混合勵磁電機(jī)控制技術(shù)

田新昊

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

混合勵磁電機(jī)控制技術(shù)

田新昊

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

混合勵磁電機(jī)不僅具有永磁電機(jī)的特點還具有起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣的優(yōu)點。同時在發(fā)電運行時，具有較寬的電壓調(diào)節(jié)能力，因此在工業(yè)生產(chǎn)中廣受好評。闡述混合勵磁電機(jī)的基本特點，著重對混合勵磁電機(jī)的控制技術(shù)進(jìn)行分析。

混合勵磁電機(jī)；永磁電機(jī)；控制分析

0 引言

永磁電機(jī)以體積小、動態(tài)響應(yīng)性能好、效率高等優(yōu)點著稱，但由于其固有特性，調(diào)速范圍有限等特點，在特定場合下工作能力有限[1]。如何實現(xiàn)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)與控制是研究永磁電機(jī)的一大難點。有效改變永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，引入輔助電勵磁繞組，實現(xiàn)氣隙磁場合理靈活調(diào)節(jié)的“混合勵磁”的思想提出[2]，得到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。本文介紹了混合勵磁電機(jī)的基本特點，并對其控制技術(shù)進(jìn)行了著重分析。

1 混合勵磁電機(jī)基本特點

混合勵磁亦可稱為組合勵磁或復(fù)合勵磁，它是由兩種勵磁互相作用，來實現(xiàn)電磁能量之間的轉(zhuǎn)換，是對單一勵磁的補(bǔ)充延伸，可以改善電機(jī)的調(diào)速、驅(qū)動性能。混合勵磁電機(jī)擁有兩種勵磁源：一種永磁勵磁源；另一種電勵磁源。兩種勵磁源磁場在氣隙中共同作用產(chǎn)生電機(jī)內(nèi)主磁場[3]。為滿足恒功率調(diào)速范圍的寬廣性和驅(qū)動負(fù)載低速、大轉(zhuǎn)矩的特性，需要對電機(jī)磁場進(jìn)行弱磁控制和增磁控制，可通過調(diào)節(jié)電勵磁繞組的電流大小和方向的方式進(jìn)行。

2 混合勵磁電機(jī)控制技術(shù)

混合勵磁電機(jī)與永磁電機(jī)相比，增加一個可控制勵磁電流變量，在控制上，可對電樞繞組電流和勵磁繞組電流分別控制，也可以根據(jù)事實環(huán)境對兩者協(xié)調(diào)控制。目前對混合勵磁電機(jī)的研究主要是轉(zhuǎn)子永磁型混合勵磁同步電機(jī)及控制系統(tǒng)，深入了解其數(shù)學(xué)模型和控制方法，可以把握混合勵磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的一般控制方向[4]。

d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下轉(zhuǎn)子永磁型混合勵磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓方程如下

(1)

式中，Ud、Uq—電樞端電壓d軸、q軸分量；id、iq—電樞電流d軸、q軸分量；Ld、Lq—d軸、q軸電感；R—定子相電阻；ω—轉(zhuǎn)子電角速度；Ψh—旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，混合勵磁磁場定子繞組的磁鏈。

其中，混合勵磁電機(jī)中的Ψh是永磁體基波磁鏈Ψf與直流勵磁電流產(chǎn)生磁鏈之和

Ψh=Ψf+LfrIfr=kfΨf

(2)

式中，Lfr—旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，勵磁繞組與電樞繞組之間的互感；Ifr—旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電勵磁電流；Kf—磁場調(diào)節(jié)系數(shù)。

電磁功率可表示為

Pe=ω[(Ψf+LfrIfr)iq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(4)

式中，Ω—機(jī)械角速度；Pn—永磁體極數(shù)。

電樞端電壓為

U=

(5)

電機(jī)效率為

(6)

式中，Pt—電機(jī)的磁滯損耗等；Pj—電樞繞組和電勵繞組共同產(chǎn)生的銅耗，Pj=mRI2+RfIfr2。

通過式(1)～式(6)可以得知，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，混合勵磁電機(jī)與永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型有相近之處，混合勵磁電機(jī)的控制方法可以借鑒永磁同步電機(jī)，唯一的區(qū)別是混合勵磁電機(jī)有電流的引入，使得功率、轉(zhuǎn)矩、電樞端電壓和效率方程都增加一個控制變量，可調(diào)整電樞電流和勵磁電流滿足不同驅(qū)動系統(tǒng)對功率、轉(zhuǎn)矩等的要求。

對于混合勵磁電機(jī)的調(diào)控，關(guān)鍵在于電樞電流和勵磁電流協(xié)同控制，滿足相應(yīng)控制系統(tǒng)的要求。混合勵磁電機(jī)變速驅(qū)動系統(tǒng)典型控制原理框圖見圖1。

圖1 混合勵磁電機(jī)變速驅(qū)動系統(tǒng)典型控制原理框圖

由圖1可知，隨著電勵磁電流變量的引入，系統(tǒng)需要額外的勵磁電流分配控制器和勵磁電流控制器對勵磁電流進(jìn)行調(diào)解控制，有利也有弊，控制手段雖然靈活，但是控制系統(tǒng)的復(fù)雜性相應(yīng)增加。

混合勵磁電機(jī)的效率要低于同類型的永磁電機(jī)，是由于電勵磁繞組的存在，使得在電機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)控和增磁調(diào)控時，存在多余勵磁損耗。為提高混合勵磁電機(jī)的能量效率，可以優(yōu)化混合勵磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高電勵磁效率，減少勵磁損耗；還可以通過驅(qū)動系統(tǒng)中勵磁電流分配控制器的設(shè)計改變，使得電樞電流和勵磁電流協(xié)同工作，在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持較高效率。混合勵磁雙凸極電機(jī)與雙凸極永磁電機(jī)的效率分布圖見圖2。

圖2 混合勵磁雙凸極電機(jī)與雙凸極永磁電機(jī)的效率分布圖

可以看出，混合勵磁雙凸極電機(jī)受到勵磁損耗的影響，系統(tǒng)在低速區(qū)效率明顯低于永磁電機(jī)；在額定工作區(qū)域內(nèi)，兩者相近；在偏離額定工作點時，雙凸極永磁電機(jī)調(diào)速范圍窄，電機(jī)效率下降明顯，二雙凸極混合勵磁電機(jī)，有了電樞電流和勵磁電流協(xié)同配合，在寬范圍內(nèi)保持電機(jī)較高效率。

3 結(jié)語

混合勵磁電機(jī)用作電動機(jī)時具有起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣的優(yōu)勢，增加一個可控制勵磁電流變量，在控制上可對電樞繞組電流和勵磁繞組電流分別控制，也可以根據(jù)事實環(huán)境對兩者協(xié)調(diào)控制。通過對混合勵磁電機(jī)控制技術(shù)的分析，明確電樞電流與勵磁電流協(xié)同配合時，使得電機(jī)具有較高效率。

[1] Nagayama K, et al. Generator characteristics of hybrid excitation brushless synchronous machines[C].IEE,Japan,Stud yon Semiconductor Power Conversion,1994:SPC94-105.

[2] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] Amara Y,Oujehani K,Hoang E.Flux weakening of hybrid synchronous machines[C].Electric Machines and Drives Conference,2001:367-373.

[4] 朱孝勇,程明,趙文祥，等.混合勵磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008,23(1):30-39.

Control Technology of Hybrid Excitation Electric Machine

TianXinhao

(Jiamusi Explosion-Proof Electric Machine Institute, Jiamusi 154005, China)

Hybrid excitation electric machine not only has the characteristic of permanent-magnet electric machine, but also has the advantages of high starting torque and wide adjustable-speed range. The electric machine simultaneously has stronger ability of regulating voltage when it runs as generator, so it is critically acclaimed in industrial production. This paper introduces basic characteristics of hybrid excitation electric machine, and chiefly analyzes its control technology.

Hybrid excitation electric machine；permanent-magnet electric machine；control analysis

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.07

TM331

A

1008-7281(2017)01-0026-002

田新昊 男 1991年生；畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事防爆檢驗工作。

2016-08-09