基于旋轉型變頻發電技術的PMSM調速方法研究

孫忠鵬, 莊亞平, 馬守軍, 壽海明

（海軍裝備研究院，北京 100161）

0 前言

永磁同步電動機具有功率密度高、損耗小、效率高等優點，在實際生產過程中已經得到廣泛應用。常見的永磁同步電動機控制方法有恒壓頻比控制、空間矢量控制、直接轉矩控制、基于空間矢量的直接轉矩控制等[1]，這些控制方法的執行都依賴于變頻器設備。因此，要實現永磁同步電動機的控制必須配備與之功率相匹配的變頻器。但是在一些領域電機功率的需求越來越高，大功率變頻器因受電力電子器件的限制而發展緩慢。本文提出的基于旋轉型變頻發電技術的永磁同步電動機控制系統不依賴于大功率變頻器，為大功率永磁同步電動機的控制提供一種新思路。

1 變頻發電技術應用

變頻發電技術根據工作機理可分為靜止型變頻發電和旋轉型變頻發電。

靜止型變頻發電利用電力電子技術和電力電子器件，通過控制開關通斷時間和頻率實現對發電機輸出電能的變頻調壓，以滿足電網供電要求。典型的應用就是風力發電，由于風速不可控制，輸出電能原始頻率不能滿足電網要求，利用電力電子變頻裝置可以實現恒頻輸出[2]。嚴格來講，風力發電屬于靜止型變速恒頻發電。

旋轉型變頻發電利用原動機帶動發電機，通過控制原動機轉速和發電機勵磁實現變頻調壓。其中原動機既可以是柴油機、汽輪機等，也可以是電動機。電動機作為原動機時多應用于固定變頻比變頻發電，電動機通過原始電網驅動，利用電動機與發電機之間極對數的匹配關系得到滿足頻率要求的電能。日本電力系統中50 Hz電網與60 Hz電網就是利用這樣的變頻機組實現不同頻率電網之間的電能交換[3]。原動機為柴油機、汽輪機等速度可調動力裝置時，即可帶動發電機產生頻率可控的電能。由于原動機在低轉速時一般效率較低，經濟性較差，這種變頻發電技術尚無成熟應用。

作為可以規避大功率電力電子器件限制的一種途徑，旋轉型變頻發電具有系統結構簡單且不存在電磁污染問題等優點，將其應用于大功率永磁同步電動機控制領域值得深入探索。

采用旋轉式變頻發電技術的永磁同步電動機控制系統屬于電壓源型供電，由于沒有電力電子器件，電壓波形嚴格正弦變化，不存在電壓諧波，因此避免了由于諧波而引起的電機損耗。而且，不存在非正弦供電下電流諧波產生的諧波轉矩，可以有效抑制永磁同步電動機轉矩脈動。

2 控制方法選擇

永磁同步電動機變頻調速系統分為他控變頻調速系統和自控變頻調速系統。前者通過變頻電源獨立控制永磁同步電動機供電電壓和頻率的調節，實現永磁同步電動機的開環控制，如壓頻比控制。后者利用電機軸系安裝的轉子位置檢測器來控制變頻器的觸發脈沖，實現永磁同步電動機的閉環控制，如空間矢量控制和直接轉矩控制。

基于旋轉型變頻發電技術的永磁同步電動機調速方法，發電機勵磁控制可以實現調壓。但由于原動機調速是機械運動過程，時間常數較大，無法滿足矢量控制和直接轉矩控制的要求，因此該系統中永磁同步電動機宜采用壓頻比控制。永磁同步電動機的壓頻比控制特性如圖1所示。

低速運行時，考慮到定子繞組電阻和漏感的電壓補償，相應提高啟動電壓。當永磁同步電動機高于額定轉速運行時，定子線圈感生電動勢E0隨轉速升高而增大，由于受發電機最高供電電壓限制，必須對永磁同步電動機進行弱磁。永磁體產生的磁場無法控制，只有通過調節定子電流直軸去磁分量id實現弱磁，需要進行坐標變換和電流矢量控制。這在壓頻比控制方式下難以實現，所以永磁同步電動機在恒功率運行區段難以實現較廣的調速范圍。

3 調速系統結構原理

基于旋轉型變頻發電技術的永磁同步電動機調速系統主要由執行機構和控制機構組成，系統結構如圖2所示。

執行機構包括原動機、發電機、永磁同步電動機和負載，原動機帶動發電機旋轉發電，輸出電能通過電纜直接為永磁同步電動機供電以驅動負載。控制機構通過測速裝置測得當前原動機轉速信號，分別進入轉速控制通道和勵磁控制通道。進入轉速控制通道的轉速信號與給定轉速信號進行比較，作為原動機調速器輸入實現原動機轉速調節，從而達到調節發電機發電頻率的目的；進入勵磁控制通道的轉速信號首先經過V/f特性曲線獲得與當前轉速相適應的電壓幅值，通過控制勵磁使電壓幅值跟蹤轉速變化。為了使發電電壓嚴格按照V/f特性曲線變化，采用電壓閉環控制。

原動機與發電機構成的變頻機組采用轉速閉環和電壓閉環實現供電電壓和頻率的控制。永磁同步電動機由變頻機組直接供電，采用的是轉速開環、電壓閉環的調速方式，與異步電機VVVF（變頻變壓）系統相同。其中，V/f特性曲線可以根據不同的負載進行選擇。發電機與永磁同步電動機之間的轉速有如下關系：

式中：nG和nM—發電機和永磁同步電動機轉速；fG和fM—發電機發電頻率和永磁同步電動機供電頻率；PG和PM—發電機和永磁同步電動機極對數。

根據fG=fM和公式（1）、（2）得到發電機與永磁同步電動機之間的轉速與極對數之間的關系（見公式3）。據此，可以通過極對數的相互匹配來滿足負載轉速要求。

4 系統運行特性研究

4.1 失步問題

如果永磁同步電動機的負載轉矩波動，功角在允許范圍內變化，同時電磁轉矩相應變化以使電機同步穩態運行。當負載轉矩超過當前轉速和定子電壓下所能輸出的最大轉矩時，永磁同步電動機就會出現失步現象。此時，必須采取措施，提高定子電壓幅值，防止電機進入失步運行狀態。

由于該系統中永磁同步電動機采用轉速開環控制，電動機一旦進入失步運行狀態，無法通過自動調節將電機拉回同步轉速。所以，首先必須充分了解該系統中永磁同步電動機的負載特點，在選擇V/f特性曲線時，要使電動機運行點與極限點留有一定裕度，使系統能夠承受一定的轉矩波動，不至于因為較小的負載轉矩變化而導致電機失步。當永磁同步電機嚴重失步時應立即切除電源，

4.2 啟動特性

永磁同步電動機的啟動性能十分重要，對于電機的使用壽命有重要影響。受機械慣性影響，永磁同步電動機啟動時轉速變化滯后于定子旋轉磁場轉速變化，電機處于異步運行狀態。由于永磁同步電動機同步電抗小，異步啟動時電流過大，啟動轉矩過高，必須采取相應的措施。

變頻電源供電時永磁同步電動機常采用軟啟動方式[6]，從靜止開始逐漸升頻變頻起動，可以明顯改善啟動性能。該系統可以通過控制原動機上升速率實現永磁同步電動機的軟啟動。

5 仿真分析

為進一步研究基于旋轉型變頻發電技術的永磁同步電動機調速方法，利用 MATLAB中Simulink仿真模塊，搭建簡單系統模型（如圖3）進行仿真分析。其中，原動機模型簡化為簡單的轉速閉環的功率調節裝置。永磁同步電動機極對數PM=8，發電機極對數PG=2。由公式3可知，當系統穩定時，發電機轉速為永磁同步電動機轉速的4倍。

1) 調速特性仿真分析

仿真永磁同步電動機從靜止起步加速至 300 r/min。設定原動機加速至1200 r/min，加速時間由轉速給定模塊設定，結果見圖4～圖6。

通過仿真結果可知，發電機電壓幅值隨轉速上升而逐漸增大。永磁同步電動機的轉速與發電機轉速之間存在著比例關系，可以通過控制發電機的加速曲線實現對永磁同步電動機調速控制。

永磁同步電動機需要加速時，改變原動機給定轉速，原動機通過轉速調節提高變頻機組供電頻率，永磁同步電動機定子旋轉磁場同步轉速隨之上升，電機經過一段加速過程后遷入同步轉速。電機的加速時間取決于原動機的加速時間 T1和原動機轉速穩定后永磁同步電動機牽入同步轉速所需的時間T2。由于原動機加速和永磁同步電動機加速幾乎同步進行，T2相對T1來說很小，所以電機的加速性能主要受原動機加速性能的影響。電機減速與加速過程類似。

2) 啟動特性分析

仿真永磁同步電動機在不同轉動慣量負載情況下的空載啟動特性。直接啟動時原動機給定轉速為1000 r/min，軟啟動時轉速給定1 s內增至1000 r/min，結果如下：

通過仿真結果可知，采用直接啟動方式，當轉動慣量較小時，永磁同步電動機轉速經過幾次波動后能夠快速進入同步運行（見圖7）；當轉動慣量較大時，由于電機響應較慢，啟動后進入失步狀態，轉速出現震蕩并呈指數衰減最后穩定在同步轉速（見圖8）；若轉動慣量過大，電機將進入嚴重失步狀態，轉速一直波動且無法趨于穩定。

采用軟啟動方式時，原動機轉速從靜止逐漸加速至1000 r/min，即使當轉動慣量較大，永磁同步電動機轉速經過幾次波動后逐漸拖入同步運行（見圖9），相比直接啟動轉速波動得到了很大抑制，極大改善了啟動性能。若再增加原動機加速時間，轉速波動現象可進一步抑制，而此時電機啟動時間變長。所以在選擇原動機加速時間時要綜合考慮啟動性能和電機啟動時間，而且轉動慣量的大小對于加速時間的選取有重要影響。

六 結論

本文介紹的基于旋轉式變頻發電技術的永磁同步電動機調速系統不依賴于大功率變頻器。通過研究相關理論，對系統的運行特性進行了分析，并通過建立系統仿真模型研究了永磁同步電動機壓頻比調速方式下的調速特性和啟動特性，為進一步開展相關研究提供重要參考。

[1]雷波. 永磁同步電動機控制策略研究及仿真 [碩士論文]. 武漢理工大學，2008.

[2]尹玲玲, 胡育文. 交流電機變速恒頻風力發電技術[J]. 電氣傳動, 2005, 35 (10):7-10.

[3]Worawut Sae-Kok, Akihiko Yokoyama, Suresh C.Verma, Shigeaki Ogawa. Excitation control System design of rotary type frequency converter for performance improvement of power system dynamics.IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006,(3):210-220.

[4]許大中，賀益康.電機控制[M]. 杭州：浙江大學出版社，2009.

[5]李兵強，林輝. 新型永磁同步電動機高進度調速系統.中國電機工程學報，2009, (5)：61-65.

[6]陳鳴，姚有光，唐海源. 永磁同步電動機在變頻電源供電下的啟動. 中小型電機，1997,（24）：54-56.