發(fā)布時(shí)間：2022-03-02所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 為了拓寬交流傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍，在研究多相系統(tǒng)變換理論和多相電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極調(diào)速方法。該方法不需要額外增加電機(jī)的容量或電流，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制產(chǎn)生不同平面的諧波電流，
摘要 為了拓寬交流傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍，在研究多相系統(tǒng)變換理論和多相電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極調(diào)速方法。該方法不需要額外增加電機(jī)的容量或電流，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制產(chǎn)生不同平面的諧波電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)了在不停電情況下的電子變極，而且變極過(guò)程平滑，無(wú)大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。本文以九相感應(yīng)電機(jī)為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了其在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制下的 3 對(duì)極和 9 對(duì)極之間相互電子變極的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法能夠在不停電的情況下實(shí)現(xiàn)電子變極調(diào)速，有效地提高了電機(jī)恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍。
關(guān)鍵詞：電子變極 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制 恒功率調(diào)速范圍 多相感應(yīng)電機(jī)
1 引言
在許多應(yīng)用場(chǎng)合，如機(jī)床用伺服系統(tǒng)、艦船推進(jìn)系統(tǒng)、航空器驅(qū)動(dòng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等，要求傳動(dòng)系統(tǒng)既能在低速時(shí)提供大的轉(zhuǎn)矩，又具有寬廣的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍，然而目前由傳統(tǒng)三相感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍有限。常用的解決方法是簡(jiǎn)單地采用更大功率電機(jī)和大容量變頻器，但是這樣電機(jī)體積和功率器件的容量都要增大，在經(jīng)濟(jì)和能源上造成很大的浪費(fèi)[1-3]。
為解決上面所述缺陷，大量學(xué)者研究了電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變定子繞組線圈的連接方式讓電機(jī)工作在不同的極對(duì)數(shù)模式下。文獻(xiàn)[4]通過(guò)在低速時(shí)采用大的極對(duì)數(shù)，在高速時(shí)采用小的極對(duì)數(shù)，來(lái)滿足低速大轉(zhuǎn)矩和寬廣的恒功率運(yùn)行范圍的要求，這種方法的缺點(diǎn)是需要停電切換，切換過(guò)程不輸出轉(zhuǎn)矩，且切換過(guò)程是不連續(xù)、不平滑的，有沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[5]通過(guò)具有兩套 Y 形聯(lián)結(jié)的三相感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了 1 對(duì)極和 2 對(duì)極之間的變極，但在變極的暫態(tài)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生徑向力，嚴(yán)重影響軸承的壽命。文獻(xiàn)[6-9]實(shí)現(xiàn)了多相電機(jī)多相電流或者不同極對(duì)數(shù)的電流控制，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電子變極。文獻(xiàn)[10]利用多相電機(jī)多個(gè)控制自由度的特性，在一臺(tái)九相感應(yīng)電機(jī)中，通過(guò)多相電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制產(chǎn)生不同平面的諧波電流，使電機(jī)在不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了在不停電情況下的電子變極，但是其動(dòng)態(tài)性能不佳。
相關(guān)知識(shí)推薦：論文發(fā)表國(guó)際期刊快嗎
本文基于多對(duì)極多相系統(tǒng)變換理論，利用多相電機(jī)具有多個(gè)控制自由度的特點(diǎn)，提出基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極方法，實(shí)現(xiàn)了在不停電的情況下連續(xù)平滑的電子變極，拓寬了電機(jī)恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍。
2 電子變極技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
2.1 電子變極基本理論
n 相對(duì)稱系統(tǒng)在固定坐標(biāo) α-β 變換坐標(biāo)系下的恒功率坐標(biāo)變換矩陣 C 如式(1)所示，該矩陣實(shí)現(xiàn)了對(duì)多相系統(tǒng)的解耦[11, 12]。式中，v 為諧波次數(shù);1, 2, 3,…v 分別是各次諧波在任意速坐標(biāo)系下的相位電角度;α=2π/n。式(1)矩陣的第 1、2 行構(gòu)成 q1-d1 平面，對(duì)應(yīng)著基波平面;第 3、4 行構(gòu)成 q2-d2 平面，對(duì)應(yīng)著 2 次諧波平面，依次類推可以得到各次諧波平面。 當(dāng) n 為偶數(shù)時(shí)，電機(jī)存在的 q-d 平面?zhèn)�數(shù) m=(n-2)/2;當(dāng) n 為奇數(shù)時(shí)，m=(n-1)/2，在這時(shí)坐標(biāo)變換矩陣 C 應(yīng)刪去最后一行。此外需要說(shuō)明的是，若繞組結(jié)構(gòu)為 2/n 相帶分布，則有偶次諧波平面;若繞組結(jié)構(gòu)為/n 相帶分布，則沒(méi)有偶次諧波平面，應(yīng)在該矩陣中去掉各偶次諧波平面對(duì)應(yīng)的兩行。根據(jù)式(1)的坐標(biāo)變換矩陣可知，在多相情況下多相電機(jī)的相電流變換后將形成 m 組 α-β 分量，稱為 m 個(gè)控制自由度或者 m 個(gè)控制平面。電子變極的原理就是利用多相電機(jī)具有多控制自由度的特點(diǎn)，通過(guò)控制相電流的相位生成不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，達(dá)到三相電機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的不停電下的電子變極。具體的電子變極原理可參考作者的其他文章[10]。
感矩陣;下標(biāo) s、r 分別表示定、轉(zhuǎn)子;sr 表示互感。根據(jù)式(1)在 α-β 變換坐標(biāo)系下將定子電壓和電流變換為直流分量，使電機(jī)在各個(gè) q-d 平面不存在耦合，以便進(jìn)行控制。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
為了對(duì)提出的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，本文以九相感應(yīng)電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了 1、3 次諧波平面間變極切換。本文實(shí)驗(yàn)所用九相感應(yīng)電機(jī)參數(shù)：額定功率 10kW，額定轉(zhuǎn)速 1 000r/min，相電壓 232V，相電流 6.3A，極對(duì)數(shù) 3。由電壓源逆變器供電，直流母線電壓 700V，逆變器開(kāi)關(guān)頻率 8kHz。實(shí)驗(yàn)電機(jī)如圖 2 所示。
設(shè)計(jì)了一套以 32 位浮點(diǎn) DSP TMS320F28335 和 FPGA 芯片 cyclone EP1C6240C6 為控制核心的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置的基本框圖如圖 3 所示。
圖 4 為九相電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制下，給定轉(zhuǎn)速 100r/min(5Hz) 時(shí)參考電壓波形、實(shí)際的電壓波形和定子電流波形(從上到下)。由圖 4 中可知，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制下，定子諧波電流得到了有效地抑制，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的效果還不錯(cuò)。
圖 5 為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速在 100r/min 時(shí) 9 對(duì)極向 3 對(duì)極進(jìn)行電子變極的實(shí)驗(yàn)波形。可見(jiàn)在 9 對(duì)極向 3 對(duì)極變極過(guò)程中，當(dāng) i3ds 和 i3qs 逐漸減小為 0 的同時(shí)， i1ds 和 i1qs 逐漸增大，最后到達(dá)穩(wěn)定，電機(jī)最終在 3 對(duì)極模式下運(yùn)行。
圖 6 為電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速在 100r/min 時(shí)，3 對(duì)極向 9 對(duì)極進(jìn)行電子變極的實(shí)驗(yàn)波形。可見(jiàn)在 3 對(duì)極向 9 對(duì)極變極過(guò)程中，當(dāng) i1ds 和 i1qs 逐漸減小為 0 的同時(shí)，i3ds 和 i3qs 逐漸增大，最終穩(wěn)定運(yùn)行在 9 對(duì)極模式下。
圖 7 為電機(jī)在加速過(guò)程進(jìn)行電子變極的電流和速度波形，從 9 對(duì)極下的 30r/min 加速到 3 對(duì)極下的額定轉(zhuǎn)速 1 000r/min，在 333r/min 的時(shí)刻從 9 對(duì)極切換到 3 對(duì)極，從圖中可見(jiàn)，所提出的方法在加速的動(dòng)態(tài)過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了很好的變極，過(guò)渡過(guò)程比較理想。
圖 8 為電機(jī)在減速過(guò)程進(jìn)行電子變極的電流和速度波形，從 3 對(duì)極下的額定轉(zhuǎn)速 1 000r/min 減速到 9 對(duì)極下的 30r/min，在 333r/min 的時(shí)刻從 3 對(duì)極切換到 9 對(duì)極，從圖中可見(jiàn)，所提出的方法在減速的動(dòng)態(tài)過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了很好的變極，過(guò)渡過(guò)程比較理想。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極方法，能夠?qū)崿F(xiàn)九相電機(jī)在 3 對(duì)極和 9 對(duì)極之間相互進(jìn)行電子變極，擴(kuò)大電機(jī)的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍。
4 結(jié)論
基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極方法是多相電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，多相電機(jī)在不同極對(duì)數(shù)之間的電子變極研究表明該方法能擴(kuò)大電機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍，高速時(shí)采用較小的極對(duì)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，同時(shí)相同的速度相對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較低的電流頻率，從而減小開(kāi)關(guān)頻率和鐵耗。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提的方法，在電子變極過(guò)程中，電流和轉(zhuǎn)矩過(guò)渡平穩(wěn)。——論文作者：楊家強(qiáng) 高 健 金玉龍 胡浩峰
參考文獻(xiàn)
[1] Swamy M M, Kume T J, Maemura A, et al. Extended high-speed operation via electronic winding change method for AC motor[J]. IEEE Trans. on Industry Applications, 2006, 42(3): 742-752.
[2] Levi E, Jones M, Vokosavic S N, et al. A novel concept of a multiphase, multimotor vector controlled drive system supplied from a single voltage source inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(2): 320-335.
[3] Kume T, Swamy M, Sawamura M, et al. A quick transition electronic winding changeover technique for extended speed ranges[C]. Proceedings of IEEE Power Electronics Specialist, Aachen, Germany, 2004: 3384-3389.
[4] 錢羅奮. 一種新的交流電機(jī)換相變極法-2/3 變極[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(3): 120-125. Qian Luofen. A new commutating method for change pole to electric machine 2/3 change-pole[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(3): 120-125.
[5] Osama M, Lipo T A. A new inverter control scheme for induction motor drives requiring wide speed range[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32(4): 938-944.
[6] Hartman M T. The application of fortescue’s transformation to describe power states in multi-phase circuits with non-sinusoidal voltage and currents[C]. Proceedings of Electrical Power Quality and Utilisation, Barcelona, Spain, 2007: 1-5.
[7] Kelly J W, Strangas E G. Torque control during pole-changing transition of a 3: 1 pole induction machine[C]. Proceedings of Electrical Machines and Systems, Seoul, Korea, 2007: 1723-1728.
[8] Lyra R O C, Lipo T A. Torque density improvement in a six-phase induction motor with third harmonic current injection[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(5): 1351-1360.
[9] Fuchs E F, Myat M H. Speed and torque range increases of electric drives through compensation of flux weakening[C]. Proceedings of Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion, 2010: 1569-1574.
[10] 楊家強(qiáng), 黃進(jìn), 康敏. 多相感應(yīng)電機(jī)的電子變極技術(shù)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2009, 13(3): 322-326. Yang Jiaqiang, Huang Jin, Kang Min. Electronic pole change technique of multi-phase induction motor[J]. Electric Machines and Control, 2009, 13(3): 322-326.
[11] Huang Jin, Kang Min, Yang Jiaqiang, et al. Multiphase machine theory and its applitions[C]. Proceedings of Electrical Machines and Systems, 2008: 1-7.
[12] 黃進(jìn), 康敏, 楊家強(qiáng). 新型單繞組多相無(wú)軸承電機(jī) [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007, 41(11): 1850-1856. Huang Jin, Kang Min, Yang Jiaqiang. Analysis of a new 5-phase bearingless induction motor[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2007, 41(11): 1850-1856.
