采用Y/△變換擴大永磁同步電動機恒轉矩調速范圍的矢量控制系統研究

2017-04-20 08:07:00,,

電氣開關 2017年5期

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建　福州　350116)

1　引言

在永磁同步電動機(PMSM)交流調速系統中，當電機運行于額定點(額定轉速、額定轉矩)時，定子電壓受母線電壓的限制不能繼續提高，若要繼續提升電機的轉速，就需要進行弱磁調速，但弱磁調速是以犧牲轉矩來獲得轉速增加的，其無法滿足在高速時仍需要大轉矩的負載。如果在額定點以后，可以繼續提升電機的定子電壓，就可以在保證輸出轉矩不減小的前提下，增加電機轉速，實現恒轉矩區的拓寬。針對此問題，文獻[1-2]提出了高速PHM調制技術，利用過調制技術，可以提高逆變器直流母線電壓利用率，進而可以提高定子側電壓極限，擴大電機的恒轉矩區，但PHM電壓含有較大的高次諧波成分，導致電機損耗增加。文獻[3-4]采用Z源變換器，明顯提高了母線電壓，但也大大增加了系統體積與成本，電流控制也比較復雜。文獻[5]針對開繞組永磁同步電動機采用雙逆變器的拓撲結構，其實質上也是通過增大電機的定子電壓來實現擴速，但雙逆變器技術控制復雜，且成本較高。

本文針對以上問題提出了Y/△變換技術。Y/△變換技術現已被廣泛應用于異步電機的軟啟動、輕載節能等方面，然而將Y/△變換技術應用于擴展PMSM的恒轉矩區有更大意義。本文分析了在id=0的永磁同步電機矢量控制下，Y/△變換實現恒轉矩區擴展的原理；給出了Y/△變換矢量控制系統框圖；仿真和實驗都驗證了本文提出的主要論點：采用Y/△變換可以明顯地擴大永磁同步電動機的恒轉矩區。

2　永磁同步電動機Y/△變換矢量控制系統

2.1　開繞組永磁同步電動機數學模型

PMSM的Y/△變換需將Y型接法的PMSM內部中性點打開，定子側引出六個接線，即為開繞組永磁同步電動機，開繞組永磁同步電動機可以根據需要接成Y型、△型，內部接線和電磁關系沒有改變，其dq軸數學模型與傳統的Y型連接的永磁同步電動機大致相同(均采用恒磁鏈變換)。

磁鏈方程為：

(1)

電壓方程為：

(2)

轉矩方程為：

(3)

運動方程：

(4)

式中，Ld、Lq分別為電機繞組d軸電感、q軸電感：id、iq分別為電機繞組的d軸電流、q軸電流；Ψd、Ψq為電機的d軸磁鏈、q軸磁鏈；ud、uq為電機繞組的d軸電壓、q軸電壓；ω為轉子電角速度；RS是繞組相電阻;Ψf為永磁磁鏈；Te為電磁轉矩；B為電機旋轉阻力系數；J為轉動慣量；TL為電機負載轉矩。

2.2　Y/△變換擴大恒轉矩區的數學原理

PMSM矢量控制系統一般由電壓型逆變器驅動，因此電機運行受到三方面的制約：直流母線電壓限制SVPWM線性調制區的范圍；逆變器電流極限限制其輸出電流的能力；電機的最大溫升限制了其最大輸出電流。一般因為逆變器容量較大，系統只受到直流母線電壓和電機極限輸入電流的限制，根據這兩個條件可以寫出電壓極限圓方程[6]：

(Lqiq+ψf)2+(Ldid)2=(ulim/ω)2

(5)

電流極限圓方程：

(6)

永磁同步電機的電壓相量方程：

(7)

(8)

控制對象為隱極式永磁同步電動機時，id=0的控制策略即為最大轉矩電流比(MTPA)的控制策略，由公式(3)可得：

(9)

電機帶額定負載時，其q軸電流iq恒定，此時又id=0，Ld、Lq、Ψf近似為常數，由公式(5)可以得到結論：電機帶額定負載時，ω∝ulim，即隨著轉速的升高，電機電壓也在升高，當電機轉速到達基速，且帶額定負載時，電機電壓到達極限，即ulim限制著電機帶額定負載時的轉速。

圖1　Y接和△接時空間矢量合成與扇區劃分

其中Y接的電壓極限為(即圖1a內接圓半徑)：

(10)

ulim=Udc

(11)

圖2所示，為Y/△變換擴大PMSM恒轉矩調速范圍系統框圖，采用轉速外環、電流內環的雙環控制方式，采取id=0的控制方式，由Clarke變換及其逆變換、Park變換及其逆變換、外加Park變換及其逆變換(可以保持Y/△變換前后電流電壓相位幅值不變)、SVPWM、電機轉速計算、電流采樣及Y/△切換等幾個環節組成。

圖2　Y/△變換擴大PMSM恒轉矩調速范圍系統框圖

3　系統仿真分析

Matlab/Simulink模型庫里面的永磁同步電動機為Y型接法，無法接為△型，故搭建了開繞組永磁同步電機的Simulink仿真模型[7]。并且構建了采用Y/△變換的永磁同步電動機矢量控制仿真模型，模型結構如圖2所示。永磁同步電動機參數如下：相電感3.4mH，相電阻1.18Ω，極對數4，轉動慣量0.00082kg·m2。仿真環境參數如下：電機空載啟動給定速度2000r/min，在0.05s時加4N·m的負載，在0.14s進行Y/△變換，變換時間20ms，在0.16s時變換完成，在0.2s時，卸去負載，并且加速至3500r/min，在0.25s時再次施加4N·m的負載，直到仿真結束。仿真時間0～0.35s，仿真算法選擇ode45，誤差容量1e-6，最大仿真步長1e-6。仿真結果如圖3所示。

由圖3仿真圖可以看出在帶相同負載時，Y/△變換前后，在低速區(2000r/min)和高速區(2000r/min以上)穩定運行時的相電流幅值基本相同，Y/△變換過程中轉速降落為79r/min,Y/△變換拓寬了永磁同步電機的恒轉矩調速范圍。

4　實驗結果分析

本文搭建了以TMS320F2812為核心控制器的實驗平臺，選用智能功率模塊PM25RLA120構建逆變器，選用CJX2-3210交流接觸器實現Y/△變換，將一臺隱極式伺服永磁同步電機的三相繞組六個端子全部引出，通過Y/△變換電路連接到逆變器輸出端。采用了id=0的矢量控制方式。其參數為：額定轉速2500r/min，額定轉矩4N·m，額定功率1.1kW。負載為一臺同步測功機，其最高轉速3000r/min。由于受負載最高轉速限制，實驗時將Y/△切換速度定為2000r/min，并相應地降低直流母線電壓以使2000r/min轉速下的iq電流環輸出uq占空比不超過飽和值。切換后恒轉矩轉速達到3200r/min，此時iq電流環輸出的uq占空比仍有很大余量，若不受負載最高轉速限制可以升速至3500r/min。實驗過程中電機帶額定恒轉矩負載。

圖3　Matlab/Simulink仿真波形

在低速區(2000r/min以下)電機采用Y型接法，在高速區(2000r/min以上)電機采用△型接法。為了保證切換可靠進行，裝置各部分需要協調動作。當電機為Y型接法(SWFLAG=1)且給定轉速與實際轉速均大于2000r/min時進行Y/△正變換；當電機為△型接法(SWFLAG=0)且給定轉速與實際轉速均小于2000r/min時，進行Y/△逆變換。切換過程的邏輯順序為：先禁止逆變器輸出，待電機線電流降到零，按照先斷開后接通的原則發出繞組Y/△正或反變換指令,并改變輸出電壓控制參量(調制度M)。使用接觸器的輔助常開觸點信號作為接觸器通斷的標志，當DSP檢測到觸點閉合時，表明切換完成，再開通逆變器輸出，并改變SWFLAG邏輯值，變換完成。其控制流程如圖4所示。

圖4　Y/△變換控制流程圖

無論是正變換還是逆變換時，要保證變換前后電機相電流幅值不變，即可保證切換前后電機轉矩不變，亦可避免過大的切換暫態過電流燒壞功率器件。切換前后相電流不變可以由此實現：在變換過程中，轉速環PI、電流環PI皆禁止調用。理由如下：禁止調用PI可以保持PI輸出在切換前后不變，可以使切換前后瞬間加在電機兩端的相電壓不變。由于切換在一個很小的轉速差內完成(即1998r/min時由Y型切換至△型接法的2002r/min)，故電機的反電動勢可視為不變，且都是帶滿載，負載不變，故由公式(7)可得，切換前后電機的相電流不變。

圖5表示的是在負載轉矩為4N·m恒值時，在不同轉速不同定子連接形式下的線電流線電壓穩態波形。