諧波電流注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭　溪，趙曉宇

（武漢船用推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

諧波電流注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭溪，趙曉宇

（武漢船用推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

諧波電流注入式多相永磁電機(jī)的綜合性能高，可在艦船電力推進(jìn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)該電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，確定變頻控制系統(tǒng)的控制方法和電流分配策略。仿真分析結(jié)果表明了方法和策略的可行性。

變頻控制多維矢量控制多相電機(jī)諧波電流

0引言

多相永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、對(duì)功率器件容量要求較低和容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，受到研究和工程人員的重視，且有許多研究成果［1］。諧波電流注入式多相永磁電機(jī)采用集中繞組，氣隙磁密和反電動(dòng)勢(shì)為平頂波，如果注入次數(shù)小于相數(shù)的諧波電流，可產(chǎn)生額外的平均轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩密度［2］。此外，該電機(jī)可仿照永磁同步電機(jī)中基波電流的控制方法，對(duì)各次諧波進(jìn)行基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的矢量控制，降低了控制難度［3-5］，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩性能、高可控性和高可靠性，在船舶推進(jìn)、電動(dòng)汽車和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域可得到良好應(yīng)用。本文對(duì)諧波電流注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

不計(jì)飽和、磁滯、渦流和齒槽影響，且假設(shè)定子各相對(duì)稱，可建立諧波電流注入式五相永磁電機(jī)在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。與三相電機(jī)矢量控制建立電機(jī)模型的方法類似，如果只考慮定轉(zhuǎn)子的基波和3次諧波磁動(dòng)勢(shì)，則可得到電機(jī)在多維d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型［3］。如圖1所示，多維d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系包含d1-q1和d3-q3坐標(biāo)系，前者以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)，后者以轉(zhuǎn)速3ω旋轉(zhuǎn)。因此，通過坐標(biāo)變換，自然坐標(biāo)系下電機(jī)的空間矢量（電壓、電流、磁鏈）分別映射到d1-q1，d3-q3坐標(biāo)系下，從而得到如式（1）-（4）所示的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。

其中式（1）為電壓方程，（2）為磁鏈方程、（3）為轉(zhuǎn)矩方程、（4）為運(yùn)動(dòng)方程。ud1，uq1，id1，iq1，Ψd1，Ψq1，Ld1，Lq1分別為d1-q1坐標(biāo)系的d、q軸定子電壓、電流、磁鏈和電感，ud3，uq3，id3，iq3，Ψd3， Ψq3，Ld3，Lq3分別為 d3-q3坐標(biāo)系的d、q軸定子電壓、電流、磁鏈和電感，rs為定子電阻，ψm1和ψm3分別為永磁體磁鏈的基波和3次諧波的幅值，ωr和ωm分別為轉(zhuǎn)子電氣和機(jī)械轉(zhuǎn)速。

2系統(tǒng)變頻控制模型

根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合多維矢量控制方法［4］，可建立如圖2所示的諧波注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)模型。該模型依據(jù)轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速PI控制器調(diào)節(jié)電流，因此包含了電流（id1、iq1、id3、iq3）環(huán)和速度環(huán)。其中id1、iq1、id3、iq3由相電流經(jīng)擴(kuò)展Park變換而得到。電流控制策略為id1=id3=0，該策略可實(shí)現(xiàn)表貼式永磁電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制。特別地，為控制諧波電流注入量，并按照保持相電流有效值不變的原則對(duì)各子空間的交軸電流幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，則需令各d、q軸電流給定值為，

其中，R為相電流第3次諧波與基波分量的幅值之比。對(duì)于永磁電機(jī)，可令R等于反電動(dòng)勢(shì)第3次諧波與基波分量的幅值之比，以產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩。I*為速度環(huán)PI的輸出。

此外，系統(tǒng)的調(diào)制方法采用空間電壓矢量調(diào)節(jié)（SVPWM），電機(jī)參數(shù)可通過計(jì)算或測(cè)試得到，PI控制器的參數(shù)設(shè)定以系統(tǒng)穩(wěn)定裕量大為原則進(jìn)行整定。

3仿真驗(yàn)證

基于諧波注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的模型，建立該系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型。其中仿真參數(shù)設(shè)置如下：給定轉(zhuǎn)速S=150 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于樣機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，即TL=100 Nm，仿真時(shí)間tsm=0.2 s。給定d1-q1電流環(huán)開環(huán)截止頻率ωcc1=300 Hz，d3-q3電流環(huán)開環(huán)截止頻率ωcc3=900 Hz，Ld1=Lq1=Ld3=Lq3=2 mH，ψm1=0.128 Wb，ψm3=0.0298 Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.13 kg·m2。根據(jù)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，設(shè)定R=0.23，即電機(jī)理想的相電流包含第3次諧波分量，且該分量與基波分量的幅值之比等于0.23。

圖3分別給出了諧波電流注入情況下，電機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（0.016 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)）時(shí)在dq坐標(biāo)系和相坐標(biāo)系下的電流。可見，通過采用多維dq矢量控制，電流實(shí)際值與給定值之間的誤差很小，例如，各個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的勵(lì)磁電流平均值接近為0，即實(shí)現(xiàn)了id1=id3=0的控制。對(duì)穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行諧波分析，可知相電流的有效值為20.18A，基波電流幅值等于27.2 A，第3次諧波電流幅值等于6.4 A，即第3次諧波與基波的幅值之比等于0.235。此外，改變給定轉(zhuǎn)速，變頻控制系統(tǒng)仍然可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和相電流的控制。

4結(jié)語

本文分析了諧波電流注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)矢量控制的角度出發(fā)，不考慮電機(jī)非線性和高次諧波影響，建立了電機(jī)多維dq數(shù)學(xué)模型。

其次，建立了系統(tǒng)控制模型，并按照相電流各次諧波分量的設(shè)定方法，確定了各d、q軸電流給定值；最后建立了系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明諧波電流注入式五相永磁電機(jī)變頻控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)速度條件下相電流的控制，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

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Design of Variable-frequency Control System for Five-phase Permanent Machine with Harmonic Current Injected

Peng Xi，Zhao Xiaoyu
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Multiphase permanent magnet motor with harmonic current injected is widely used in marine electric propulsion system because of the high overall performance.In this paper，the design of variable frequency control system of the motor is analyzed，the mathematical model of the motor is established，and the control method and the current distribution strategy are determined.Simulation results show the feasibility of the method and strategy.

variable frequency control；multi-dimension vector control；multiphase machine；harmonic current

TM343

A

1003-4862（2016）07-0014-03

2015-12-15

彭溪（1990-），女，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。