橫向磁通電機各相獨立控制策略研究

楊鋒權

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橫向磁通電機各相獨立控制策略研究

楊鋒權

（中國人民解放軍 4805 工廠象山修船廠（海申機電總廠），浙江寧波 315700）

本文分析了橫向磁通各相異性的特點，提出了不同于傳統三相矢量控制的控制方法，即三角函數法各相獨立控制。分析了各相獨立控制的原理，建立了數學模型，并與傳統控制方法進行了對比仿真，仿真結果表明：三角函數法各相獨立控制能很好的平衡各相電流，控制策略優于傳統方法。

橫向磁通電機 各相獨立 單相坐標變換

0 引言

德國不倫瑞克理工大學(Brunswick)的Herbert Weh 教授在20世紀80年代提出的橫向磁通電機(Transverse flux motor, TFM)結構思想[1,2]，對提高電機的轉矩密度具有重要意義。一般來講，TFM有著有別于其他類型電動機的特征[3]：1）電動機各相之間完全物理隔離，因此相間無電磁耦合；2）電動機的磁路真正是三維的；3）簡單螺線管線圈和與其成套的定子鐵芯耦合，構成每一相的電樞繞組；4）轉子結構使磁通集中，以便產生高氣隙磁密；5）無需折中幾何尺寸，即可改變磁路結構和線圈區域。

各國學者橫向磁通電機的驅動控制隨著電機的研究而開展了大量的研究工作，提出了如下幾種主要的驅動控制：1）方波電流控制[4]。2）三相正弦波通用變頻器的驅動控制[5]。3）三相方波變頻器驅動控制。

橫向磁通電機整體由若干個小功率電機模塊組合而成，每個模塊包括一相或多相，每相只需一組集中式繞組，且各相之間實現了電磁和結構的雙重解耦的結構。基于這些特點，本文提出了采用三相變頻器驅動三相開繞組橫向磁通永磁電機的各相獨立控制方案。

1 橫向磁通永磁電機的相間不平衡特性

由于橫向磁通電機各相之間完全物理隔離，因此相間無電磁耦合。所以，制造過程中存在相間反電動勢的大小和相位不平衡。

1）相間反電動勢大小不一致。實驗用200 kW六相橫向磁通永磁電機的各相的反電動勢在相同的轉速下，由其工藝和制造的差異，導致磁場不一致，從而反電動勢大小不同。

2）相位差不一致。橫向磁通電機不同相之間的相位差完全是由機械角度的偏差決定。設計時，是通過定子的繞組偏差和轉子的磁極偏差共同形成相位差。實際的機械加工中由于制造工藝的限制，又由于橫向磁通的極數很多，實際電機的相位差與設計值存在偏差。

如下是200 kW六相橫向磁通永磁電機的反電動勢設計值、以及通過試驗測得的一個通道實際值。

1）額定轉速時，反電勢有效值約：260 V。

2）以發電運行，轉速約為110 rpm時的空載反電勢結果來分析反電勢的幅值不平衡量：A1p=350 V，B1p=341 V，C1p=337 V。δ1%（以峰值計算不平衡量）=13/350~~ 13/337= 3.7%~ 3.86%。

3）以發電運行，轉速約為110 rpm時的空載反電勢結果來分析反電勢的相角不平衡量。實測值：A1=0°, B1=115.4°, C1=236.6°。理想值：A1=0°, B1=120°, C1=240°。δab%= 4.6/120= 3.83%; δac%=3.4/120=2.83%。

2 傳統的三相開繞組永磁電機矢量控制策略

首先在對200 kW橫向磁通永磁電機進行了單通道（一個三相）的控制采用傳統的三相開繞組永磁同步電機的控制方法。三相開繞組永磁電機的控制策略與三相Y型永磁同步電機的控制策略相似，不同之處是：對每個繞組進行電流采樣和PWM的生成。

以實際電機的第1通道的反電動勢在Matlab/Simulink下建立仿真，仿真結果如圖1。

圖1傳統的三相開繞組永磁電機矢量下各相電流

從圖1可知，由于相間的反電動勢的相位偏差和大小不等，導致采用傳統的永磁同步電機轉子磁鏈定向矢量控制三相電流存在偏差，偏差為20 A。

3 橫向磁通永磁電機的各相獨立控制

對各相進行獨立控制時，實際上控制多個單相交流永磁電機。單相交流永磁電機的控制策略有多種形式，如：1）轉速環與電流跟蹤型控制。2）雙閉環的控制方式。本文采用后者進行分析。雙環中的外環為轉速環，內環為電流環。電流環在采用旋轉坐標系下的dq軸電流分量進行PI調節。在三相電機系統中，可通過電流的旋轉坐標變換來解決這個問題。而在單相系統中，由于只有一相電量，故無法直接利用旋轉坐標變換。如下分析在單相的旋轉坐標系下，對電流進行閉環控制。

3.1 TFPM各相獨立控制原理

建立了各相獨立控制的控制框圖，如圖2。

在單相系統中運用旋轉坐標變換的原理，不同于三相系統。常見的方法是1/4周期延遲等效法。這種延遲1/4周期得到虛擬的β分量的方法常應用于固定基本周期的場合，如單相PWM整流中，對于單相電機在全速度范圍內基本周期變化，在低速時周期過長，在數字實現上存儲空間受限。且周期過長，β分量的時間滯后大。因此該方法不能應用于單相交流電機控制中，即不適用于本控制策略。

3.2 TFPM各相獨立控制數學模型

本文提出了三角函數法，并建立了如下數學模型。

1s/2r坐標變換過程中，dq軸存在交流分量，利用PI調節控制。坐標變換先將單相靜止坐標下的a定義為兩相靜止坐標系下的α分量，引入虛擬的靜止分量β，再進行2s/2r變換。

α、β及dq軸的建立，需以永磁電機為基礎。定義β軸超前α軸90°，q軸超前d軸90°。如圖2所示。

令

圖2 各相電流各相獨立控制的控制框圖

虛擬一個β分量，再進行坐標變換得到dq軸分量：

3.3 TFPM相位偏差的控制

在分析各種控制策略的過程中，采用一種較容易實現的控制方法：各相的相位解耦矢量控制，即在三相的坐標變換時，分別用其準確的相位代替120°。

在相位非對稱的三相系統中，C3s/2r-ayn：

非對稱的三相系統中，反變換C2r/3s-ayn：

3.4 仿真結果

在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了200 kW六相橫向磁通永磁電機的單通道各相獨立控制仿真模型，并進行仿真，三相輸出電流如圖3。可見，采用各相獨立控制，通道內，三相電流平衡。

圖3 各相獨立控制仿真結果

4 結論

通過原理分析與仿真，橫向磁通永磁電機采用三角函數法的各相獨立控制實現了各相的完全解耦控制，使得相間的相位和大小偏差引起的不平衡得到較好的抑制。

[1] Weh H, May H. Achievable force densities for permanent magnet excited machine in new configuration [C]. Proceedings of ICEM, Munchen, Germany, l986: l107-l1l1.

[2] Weh H, Hoffman H, Landrath J．New permanent magnet excited synchronous machine with high efficiency at low speed [C]. Proceedings of ICEM, Pisa, Italy, 1988: 35-40.

[3] 劉哲民, 陳謝杰, 陳麗香等. 基于3D-FEM 的新型橫向磁通永磁電機的研究[J]. 電工技術學報, 2006, 5(21): 19-23.

[4] 李亞旭. 橫向磁通電機拓撲結構初析[J]. 船電技術, 2003, 23(1): 8-12.French C D, Hodge C, Husband M．Optimised~rque control of marine transverse- flux propulsion machines[C]. Conference of IEE, Bath, UK, 2002.

Research on Each Phase Independent Control Method for Transverse Flux Motor

Yang Fengquan

(No.4805 Factory of PLA, Ningbo 315700, Zhejiang, China)

TM301.2

A

1003-4862（2014）08-0062-03

2014-02-24

楊鋒權（1975-），男，工程師。專業方向：電子技術應用。