異步起動(dòng)。

圖8 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)控制側(cè)簡(jiǎn)化電路

3.1 異步起動(dòng)串接等效電阻轉(zhuǎn)矩分析

圖8中，ca、cb、cc分別為控制繞組三相電壓，cab為控制繞組AB相線(xiàn)電壓，ca、cb、cc分別為控制繞組三相電流，c、c、c分別為控制繞組電阻、電感、電角頻率，dc為能量吸收電路串接電阻，S為能量吸收電路IGBT等效開(kāi)關(guān)。因此在無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)，其控制繞組相電壓可以表示為

式中，ca為控制繞組相電壓有效值；0為相電壓初始相位。則其整流后的直流電壓可以表示為

式中，d為直流電壓。同時(shí)改進(jìn)能量吸收電路的直流等效電阻可以表示為

式中，on為導(dǎo)通比。當(dāng)on=1時(shí)，即等效電路開(kāi)關(guān)S直通，此時(shí)直流等效電阻deq為0；當(dāng)on=0時(shí)，即等效電路開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，此時(shí)直流等效電阻deq為dc。忽略損耗，根據(jù)平均功率相等可得

聯(lián)合式（9）、式（10）進(jìn)一步變換可得

式中，ceq為控制繞組等效串聯(lián)電阻。聯(lián)合式（7）、式（8）、式（11）可得控制繞組等效串聯(lián)電阻表達(dá)式為

進(jìn)而把式（12）代入式（4）即可得到基于改進(jìn)能量吸收電路無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

由式（13）可以得到無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與改進(jìn)能量吸收電路IGBT導(dǎo)通比的關(guān)系。據(jù)此可以做出不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)通比的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示，這為設(shè)計(jì)電機(jī)異步起動(dòng)控制方法提供了參考。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)異步轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)通比關(guān)系曲線(xiàn)

從圖9中可以看出，在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)隨著導(dǎo)通比減小，電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩先上升后下降。在導(dǎo)通比恒定時(shí)、導(dǎo)通比較小時(shí)相鄰轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速越低異步轉(zhuǎn)矩越大；導(dǎo)通比較大時(shí)相鄰轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速越高異步轉(zhuǎn)矩越大。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)即轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由圖9曲線(xiàn)可知，此時(shí)需要較小的導(dǎo)通比以保證電機(jī)初始轉(zhuǎn)矩，同時(shí)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，需要逐漸增加導(dǎo)通比以保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩。據(jù)此，本文根據(jù)改進(jìn)能量吸收電路提出了定時(shí)間定導(dǎo)通比控制和定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制。這兩種異步起動(dòng)控制方法均可以在限制起動(dòng)電流、提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)根據(jù)需要連續(xù)地改變電機(jī)定子控制側(cè)外接的等效電阻。在起動(dòng)過(guò)程中能保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，具有良好的異步起動(dòng)性能。

3.2 定時(shí)間定導(dǎo)通比控制

對(duì)于沒(méi)有轉(zhuǎn)速反饋的異步起動(dòng)場(chǎng)合，本文提出定時(shí)間定導(dǎo)通比控制，即在固定的時(shí)間內(nèi)使能量吸收電路的IGBT導(dǎo)通比從0%線(xiàn)性增加至100%。導(dǎo)通時(shí)接入電阻為0，關(guān)斷時(shí)接入電阻為dc，最終導(dǎo)通比為100%時(shí)，控制繞組近似于三相短接，完成異步起動(dòng)。此過(guò)程中，導(dǎo)通比線(xiàn)性上升的速度即為等效電阻調(diào)節(jié)的速度。若導(dǎo)通比上升過(guò)慢，等效電阻的調(diào)節(jié)速率低，電機(jī)升速較慢；若導(dǎo)通比上升過(guò)快，等效電阻的短時(shí)間調(diào)節(jié)至0，由于電機(jī)的機(jī)械響應(yīng)需要時(shí)間，此時(shí)沒(méi)有起到維持電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，同樣影響電機(jī)升速。因此需要設(shè)置合適的時(shí)間使導(dǎo)通比從0%增加至100%，具體時(shí)間的選擇可根據(jù)仿真或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定，這與常規(guī)異步電機(jī)V/F控制起動(dòng)類(lèi)似。

3.3 定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制

對(duì)于有轉(zhuǎn)速反饋的異步起動(dòng)場(chǎng)合，本文提出定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制，可根據(jù)式（13）在固定的轉(zhuǎn)速點(diǎn)根據(jù)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需求來(lái)確定導(dǎo)通比的大小，這樣隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，改進(jìn)能量吸收電路的導(dǎo)通比也從0%增加至100%。等效電阻的大小隨電機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，能實(shí)現(xiàn)更好的起動(dòng)效果，此方法能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。此外對(duì)于控制器芯片處理速度較慢的場(chǎng)合，可以預(yù)先通過(guò)仿真或者實(shí)驗(yàn)得出具體的各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的具體導(dǎo)通比，以此在具體實(shí)現(xiàn)中采用查表法，能極大地減少了芯片處理時(shí)間。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用定時(shí)間定導(dǎo)通比的異步起動(dòng)控制方法十分簡(jiǎn)便，但需要確定最短起動(dòng)時(shí)間，不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最小起動(dòng)時(shí)間也不相同。采用定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比的異步起動(dòng)控制方法需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，能對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，保證了起動(dòng)加速過(guò)程的平順。為進(jìn)一步驗(yàn)證這兩種控制方法的可行性，本文進(jìn)行了相關(guān)的仿真與實(shí)驗(yàn)。

4.1 異步起動(dòng)控制方法仿真分析

根據(jù)圖6搭建調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，仿真所用能量吸收電阻為8W，仿真所用的無(wú)刷雙饋電機(jī)樣機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)刷雙饋電機(jī)樣機(jī)參數(shù)

通過(guò)Matlab/Simulink仿真模型進(jìn)行了如下三組無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法的仿真：①直接短接電機(jī)控制繞組；②定時(shí)間定導(dǎo)通比控制，時(shí)間設(shè)置為1 s，導(dǎo)通比由0%線(xiàn)性上升至100%；③定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩設(shè)置為70 N·m，根據(jù)式（13）實(shí)時(shí)解算出導(dǎo)通比給定值，導(dǎo)通比上、下限為100%和0%。三種控制方法的異步起動(dòng)仿真結(jié)果如圖10所示。用三種顏色來(lái)區(qū)分直接短接、定時(shí)間定導(dǎo)通比和定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比。

（a）轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

（b）轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn)

（c）功率側(cè)電流變化曲線(xiàn)

圖10 電機(jī)異步起動(dòng)控制方法仿真波形

Fig.10 Simulation waveforms of motor asynchronous starting control methods

由圖10的仿真波形可知，與控制繞組直接短接起動(dòng)相比，本文提出的兩種基于改進(jìn)能量吸收電路的異步起動(dòng)控制方法都能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，縮短起動(dòng)時(shí)間，減小定子側(cè)起動(dòng)電流。同時(shí)，有轉(zhuǎn)速反饋的定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制方法能保持起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的恒定，對(duì)電機(jī)的控制更準(zhǔn)確。當(dāng)控制繞組直接短接起動(dòng)時(shí)，功率繞組的起動(dòng)電流約為100 A，約是其額定電流的兩倍，低于普通異步電機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)，這是由于無(wú)刷雙饋電機(jī)比普通異步電機(jī)多了一套繞組，增加了系統(tǒng)阻尼，能較好地抑制電流的突變。對(duì)于定時(shí)間定導(dǎo)通比控制，由于等效電阻的接入，其起動(dòng)電流相較于控制繞組直接短接明顯減小，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩得到了提升，在時(shí)間定為1 s時(shí)，能量吸收電路在1 s內(nèi)完成導(dǎo)通比從0%升至100%，但是由于機(jī)械慣性，電機(jī)在1.2 s左右才完成起動(dòng)過(guò)程。對(duì)于定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制，在電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中保持了轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定直至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，起動(dòng)時(shí)間更快，其功率側(cè)電流也明顯低于直接短接控制繞組起動(dòng)時(shí)的功率側(cè)電流。

圖10b轉(zhuǎn)矩仿真波形的脈動(dòng)主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：①電機(jī)起動(dòng)時(shí)即系統(tǒng)接入電源時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是電機(jī)瞬態(tài)過(guò)程導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩突變，與異步電機(jī)起動(dòng)類(lèi)似；②轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)上的高頻諧波則來(lái)自能量吸收電路中IGBT的開(kāi)關(guān)諧波，此諧波頻率可以通過(guò)調(diào)整其載波頻率進(jìn)行調(diào)整，仿真設(shè)置的載波頻率為1 kHz。

綜合以上分析可知，本文提出的兩種基于改進(jìn)能量吸收電路的異步起動(dòng)控制方法都能滿(mǎn)足系統(tǒng)的起動(dòng)需求。其中定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制是一種非常理想的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法，在降低定子繞組起動(dòng)電流的同時(shí)，又能保證電機(jī)能以較大的恒定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，從而縮短起動(dòng)時(shí)間，因此，可以推廣應(yīng)用于各種功率等級(jí)的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。定時(shí)間定導(dǎo)通比控制也具有較大的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)槠洳恍枰獙?duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，適用于電磁干擾嚴(yán)重等無(wú)法測(cè)量轉(zhuǎn)速信號(hào)的工業(yè)場(chǎng)合，此外也能與無(wú)刷雙饋電機(jī)無(wú)位置傳感器控制算法結(jié)合，以完成系統(tǒng)的無(wú)位置傳感器起動(dòng)。對(duì)于短接控制繞組直接起動(dòng)控制方法，雖然與常規(guī)異步電機(jī)相比其起動(dòng)電流不大，但還是對(duì)電網(wǎng)有一定的沖擊，存在起動(dòng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此不建議長(zhǎng)時(shí)間大面積使用，可作為一種應(yīng)急起動(dòng)方法。

4.2 異步起動(dòng)控制方法實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種異步起動(dòng)控制方法的可行性，本文在無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了電機(jī)異步起動(dòng)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，其中無(wú)刷雙饋電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

參照4.1節(jié)異步起動(dòng)控制方法的仿真步驟，分別進(jìn)行了以下三組實(shí)驗(yàn)：①直接短接電機(jī)控制繞組；②定時(shí)間定導(dǎo)通比控制，時(shí)間設(shè)置為1 s，導(dǎo)通比由0%線(xiàn)性上升至100%；③定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩設(shè)置為70 N·m，根據(jù)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值得到導(dǎo)通比給定值，導(dǎo)通比上、下限為100%和0%。三種控制方法均在系統(tǒng)0.25 s時(shí)開(kāi)始，異步起動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，同理用三種顏色來(lái)區(qū)分直接短接、定時(shí)間定導(dǎo)通比和定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比。

圖11 無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

從圖12可以看到，對(duì)于直接短接電機(jī)控制繞組控制，電機(jī)從0.25 s開(kāi)始起動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始上升，1.6 s轉(zhuǎn)速達(dá)到746 r/min，起動(dòng)時(shí)間為1.35 s左右，而起動(dòng)過(guò)程中功率繞組相電流幅值最大值超過(guò)100 A。此時(shí)功率側(cè)電流雖然很大，但其中的有功分量實(shí)際上卻比較小，因此其轉(zhuǎn)矩不大，在25 N·m左右。對(duì)于定時(shí)間定導(dǎo)通比控制，電機(jī)經(jīng)過(guò)1.05 s左右轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，起動(dòng)過(guò)程中功率繞組電流最大值約60 A，其轉(zhuǎn)矩較直接短接有明顯提升。對(duì)于定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制，電機(jī)經(jīng)過(guò)0.8 s左右轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，起動(dòng)過(guò)程中功率繞組最大值約為60 A，且轉(zhuǎn)矩幾乎穩(wěn)定在75 N·m附近，轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)。

（a）轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

（b）轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn)

（c）功率側(cè)電流變化曲線(xiàn)

圖12 電機(jī)異步起動(dòng)控制方法實(shí)驗(yàn)波形

Fig.12 Experimental waveforms of motor asynchronous starting control methods

與圖10b相比，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩波形脈動(dòng)較小主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)存在系統(tǒng)阻尼，且轉(zhuǎn)矩的高頻諧波超出了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的采樣范圍。圖10b中仿真顯示的轉(zhuǎn)矩波形對(duì)應(yīng)著導(dǎo)通比變化較為理想的狀況，隨著導(dǎo)通比、轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)矩也恰好能穩(wěn)定在較大的位置直至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。圖12b中實(shí)驗(yàn)顯示的轉(zhuǎn)矩波形對(duì)應(yīng)著導(dǎo)通比變化過(guò)快的狀況，此工況下控制繞組過(guò)快進(jìn)入直接短接狀態(tài)，因此其轉(zhuǎn)矩波形趨勢(shì)與直接短接類(lèi)似。

由實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制方法的可行性。對(duì)于無(wú)刷雙饋電機(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)合，比如拖動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)的負(fù)載，這類(lèi)負(fù)載本身對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不是很高。定時(shí)間定導(dǎo)通比控制也能較好地滿(mǎn)足起動(dòng)需求，若是無(wú)刷雙饋電機(jī)應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求高的場(chǎng)合，則可采用定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制。對(duì)于短接控制繞組直接起動(dòng)控制方法，仍然不建議長(zhǎng)時(shí)間大面積使用，可作為一種應(yīng)急起動(dòng)方法。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有無(wú)刷雙饋電機(jī)異步起動(dòng)控制策略和所需設(shè)備較為復(fù)雜，或者需要特定的電機(jī)結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出了基于改進(jìn)能量吸收電路的無(wú)刷雙饋電機(jī)定時(shí)間定導(dǎo)通比、定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比的異步起動(dòng)控制方法，在不增加額外設(shè)備的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步起動(dòng)控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都較好地表明了控制方法的可行性。

本文首先根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)同步-異步相串聯(lián)等效電路分析了電機(jī)控制側(cè)串聯(lián)電阻對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，并改進(jìn)了現(xiàn)有能量吸收電路拓?fù)?，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出新系統(tǒng)拓?fù)涞牡刃Т?lián)電阻表達(dá)式，并給出了定時(shí)間定導(dǎo)通比、定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比的異步起動(dòng)控制方法。此控制方法僅需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能量吸收電路即可，降低了開(kāi)發(fā)難度，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。仿真和實(shí)驗(yàn)分析表明了這兩種控制方法都能滿(mǎn)足系統(tǒng)的起動(dòng)需求。其中定轉(zhuǎn)速定導(dǎo)通比控制是一種非常理想的控制方法，能保證電機(jī)以較大的恒定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，可以推廣應(yīng)用于各種功率等級(jí)的無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。定時(shí)間定導(dǎo)通比控制也具有較大的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)槠洳恍枰獙?duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，適用于電磁干擾嚴(yán)重等無(wú)法測(cè)量轉(zhuǎn)速信號(hào)的工業(yè)場(chǎng)合，此外也能與無(wú)位置傳感器控制算法結(jié)合，以完成系統(tǒng)的無(wú)位置傳感器起動(dòng)。對(duì)于直接短接控制繞組起動(dòng)，雖然與常規(guī)異步電機(jī)相比其起動(dòng)電流不大，但還是對(duì)電網(wǎng)有一定的沖擊，存在起動(dòng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，因此不建議長(zhǎng)時(shí)間大面積使用，可作為一種應(yīng)急起動(dòng)方法。

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Asynchronous Starting Control Method of Brushless Doubly-Fed Motor Based on Improved Energy Absorption Circuit

（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

In the industrial field, for various fans and pumps with a small range of speed regulation, the flow and pressure can be adjusted by a brushless double-fed motor (BDFM) speed regulation system equipped with a small capacity inverter, which can significantly reduce the energy loss caused by the traditional transmission system using dampers or valves. With high reliability and low maintenance cost, BDFMs are applicable for oil recovery, petrochemical, and power plant applications with harsh environments, maintenance difficulties, and explosion-proof requirements. As an existing fact, the starting control strategy and required equipment of the BDFM systems are complicated or require specific motor structures to achieve. Therefore, this paper proposes a speed control system topology with an improved energy absorption circuit, as shown in Fig.A1, and two related control methods are proposed.

Firstly, the asynchronous starting torque characteristics of the BDFM are analyzed based on the synchronous-asynchronous series equivalent circuit model. Secondly, as shown in Fig.A1, the BDFM speed control system topology with an improved energy absorption circuit is designed. The operating state of the new topology is controlled by switching the contactor. There are two kinds of switch in the system above: the asynchronous start state (shown as the blue dashed line in Fig.A1) and the regular state (shown as the solid purple line in Fig.A1). Asynchronous starting is achieved by controlling the duty rate of the IGBT in the improved energy absorption circuit. Then, the equivalent series resistance expression for the new topology is derived. Accordingly, the control methods with fixedtime-duty ratio and fixedspeed-duty ratio are designed to realize the asynchronous starting control of the BDFM. For asynchronous starting without speed feedback, fixed-time fixed-duty ratio control is proposed, and the duty ratio of the IGBT in the energy absorption circuit increases linearly from 0% to 100% within a fixed time. For asynchronous starting with speed feedback, fixed-speed fixed-duty ratio control is proposed, in which the duty ratio is determined at a fixed speed point according to the demand for motor output torque. Finally, both simulation and experimental results prove the feasibility of the control method.

Fig.A1 BDFM speed control system with improved energy absorption circuit

These two control methods simplify the developing process of the asynchronous starting. The fixed-speed fixed-duty ratio control is an ideal asynchronous starting control method for BDFM, which can reduce the stator winding starting current while ensuring that the motor can start with constant torque, thus shortening the starting time. The fixed-time fixed-duty ratio control also has great practical value because it does not require motor speed detection. It is suitable for industrial applications where the speed signal cannot be measured, such as severe electromagnetic interference. In addition, it can be combined with the BDFM sensorless control algorithm to complete the system starting without the speed sensor.

Brushless doubly-fed motor, asynchronous starting control, energy absorption circuit, equivalent series resistance

TM32

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221741

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52007072, 51821005）。

2022-09-13

2023-01-17

趙探探 男，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)刷雙饋電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。E-mail: Zhaotantan1995@qq.com

謝賢飛 男，1988年生，副研究員，研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)及其控制系統(tǒng)、強(qiáng)脈沖功率特種電源系統(tǒng)。E-mail: xxf88xxf@foxmail.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）