繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電控制研究

吳 濤，王雪帆，李勇波

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院，湖北武漢 430074；2.華中科技大學(xué)電氣學(xué)院，湖北武漢 430074）

1 引言

無(wú)刷雙饋電機(jī)（BDFM）是在串級(jí)感應(yīng)電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它取消了電刷和滑環(huán)，不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，而且可以有效降低變頻裝置的容量和電壓等級(jí)，因此被認(rèn)為在變速驅(qū)動(dòng)（ASD）和變速恒頻發(fā)電（VSG）中有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)刷雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)原理類似交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，調(diào)節(jié)定子控制繞組側(cè)勵(lì)磁電流的頻率可方便實(shí)現(xiàn)功率繞組發(fā)電頻率恒定，而且調(diào)節(jié)控制繞組電流的大小和相位還可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。目前無(wú)刷雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)合的研究和文獻(xiàn)基本上是關(guān)于并網(wǎng)發(fā)電［1-3］。有些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合如作為獨(dú)立電源單機(jī)發(fā)電運(yùn)行（如一些不需要并網(wǎng)的小水電、船用軸帶發(fā)電等等），其控制規(guī)律有其自身特點(diǎn)。本文在這里探討了這種電機(jī)作為獨(dú)立電源發(fā)電時(shí)的控制策略，適合于對(duì)發(fā)電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。

2 無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電運(yùn)行原理

下面以齒諧波法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組為例來(lái)闡述其發(fā)電原理。假設(shè)定子功率繞組8極，控制繞組4極，轉(zhuǎn)子總槽數(shù)Z＝6，根據(jù)齒諧波轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方法，按照極對(duì)數(shù)pp＝4設(shè)計(jì)布置的3相對(duì)稱繞組線圈，除產(chǎn)生極對(duì)數(shù)為pp＝4的基波磁勢(shì)外，還將同時(shí)產(chǎn)生極對(duì)數(shù)為p2＝nZ±p1（n＝1，2…）的齒諧波磁勢(shì)，并且其繞組系數(shù)與基波相同，以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子接線為例如圖1所示，轉(zhuǎn)子繞組在8極6槽上圖排列結(jié)構(gòu)下，諧波正反轉(zhuǎn)磁勢(shì)百分比如表1所示。

圖1 8／4極轉(zhuǎn)子繞組接線圖

表1 8／4極轉(zhuǎn)子繞組諧波分析

如果忽略高次諧波，僅考慮極數(shù)為4／8的諧波，從表1可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通入三相對(duì)稱感應(yīng)電流時(shí)，將在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生8極正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和 4 極反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)［4-5］。

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nr旋轉(zhuǎn)，在控制繞組中通入頻率為fc的三相對(duì)稱交流勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流頻率為：

pp極轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子pp對(duì)極繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生定子功率繞組電流也會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其頻率為：

采用齒諧波法設(shè)計(jì)繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組流經(jīng)同一電流，因此當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)感應(yīng)的轉(zhuǎn)子繞組電流頻率有fpr＝fcr，因此由上式可得：

這樣，對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組側(cè)變頻器輸出頻率就可以保持功率繞組發(fā)電電頻率的恒定。

3 無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

無(wú)刷雙饋電機(jī)作為獨(dú)立電源應(yīng)用其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電結(jié)構(gòu)圖

BDFM的功率繞組做發(fā)電輸出端，控制繞組接變頻器。由于是做獨(dú)立交流電源使用，這里未提供額外三相交流電源。這樣整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)需要有一個(gè)自勵(lì)過(guò)程，即變頻器的三相交流輸入由功率繞組自身提供。無(wú)刷雙饋單機(jī)發(fā)電的自勵(lì)有以下兩種方案（提供200～400V直流電源）：①功率繞組端通入直流，在同步轉(zhuǎn)速下起動(dòng)建壓；②變頻器直流母線端加壓到正常逆變需要電壓（約為560V左右），任意轉(zhuǎn)速下建壓起動(dòng)。

方案1是目前常用方法，需要直流電源一般電壓可在100V以下，電源提供功率較小。但為了適應(yīng)原動(dòng)機(jī)任意轉(zhuǎn)速下建壓，需要采用方案2。一般變頻器直接在直流母線端加電壓還不能正常工作，需要將變頻器的幾個(gè)報(bào)警輸入點(diǎn)去掉，如輸入缺相報(bào)警、輸入欠壓等等。另外為了適配蓄電池直流電源，方案2還需要合適DC-DC變換升壓裝置。

4 無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電控制策略

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)作為獨(dú)立電源和并網(wǎng)發(fā)電相比其控制策略有較大不同。并網(wǎng)發(fā)電時(shí)功率繞組端電壓由大電網(wǎng)決定，其主要控制對(duì)象是功率繞組發(fā)出電流大小和相位（無(wú)功和有功功率）。作為獨(dú)立電源時(shí)主要關(guān)心功率繞組發(fā)出電壓幅值和頻率的恒定。下面分析單機(jī)發(fā)電運(yùn)行標(biāo)量控制策略。

在發(fā)電運(yùn)行方式下，電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)（柴油機(jī)或風(fēng)力機(jī)構(gòu)），系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定可測(cè)。根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行規(guī)律，通過(guò)改變控制繞組激勵(lì)的幅值以及頻率fc即可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率繞組發(fā)電電壓幅值、頻率的控制。對(duì)于所測(cè)定的速度，由給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速nr和頻率換算關(guān)系式就可以得到控制繞組的電壓頻率為：

如圖3所示為一種采用交直交變頻器的單機(jī)發(fā)電標(biāo)量控制策略的控制框圖。為保持功率繞組發(fā)電幅值恒定，采用功率繞組電壓和電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，電壓環(huán)在外電流環(huán)在內(nèi)。頻率也可采用閉環(huán)。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要擾動(dòng)量為負(fù)載波動(dòng)，為保證調(diào)節(jié)快速性宜采用電流源型逆變器。

圖3 單機(jī)發(fā)電機(jī)幅值和頻率閉環(huán)標(biāo)量控制框圖

功率繞組電壓調(diào)節(jié)規(guī)律可以從無(wú)刷雙饋電機(jī)折算后等效電路圖分析得出。如圖4所示為頻率折算后無(wú)刷雙饋電機(jī)等效電路圖。當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)檢測(cè)到功率繞組發(fā)電電壓低于設(shè)定值時(shí)，可以提高控制繞組給定電流，反之亦然。從圖4中可以看出，當(dāng)控制繞組電流Ic′變大時(shí)，控制繞組與轉(zhuǎn)子磁鏈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)增大，在其他情況不變時(shí)轉(zhuǎn)子回路電流Ir′增大，由于激磁電流一般不超過(guò)主電流 10%，可以認(rèn)為 I′cm、I′pm不變，這樣功率繞組側(cè)電流Ip′會(huì)跟著增大，提高功率繞組側(cè)輸出電壓。

圖4 無(wú)刷雙饋電機(jī)的等效電路

另外從上面等效電路圖可以看出，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，功率繞組端電壓調(diào)節(jié)主要通過(guò)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流Ir′調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流 Ir′＝Ic′-I′cm，上面等效電路采用電壓源控制模型，通過(guò)改變控制繞組電壓Uc′／s來(lái)改變控制繞組電流。如果采用電流源控制模型，直接控制功率繞組側(cè)電流Ic′，由于不存在功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組互感和控制繞組自感影響，其電流控制時(shí)間反應(yīng)更快。

如圖5所示為8／4極繞線式轉(zhuǎn)子樣機(jī)不同情況下控制繞組電壓與功率繞組端電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。曲線1是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速450r／min，變頻器頻率5Hz對(duì)應(yīng)曲線。曲線2是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速400r／min，變頻器頻率10Hz曲線。曲線3是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速420r／min，變頻器頻率8Hz對(duì)應(yīng)曲線。從圖中可以看出功率繞組發(fā)電電壓與控制繞組電壓之間關(guān)系基本上滿足一定線性關(guān)系。

圖5 8／4極樣機(jī)功率繞組電壓與控制繞組電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

變頻器輸出頻率可由轉(zhuǎn)速檢測(cè)值ωr和功率繞組頻率給定值fp＊計(jì)算得出，考慮到商用變頻器頻率給定是模擬信號(hào)，在頻率值較大時(shí)誤差較大，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)會(huì)有一定頻率的漂移，因此采用頻率閉環(huán)來(lái)消除這種影響。

標(biāo)量控制采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的靜態(tài)等效電路，其算法比較簡(jiǎn)單，可以在較低價(jià)格的微處理器上實(shí)現(xiàn)，適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的變速恒頻發(fā)電場(chǎng)合，如船用柴油機(jī)軸帶發(fā)電。

5 無(wú)刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電標(biāo)量控制仿真

無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)，假定三相負(fù)載對(duì)稱，負(fù)載阻抗XL＝2πfpLL。控制繞組側(cè)采用電壓源型逆變器，則可控量為變頻器輸出交流電電壓和頻率。由于功率繞組端電壓滿足基爾霍夫電壓定律：

將上式代入無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子速dq坐標(biāo)系電壓方程可得：

由于負(fù)載電感并不參與電機(jī)勵(lì)磁，因此定子控制繞組、轉(zhuǎn)子自感沒(méi)有變化，定轉(zhuǎn)子互感磁鏈并沒(méi)有影響。dq0坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)矩方程沒(méi)有變化，磁鏈方程僅電機(jī)定子功率繞組三相自感磁鏈增加LL。

如果控制繞組側(cè)變頻器是電流源型逆變器，則可控量為變頻器輸出交流電電流和頻率。電流控制源控制模型相比電壓源模型更為簡(jiǎn)單，其控制動(dòng)態(tài)相應(yīng)更快。在控制繞組電流已知可控情況下，去掉控制繞組電壓方程，dq坐標(biāo)系下電壓方程變?yōu)椋?/p>

電機(jī)采用8／4繞線式轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)，仿真參數(shù)為：pp＝4，pc＝2，J＝0.032，rp＝0.075Ω，rc＝0.11Ω，rr＝0.931Ω，lsp＝0.04205H，lsc＝0.16188H，lr＝0.1775H，Mpr＝0.11745H，Mcr＝0.33585H。圖 6-8 為采用電壓源模型，轉(zhuǎn)速突變和負(fù)載突變時(shí)功率繞組發(fā)電電壓幅值、瞬時(shí)值仿真波形。圖9-10為相同條件下采用電壓源模型，轉(zhuǎn)速突變和負(fù)載突變時(shí)功率繞組發(fā)電電壓幅值、瞬時(shí)值仿真波形。控制繞組仿真采用理想電壓源變頻器，變頻器頻率由轉(zhuǎn)速和功率繞組發(fā)電給定頻率決定，變頻器輸出電壓大小由PID閉環(huán)控制器輸出決定。對(duì)比采用電壓源和電流源仿真結(jié)果，可以看出電流源模型動(dòng)態(tài)電壓超調(diào)量調(diào)整時(shí)間要明顯優(yōu)于電壓源模型。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

圖6 負(fù)載突變功率繞組電壓幅值波形

圖7 轉(zhuǎn)速突變功率繞組電壓幅值波形

圖8 負(fù)載突變功率繞組電壓瞬時(shí)值波形

圖9 負(fù)載突變功率繞組電壓幅值波形

圖10 轉(zhuǎn)速突變功率繞組電壓幅值波形

圖11 突減負(fù)載實(shí)測(cè)繞組電壓波形（藍(lán)色）

圖12 突減負(fù)載功率繞組仿真電壓波形

圖13 轉(zhuǎn)速波動(dòng)實(shí)測(cè)控制繞組電流波形（藍(lán)色）

圖14 轉(zhuǎn)速突變控制繞組電流仿真波形

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用“齒諧波法”設(shè)計(jì)的繞線式轉(zhuǎn)子64kW無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)。變頻器采用交直交商用變頻器，直流側(cè)采用全可控能量回饋器將自然同步速能量回饋負(fù)載，采用高速單片機(jī)組成電壓閉環(huán)和頻率閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)。電機(jī)參數(shù)為：功率繞組極對(duì)數(shù)為 4，控制繞組極對(duì)數(shù)為 2，同步轉(zhuǎn)速 n＝500r／min，驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)速度變化范圍375～800r／min。實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)頻率波動(dòng)范圍 49.0～51.0Hz，電壓偏差范圍±10V。達(dá)到比較好的控制效果。圖11-13分別為實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)波形，均與仿真波形相符合。

圖11中藍(lán)色曲線為功率繞組電壓波形，可對(duì)比圖12仿真波形，兩者波形比較一致。圖13藍(lán)色為控制繞組電流波形，綠色為控制繞組電流波形。轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)控制繞組頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖14為轉(zhuǎn)速突變控制繞組電流仿真波形。

總的來(lái)看，采用發(fā)電電壓幅值和頻率閉環(huán)標(biāo)量控制方法，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)能夠達(dá)到要求，是一種較為經(jīng)濟(jì)和易于工程實(shí)踐的方法。但其動(dòng)態(tài)性能較差，特別是存在一些問(wèn)題，如突加突減大負(fù)載時(shí)，電壓超調(diào)量較大，系統(tǒng)易崩潰。

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