直接轉矩控制的無刷雙饋感應電機的異步啟動

張愛玲， 許永順， 王昕

(太原理工大學電氣與動力工程學院，山西太原030024)

0 引言

和雙饋電機(doubly fed induction machine，DFIM)相比，無刷雙饋電機(brushless doubly－fed machine，BDFM)由于無刷而受到人們的青睞。在一些特殊的應用領域，例如在風力發電及大功率變速驅動領域BDFM有著明顯的技術優勢，逐漸顯現出取代DFIM的可能性［1－7］。按轉子結構的不同BDFM可以分為無刷雙饋磁阻電機和無刷雙饋感應電機(brushless doubly－fed induction machine，BDFIM)。近5年來BDFIM的控制方法取得了令人矚目的進步。其中文獻［1－3］提出了BDFIM的矢量控制策略，發電［1，3］及電動狀態［2］的實驗結果證明了控制策略的可行性，并獲得了令人滿意的穩態及動態性能。文獻［4］利用解析表達式深入分析了BDFIM直接轉矩控制策略的可行性，且電動狀態的實驗結果和理論分析十分吻合。上述兩種方法均可用于對動態性能要求較高的場合。文獻［5］研究了控制繞組相位角控制策略，該方法可用于對動態性能要求不高的風機和泵類負載。

啟動方法和啟動性能是任何種類電動機的重要性能之一，但是對于無刷雙饋電動機啟動性能的研究卻比較少。文獻［2－4］雖然給出了電動狀態的實驗結果，但并未述及所使用的啟動方法。文獻［5－6］提出了一種異步啟動方法，該方法將啟動過程分為異步啟動和牽入同步兩個階段，即啟動時將控制繞組短接，功率繞組直接接入電網，當電機轉速接近同步速時，再將控制繞組接入逆變器使電機雙饋運行，轉速被牽入同步，文獻［5］給出了該方法的實驗結果。文獻［6］采用反饋線性(feedback linearization)控制方法，文獻［7］采用速度開環的v/f控制方式對異步啟動及牽入同步的動態過程進行了仿真計算。但文獻［5－7］對異步啟動過程的電流及轉矩均未做理論分析，也未述及如何根據所采用的控制策略改善牽入同步時的動態性能。

深入研究了基于直接轉矩控制策略的BDFIM的異步啟動方法。利用等效電路分析了異步啟動階段的性能。為了減小牽入同步時兩個定子繞組的沖擊電流，提出一種磁鏈優先的控制方法，并在樣機上進行實驗。

1 異步啟動方法

無刷雙饋電機在雙饋運行方式下的接線圖如圖1所示，功率繞組接工頻電源，控制繞組由交－直－交逆變器供電。

圖1 BDFIM運行示意圖Fig．1 BDFIM operation

異步啟動時，功率繞組接線不變，控制繞組短接(通過逆變器3個導通的下橋臂實現)，如圖2(a)所示。轉速達到同步速附近時，控制逆變器使電機進入雙饋運行狀態，如圖2(b)所示。在合適的控制方式下，轉速達到給定值同步運行。

圖2 BDFIM控制繞組接線圖Fig．2 Configuration of control winding for BDFIM

2 異步啟動電流及啟動轉矩的分析

2.1 異步啟動電流的分析

圖3為BDFIM的雙T型等效電路［8］，圖中所有參數都已折算到功率繞組，Up，U″c分別為功率繞組和控制繞組電壓;Ip，I″c和 I'r分別為功率，控制和轉子繞組電流;Rp，R″c，和 Rr分別為功率，控制和轉子繞組電阻;Xlp，X″lc，X'lr分別為功率，控制及轉子繞組的漏抗;Mp，M″c分別為功率繞組，控制繞組與轉子繞組之間的互感;ωp為功率繞組角頻率;sp，sc和s為轉差率，其表達式為

式中:np，nc分別為功率繞組和控制繞組的同步轉速，由兩個繞組各自的頻率決定;nr為轉子轉速。啟動瞬間 nr=0，圖3 中 U″c=0，s=sp=1，且由于互感遠大于漏感，分析啟動電流時可認為Mp和M″c所在的支路斷開，則啟動瞬間的等效電路如圖4所示。

圖3 BDFIM的雙T型等效電路Fig．3 Double T equivalent circuit for BDFIM

圖4 BDFIM的簡化等效電路Fig．4 Simplified equivalent circuit for BDFIM

由圖4可得啟動瞬間功率繞組的電流為

式(3)和感應電機啟動電流的表達式相比，式(3)的分母中多了控制繞組的電阻和漏抗，且由于BDFIM的定子槽中嵌放著兩個繞組，其漏抗Xlp，X″lc與感應電機相比較大，因此功率繞組啟動電流約為同容量感應電機的2/3～1/2。

由圖3可知，控制繞組的啟動電流為

式(4)中的分子為轉子電流引起的控制繞組的感應電勢。由式(3)和式(4)可知，在控制繞組中串電阻可以有效減小兩個定子繞組的啟動電流，但無疑增加了啟動設備及啟動方法的復雜性。和感應電機一樣，隨著轉速的增加，3個繞組的電流都將減小，達到同步速附近穩定運行時的電流取決于負載，若電機空載，控制繞組穩定時的電流趨于零。

2．2 啟動轉矩的分析

不計定子電阻時，無刷雙饋電機穩態運行時電磁轉矩的一般形式［8］為

式中:Pp為功率繞組極對數;Pc為控制繞組極對數;Xr為轉子電抗;Mc為控制繞組與轉子之間的互感;Xp為功率繞組電抗;Xc為控制繞組電抗;Rr為轉子電阻;Pr為轉子極對數;δ為功率繞組與控制繞組電壓之間的夾角;Upm和Ucm分別為功率繞組和控制繞組電壓的幅值，以上參數均未進行繞組折算［8］。異步啟動時，式(5)中 Ucm=0，sp=1，再將 s1和R'1r代入，則啟動轉矩為

由式(7)可知，啟動轉矩和電壓的平方及電機參數有關，與感應電機相似。

3 無刷雙饋電機直接轉矩控制的原理

3.1 基本原理

BDFIM直接轉矩控制系統的結構如圖5所示［4］，功率繞組接380 V工頻電源不可控，控制繞組由變流器供電。

圖5 直接轉矩控制系統結構Fig．5 Schematic of DTC control for BDFIM

3.2 開關表

系統開關表如表1所示［4］。

表1 開關表Table 1 Switch table

扇區的劃分如圖6所示，表1中Ⅰ～Ⅵ為控制繞組磁鏈所在的扇區，由其 α，β 分量 ψαc，ψβc計算。表1中當ΔT'≥εT時，ΔT=1，表示需要增加轉矩，否則，ΔT=0，表示需要減小轉矩;同理，當 Δψ'≥εψ時，Δψ =1，否則，Δψ =0。εT，εψ分別為轉矩和磁鏈滯環比較器的環寬。該開關表可以同時滿足轉矩及磁鏈增加或減少的需要。

圖6 扇區劃分Fig．6 The sector partition

4 牽入同步運行

當電機轉速接近同步速時，控制逆變器使系統進入雙饋運行狀態。由于控制繞組由短接改為由逆變器供電時，必然存在磁鏈的建立過程，同時給定轉速與實際轉速之間的偏差也必然使ΔT較大。雖然使用表1可以同時兼顧磁鏈及轉矩增加或減小的需求，但是使用如表2所示的磁鏈優先的開關表進行預勵磁，可以在切入雙饋的瞬間，使磁鏈先建立起來，這樣可以有效減小切入雙饋時的電流，當磁鏈達到給定的閾值時，再改用開關表1進行控制。

表2 磁鏈優先開關表Table 2 Switch table with flux priority

磁鏈優先開關表的設計思想是，當磁鏈比給定值小很多時，采用與磁鏈處于同一扇區的空間電壓矢量，使磁鏈快速增加。控制繞組的電壓方程［4］(在控制繞組坐標系下)為

將式(8)離散化后可得

式中:Uc，ψc和Ic分別為控制繞組電壓，磁鏈及電流的空間矢量;Rc為控制繞組電阻;Ts為采樣周期。用矢量三角形描述式(9)，如圖(7)所示。

圖7 定子磁鏈與電壓矢量Fig．7 stator flux and voltage vector

設某一瞬間磁鏈空間矢量ψc位于第Ⅰ扇區，使用與其位于同一扇區的空間矢量u0，如表2所示，可使電壓矢量和磁鏈的夾角最小，從而使磁鏈增加最快。同理，采用與磁鏈間隔兩個扇區的空間電壓矢量，使磁鏈減小最多。

5 實驗研究

5.1 實驗裝置

為了驗證本文所提方法的正確性，在交流電機實驗平臺上對BDFIM樣機進行異步啟動實驗。樣機采用籠型轉子，4組同心式短路線圈，每組5個短路環。功率繞組參數為:3對極;額定功率為3 kW;額定電壓為380 V;額定電流為6.9 A。控制繞組參數為:1對極;額定電壓為380 V;額定電流為3.4 A;同步轉速為750 r/min。

實驗平臺如圖8所示，直流發電機作為BDFIM的負載，扭矩傳感器用來測量BDFIM的輸出轉矩，使用OMRON增量式E6C2－CWZ6C光電編碼器測量轉速，由霍爾電流傳感器測量電流。

實驗中功率繞組接380 V工頻電源，控制繞組接雙PWM變流器，圖9為其結構示意圖。兩個變流器的控制系統相似，圖中只畫出電機側變流器控制系統。數字信號處理芯片(digital signal processor，DSP)TMS320LF2407A是控制系統的核心，其通訊接口CAN及PC機的USB接口通過USBCAN接口卡相連，實現DSP與PC機之間的數據交換。例如，轉速及磁鏈等給定值可以由PC機發送到DSP，電流、轉矩等采樣值及計算值也可以由DSP發送到PC機。實驗中系統采樣周期Ts=280 μs，CW磁鏈給定

圖8 實驗裝置Fig．8 Experimental setup

圖9 變流器結構Fig．9 Schematic diagram of the converter

5.2 實驗結果

5.2.1 異步啟動階段的實驗結果

圖10(a)～圖10(d)分別為額定電壓下空載異步啟動時控制繞組、功率繞組電流，轉速及電磁轉矩的波形。其中功率繞組電流的峰值為17.5 A，約為其額定電流峰值的2.34倍。控制繞組電流的峰值為11.5 A，約為其額定電流峰值的2.48倍，兩個繞組的電流均隨著轉速的上升衰減。由于電機空載，控制繞組的電流穩態時接近零，轉速接近同步速即750 r/min;啟動瞬間，電磁轉矩波動較大，原因有待進一步分析。

圖10 啟動時的實驗結果Fig．10 Experimental results for starting

5.2.2 牽入雙饋運行的實驗結果

電機由異步牽入雙饋時，將采用表1和磁鏈優先兩種控制方法的實驗結果進行對比。采用后一種方法當控制繞組磁鏈達到0.92 Wb時，開關表切入表1。兩種方式下，給定轉速均為795 r/min，其他實驗條件相同，圖11為由異步牽入超同步的實驗結果。

圖11 從異步牽入超同步的實驗結果Fig．11 Experimental results from asynchronous to synchronous model

由圖11(a)可知，采用磁鏈優先方法時，磁鏈單方向平穩增加，達到給定值的時間約為25 ms;由圖11(b)可知，兩種方法下，電磁轉矩的大小沒有明顯區別，這是由于建立磁鏈所需的時間很短;由圖11(c)和圖11(d)可知，采用磁鏈優先方法時，兩個定子繞組的電流明顯減小。另外采用如表1所示的控制方式，在接近1.2 s時，由于磁鏈的跌落，引起功率繞組電流、轉速和轉矩的振蕩。實驗結果表明，當磁鏈比給定值小很多時，優先控制磁鏈會取得較好的控制效果。

6 結語

本文利用穩態等效電路分析了BDFIM異步啟動時的電流，理論分析和樣機的實驗結果表明，額定電壓下的直接啟動電流小于同容量的感應電機。為了減小牽入同步時兩個定子繞組的沖擊電流，提出了一種磁鏈優先的控制方法，樣機的實驗結果驗證了所提控制方法的有效性。

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