一種用于直流幅壓供電的多相感應電動機控制策略研究

王鐵軍 饒 翔 姜小弋 吳旭升

海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北武漢 430033

一種用于直流幅壓供電的多相感應電動機控制策略研究

王鐵軍 饒 翔 姜小弋 吳旭升

海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北武漢 430033

針對潛艇直流供電系統中換向器幅壓直流電動機運行和維護中存在的問題，提出了一體化多相逆變器—感應電動機替代方案。該方案在利用多相結構抑制諧波的同時，能夠減少裝備體積，并提高可靠性。為了解決蓄電池供電時直流電壓幅值變化的問題，引入了特定諧波消除PWM技術對逆變器的輸出進行恒壓控制。以雙Y移30°感應電動機和逆變器為對象，對控制系統進行了初步設計和仿真分析。結果表明，該方案在起動、恒壓、抑制脈動轉矩方面擁有較好的效果，適用于對運行可靠性和穩定性有較高要求，但對動態性能要求不高的各類潛艇輔機的驅動。

多相感應電動機；直流供電；特定諧波消除；潛艇

1 引言

所謂幅壓是指為蓄電池組供電的潛艇電力系統電壓。蓄電池組在充/放電周期中供給負載的電壓變化幅度較大［1］，例如，可以在 180～330 V 之間大范圍變化。目前，潛艇電氣設備中應用了大量直流幅壓電動機。除了換向器引起的常見問題外，該類電機體積大，起動設備笨重。在電壓大幅度變化時，轉速波動明顯，影響設備運行。目前，多相感應電動機的研究已經取得了很大進展，具有廣泛的應用前景。多相感應電動機具有效率高，可靠性好的特點，尤其能抑制產生機械振動的電磁脈動轉矩［2-6］。為此，可以將一體化的多相逆變器—感應電動機驅動系統替代直流電動機系統，以拖動潛艇中的各類輔機設備［7］。針對該系統，本文將研究一種能夠根據幅壓變化來自動改變開關角的方法，以消除幅壓對多相電機的影響。同時，結合仿真技術，對該方法進行驗證。

2 多相感應電動機恒壓控制原理

圖1為雙Y移30°感應電動機及其供電逆變器的主電路圖。在Vd穩定于額定值時，若主開關采用180°方波信號控制，多相感應電機可獲得良好的特性。但在直流幅壓供電條件下，當直流電網電壓升高時，逆變器輸出電壓也會升高，從而引起電機磁路飽和，并影響運行性能。因此，需對逆變器輸出電壓進行恒壓控制。

圖1 多相逆變器—感應電動機主電路Fig.1 C ircuit d iagram ofmulti-phase induction motor and inverter

根據特定諧波消除PWM原理，在方波信號中，加入幾個開關動作，可以大大削弱某些次特定諧波［8-10］，如 5、7 次諧波，從而使得輸出波形接近正弦波，圖2為輸出電壓在半個周期內的波形。

圖2 特定諧波消除PWM原理圖Fig.2 Principle of special harmonics elimination PWM

當輸出電壓νao為半對稱波形時，其Fourier表達式為：

式（2）中包含K個角度變量，因此，可以構成K維方程組。 可用 K 個角度變量 α1，α2，…，αK，從而消除K-1個諧波，同時對基波的幅值加以控制，由此從理論上證明了消除任意次諧波的可能性。特定諧波消除PWM方法具有以下特點：

1）與SPWM相比，顯著減少了開關頻率，從而也降低了開關損耗；

2）直流側的電壓利用率高；

3）可以主動消除某些特殊頻率的諧波；

4）通過開關角控制輸出電壓的幅值。

在研究的多相電動機及其逆變系統中，由于多相結構的電磁特點，使得逆變器輸出的主要諧波不再產生脈動轉矩。因此，本文主要運用SHE PWM對基波的調幅原理，對逆變器的輸出電壓進行了恒壓控制。而當僅對輸出電壓進行控制時，根據式（2），只需1個開關角。此時，輸出電壓相對值M 與開關角α1的關系為：M=1-2cosα1，如圖 3 所示。以開關角為縱軸，電壓幅值為橫軸，以α1=π／2為對稱軸作對稱延拓，再以π為周期對（0～π）內的函數作無限的周期延拓，從而得到圖4所示的信號波形。再用一個直流信號U g去調制，就得到了圖中的基波幅值可變的PWM控制脈沖波形。

圖3 開關角與調制電壓關系Fig.3 Relation between switch angle andm o d ul ating voltage

圖4 控制基波幅值的PWM脈沖波形生成原理Fig.4 Generation of pulses for controlling fundamentalmagnitude

3 仿真分析

本文在Matlab環境中搭建了雙Y移30°感應電動機及其幅壓供電逆變仿真系統，并對以上提出特定諧波消除PWM控制方法進行了仿真，系統原理如圖5所示。針對潛艇全速航行工況時電網電壓迅速下降的情況，設定運行過程如下：蓄電池電壓在1 s時，從330 V開始以0.2 V／s的速度下降。與此同時，電動機在0.6倍的額定電壓下空載起動，1 s后帶上負載，第3 s時進入閉環控制狀態，15 min（900 s）后，蓄電池電壓降到 180 V，圖6為主要仿真結果。

圖5 多相感應電動機控制系統原理圖Fig.5 Principle diagram ofmulti－phase inductionmotor driving system

圖6 幅壓供電時系統的仿真結果Fig.6 Simulation results of the proposed system supplied bymagnitude voltage source

圖6a模擬了上述情況蓄電池的電壓變化。圖6b為多相電機的電磁轉矩波形，由于電機采用了雙Y移30°的多相結構，在方波逆變供電條件下的脈動轉矩比普通三相感應電機得到了明顯的改善。圖6c為電機的轉速變化波形，由于采用了特定諧波消除PWM恒壓控制策略，并結合PI閉環控制，使當蓄電池供電電壓明顯變化時，電機具有非常好的穩速性能。

4 結束語

在未來直流幅壓供電系統中，將逐漸淘汰傳統換向器的直流電動機，一體化的多相逆變器—感應電動機則是非常好的替代方案。本文針對蓄電池幅壓供電電壓變化的問題，提出了基于特定諧波消除PWM技術對逆變器進行恒壓控制的方案。分析表明，該方案在起動、恒壓、抑制脈動轉矩方面擁有較好的效果，尤其適合對動態性能要求不高的風、泵類負載的驅動。同時，其控制系統也非常簡單。

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Control Strategy Study on M ulti-Phase Induction Motor for one DC Amp litude-Voltage Power System

Wang Tie－jun Rao Xiang Jiang Xiao－yi Wu Xu－sheng
College of Electric and Information Engineering， Naval Univ ersity of Engineering， Wuhan 430033， China

For t he traditional DC motor with commutator in submarines＇DC power supply system have obvious disadvantages in operation andmaintenance，an alternative scheme was proposed which applying integrated multi-phase inverter and induction motor.The scheme is not only able to eliminate harmonics in motor bymulti-phase principle， but also saves the volume of equipment and improve s the reliability.Focusing on the voltage adverse influence on the driving system of the batteries，the Special Harmonics Elimination （SHE） PWM technique was introduced to stabilize the output voltage.A numericalmodel of dual Y shifted 30°induction motor with inverter was built up.The analysis results show that the starting process， voltage stabilization and pulsing torque were improved dramatically.This control strategy is suitable for a variety of auxiliarymechanical driving deviceswhich focused on high reliability and stability in submarine.

multi-phase induction motor； DC power supply system； special harmonic s elimination；submarine

U664.14

A

1673-3185（2011）06-75-03

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.015

2011-06-29

王鐵軍（1965-），男，博士，副教授。研究方向：電機教學和多相電機。E-mail：wtjtt＠163.com

饒 翔（1971-），男，博士，講師。研究方向：電機實驗教學和船用電氣設備。E-mail：raoxiang1971＠sina.com

王鐵軍。