風力發電變槳伺服電機啟動策略的探究

徐 斌，蔡羅強，易靈芝，張甲兵

（1.湘潭大學 信息工程學院，湖南 湘潭 411100；2.湘電集團技術中心，湖南 湘潭 411105）

0 引言

變槳驅動器作為風力發電變槳系統中重要的組成部分，對執行的伺服電機起控制作用，伺服電機在風機槳葉角度變化過程中直接起著驅動作用。直流電機結構簡單、啟動轉矩大、過載能力強，當驅動器出現問題時，可由備用直流電源直接拖動電機進行緊急順槳，加上考慮行業成本因素，所以直流伺服電機在風力發電變槳領域占有一席之地。

目前兆瓦級風機的槳葉材質一般采用碳纖維增強塑料，制造的槳葉薄、剛性好，減輕了風機的重量，但是，變槳啟動時，為了有好的動態響應，必須盡量縮短伺服電機的啟動時間，如果啟動電樞電流為電機過載能力所允許的最大電流值，必然會以最大的轉矩啟動，但容易損壞風機槳葉等附件。所以，本文提出了一種伺服電機啟動控制方式，既能將啟動電樞電流控制在允許的過載電流范圍內，又能提供大的轉矩，實現快速變槳，滿足快速動態響應的需求。

1 永磁直流電機的啟動方法

1.1 全壓啟動

全壓啟動是直接將電動機接到額定電壓下啟動，由公式Ia=（U-Ea）／Ra、Ea=CeΦn和T=CTΦIa（其中，Ce為電動勢常數，CT為轉矩常數，T為電磁轉矩，U為電樞電壓，Ra為電樞電阻，Ea為感應電動勢，Ia為電樞電流，n為電動機轉速，Φ為磁通量）可知，全壓啟動初始階段，轉速n從零開始增大，電動機的電樞繞組Ra很小，而感應電動勢Ea不能瞬間增大，此時電機電樞中電流Ia會突增，過大的電流將使電樞過熱，降低使用壽命，同時會使電動機換向時產生強烈火花，而與電流成正比的電磁轉矩很有可能損壞傳動結構。此種啟動方式雖然操作簡單，不需要添加其他設備，但只適用于小型電動機，對于脆弱的變槳傳動結構和采用碳纖維增強塑料材質的槳葉是不適合的。

1.2 分級啟動

分級啟動其實質是在電機啟動過程中，將電阻串聯到電動機電樞和電源兩端，通過不同時段切除電阻的方法，改變電機的機械特性，將啟動電流限制在允許的范圍內，達到安全啟動的目的。

圖1為永磁直流電機分級啟動的機械特性。其中，I1為最大啟動電流，I2為最小啟動電流，IN為電機額定電流，n0為直流電機空載轉速。啟動開始時，電機電樞在接有三級啟動電阻R1、R2和R3的情況下啟動加速，此時電機運行在第一條特性曲線n0ba上的ab段；在加速過程中，轉速n沿ab線段逐漸上升，而電樞電流Ia則逐漸變小，隨著電流的減小，電機的轉矩值下降，為了使電機得到較大的加速度，當轉速升到b點時，將第一級電阻R1切除，在電阻R1切除的瞬間，由于電機的慣性，轉速n不能突變，電樞電動勢Ea也保持不變，由直流電動機電樞電流公式Ia=（UEa）／Ra可知，電樞兩端電壓U不變，Ea不變，當Ra減小時，Ia增加，所以電樞電流Ia將隨R1被短接而突增，圖1中表現為從b點過渡到c點，同時，電機的轉矩也按比例增加，R1切除后，電機便運行在第二條啟動特性曲線n0dc上；重復之上的運行過程，使電機有較均勻的加速度，沿著固有特性繼續加速，當輸出轉矩值等于負載轉矩時，電機進入平穩運行。該啟動方式能緩和轉矩對傳動機構與工作機械的有害沖擊，改善電動機的換向情況，但是變阻器比較笨重，需要消耗許多能量，用于風機上加重了機身的重量，同時不能給定一個恒定增大的轉矩值，不適合于風機變槳伺服電機的啟動。

2 直流伺服驅動器的構成

2.1 驅動器的控制框架

直流伺服驅動器控制系統的結構框架如圖2所示。主要由6個模塊組成：以DSP芯片R5F70844AD80FPV為處理器的核心處理單元；電壓、電流、位置信號的檢測單元完成閉環控制的信號檢測采集過程；晶閘管主電路模塊驅動電機轉動；觸發電路實現直流電機的調速；上位機模塊實時改變控制伺服電機的各類參數，根據實際需要達到最優控制；LED顯示實時監測的電機轉速、故障信號等。

圖1 永磁直流電機分級啟動的機械特性

圖2 直流伺服驅動器控制系統的結構框架

2.2 驅動器的正反橋主電路結構

圖3為驅動器的正反橋主電路結構。主電路由12個晶閘管構成正反橋可逆電路，可實現直流電機的正轉和反轉，三相交流輸入的電壓標準值為380V，整流濾波直流輸出側的電壓為520V左右。因關斷時環路中寄生電感的作用，晶閘管在關斷時兩端所承受的尖峰電壓可以達好幾百伏，因此也在晶閘管兩端并聯了阻容電路來吸收尖峰電壓。根據需要，選取的晶閘管型號為MCC 95-16iO1B，其反向重復峰值電壓為1 600V，額定正向平均電流為95A，滿足變槳伺服驅動器功率和裕量的要求。

圖3 驅動器的正反橋主電路結構

2.3 晶閘管觸發電路模塊

圖4為晶閘管觸發電路模塊。由Q1、Q2構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TR以及附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分組成。當Q1、Q2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖，D1和R3是為了使Q1、Q2由導通變為截止時脈沖變壓器TR釋放其儲存的能量而設的。

3 驅動器主系統控制思路及其軟件功能實現

根據風力發電變槳的需求，驅動器輸出可控的直流電壓，控制伺服電機的正轉、反轉、調速、制動，以達到變槳控制系統精確槳葉位置控制和快速動態響應的要求。驅動器主系統控制程序流程如圖5所示。系統完成上位機對各額定值的讀取及各參數的初始化設置，為了使開通晶閘管的觸發脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持合適的相位關系，同時觸發電路工作頻率與主電路交流電源頻率保持一致，利用一個同步變壓器，將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號。

圖4 晶閘管觸發電路模塊

圖5 驅動器主系統控制程序流程圖

驅動器的主電路是三相橋式反并接可逆電路，三相橋式全控整流電路的6個晶閘管觸發脈沖相位依次相差60°，相位控制是以變流電路的自然換相點為基準，經過一定的相位延遲后，再輸出控制信號給晶閘管觸發電路，產生相應的觸發脈沖。以C相電壓為例，DSP芯片檢測到C相同步電壓信號，啟動定時器工作，當定時器計數溢出，輸出第一個脈沖觸發的控制信號，同時上次給予晶閘管導通的控制電路補發一次觸發脈沖的控制信號，這樣實現了全控電路的雙脈沖觸發，避免了因為電網波動所帶來的電位誤差。這種雙脈沖觸發方式，能防止脈沖變壓器飽和，降低了觸發電路的功率。

同時在整流輸出端采用電壓輸出的閉環控制，實現輸出直流電壓連續可調。利用DSP芯片采集輸出的直流電壓信號，并與程序中所預設的輸出電壓值進行比較，若小于預設值，則繼續進行觸發脈沖的移相處理，增大輸出電壓，直到輸出電壓和輸出電壓預設值相等，則保持恒定輸出，完成啟動。

4 仿真輔助及結果比較分析

以Simulink仿真平臺為輔助，設計仿真參數，將得到的降壓啟動電流波形與分級啟動和直接啟動的仿真電流波形作比較，如圖6～圖8所示。

降壓啟動方法與分級啟動、全壓啟動相比，降壓啟動能將電樞電流限制在驅動器的過載電流可承受范圍之內，縮短了啟動時間，加快了整個驅動器的響應，同在變槳過程中漸變大的轉矩保護槳葉和伺服電機之間的傳動機械，是符合風力發電變槳系統的需求的。

圖7 分級啟動電流波形

圖6 降壓啟動電流波形

圖8 全壓啟動電流波形

［1］ 竇真蘭，王晗，凌志斌，等.電動變槳距控制系統設計與實現［J］.電力電子技術，2011（7）：1-2.

［2］ 顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］ 王兆安，劉進軍.電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］ 郝浩，李宏.基于單片機的晶閘管觸發器的設計［J］.電子設計工程，2009（2）：2-3.

［5］ 洪乃剛.電力電子、電機控制系統的建模和仿真［M］.北京：機械工業出版社，2011.