無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略研究

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

同步電機根據勵磁方式分為有刷和無刷等形式。無刷直流勵磁同步電機由于取消了電刷和集電環，可避免火花產生，既簡化了操作及維護，又減少了電刷粉塵對電機絕緣的危害，大大提高了電機的整體可靠性，因而在石油、化工、煤礦等具有爆炸性環境及要求長時間高可靠性運行的場合有著廣泛的應用。同步電機啟動方式有兩種：一種先投勵，后同步啟動；另一種是先異步啟動，后投勵牽入同步。高性能的同步電機矢量控制或直接轉矩控制都建立在同步啟動方式上。普通有刷同步電機在啟動時，整個勵磁磁通已經建立，而無刷直流勵磁裝置在同步電機啟動時不能提供任何勵磁電流，無法建立勵磁磁通，因此只能采用異步啟動方式，其啟動也是應用的難點。無刷直流勵磁同步電機傳統采用勵磁繞組串接電阻的工頻啟動方式，啟動電流大，整步瞬間電流沖擊劇烈，容易導致電機繞組溫升過高而損壞絕緣強度。文獻[1-2]提出一種采用變頻啟動方式能減小啟動電流，但采取常規UF開環控制方式啟動帶載能力不強，投勵整步過程機電震蕩嚴重，存在啟動失敗的可能。文獻[3-4]提出頻率自控式矢量控制啟動方法，但所涉及的同步電機勵磁系統做了結構調整，增加了輔助啟動的單相交流勵磁繞組，方法不適用于普通無刷直流勵磁同步電機。

因勵磁系統具有特殊性，無刷直流勵磁同步電機只能采取異步啟動方式，普通有刷同步電機的矢量控制或直接轉矩控制策略無法直接使用。本文通過分析同步電機異步啟動過程等效電路，建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現不同閉環矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動和整步運行過程的閉環矢量控制。通過實驗驗證表明，該控制策略啟動電流小，具有啟動迅速、整步平穩、帶載能力強等優點，在無刷直流勵磁同步電機的變頻調速領域具有較好的應用前景。

1 無刷直流勵磁同步電機簡介

無刷直流勵磁同步電機及勵磁系統結構原理如圖1所示，其與普通有刷同步電機的主要區別在于勵磁系統，無刷直流勵磁系統主要包括靜態勵磁裝置、交流勵磁機、旋轉整流器及滅磁電阻（亦作為啟動電阻）等部分[5]。

圖1 無刷直流勵磁同步電機勵磁裝置原理圖Fig.1 Diagram of brushless synchronous motor with DC excitation

同步電機啟動時，先把轉子繞組通過滅磁電阻短接，然后把定子繞組接通三相交流電源。依靠定子旋轉磁場和轉子繞組中感應電流所產生的異步電磁轉矩，電機旋轉起來。與同步電機轉子同軸安裝的滅磁電阻、旋轉整流器、勵磁機也同步旋轉。靜止勵磁裝置向勵磁發電機的定子輸入直流電流，由于勵磁發電機發出電壓與電機轉速和勵磁發電機定子電流的乘積近似成正比，在啟動初期轉速較低，勵磁發電機發出電壓亦低，旋轉整流器無法工作，同步電動機將無法獲得勵磁電流；當電機轉速高于最低轉速后，勵磁機轉子繞組發出的三相交流電壓將超過旋轉整流器最低工作電壓，整流橋開始將交流電壓整流后供給同步電機轉子繞組，產生勵磁電流。調節勵磁機定子電流，就可使勵磁發電機轉子所產生的三相交流電壓得到調整，從而改變同步電機勵磁繞組的勵磁電流。

2 無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略

由上述分析可知，與有刷同步電機可以同步啟動不同，無刷直流勵磁同步電機只能異步啟動，因此高性能的同步電機矢量控制或直接轉矩控制無法直接應用于無刷直流勵磁同步電機，需要對無刷直流勵磁同步電機的高性能啟動控制進行研究。

2.1 同步電機異步啟動數學模型分析

同步電機在轉子d-q旋轉坐標系下的電壓、磁鏈方程分別為[6-7]

式中：Usd，Usq，Uf分別為定子繞組d，q軸電壓、勵磁繞組電壓；isd，isq，if，iDd，iDq分別為定子繞組 d，q軸電流，勵磁電流，阻尼繞組d，q軸電流；Rs，Rf，RDd，RDq分別為定子電阻、勵磁電阻、阻尼繞組d，q軸電阻；Lsl，Lfl，LDdl，LDql分別為定子繞組漏感、勵磁漏感、阻尼繞組d，q軸漏感；Lad，Laq分別為 d，q軸電樞反應電感；Ψd，Ψq，Ψf，ΨDd，ΨDq分別為定子繞組d，q軸磁鏈、勵磁磁鏈、阻尼繞組d，q軸磁鏈；ωs為同步轉速；p為微分算子。

由同步電機電壓和磁鏈方程可得d-q坐標系下的等效電路如圖2所示。

圖2 同步電機等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of synchronous motor

在同步電機異步啟動的過程中包括四個轉矩[8]：勵磁回路短接形成的單軸轉矩；阻尼繞組形成的異步轉矩；凸極轉子d，q軸磁阻不等形成的磁阻轉矩；勵磁后形成的同步轉矩。其中轉子凸極結構和投勵產生同步轉矩，使轉子牽入同步；阻尼繞組和勵磁繞組產生異步轉矩，在轉子勵磁建立前驅動電機旋轉。在啟動初期勵磁繞組經滅磁電阻短接，單軸轉矩和凸極結構引起的同步轉矩作用可以忽略，電機主要由阻尼繞組產生的異步轉矩來加速。同步電機異步啟動時，同步電機的定子等效為異步電機定子，同步電機的阻尼繞組等效為異步電機的轉子繞組，與感應電機類似，定子繞組通入三相交流電壓，定子旋轉磁場將在轉子阻尼繞組產生感應電流，其與定子旋轉磁場相互作用產生異步電磁轉矩。由此可得如圖3所示的同步電機異步啟動時的近似等效電路圖。

圖3中 L′Ddl，L′Dql，R′Dd，R′Dq可等效為異步電機轉子漏感和電阻，－（ωs－ωr）Ψ′rq，（ωs－ωr）Ψ′rd可等效為異步電機的轉子感應電勢。

待轉速上升到勵磁機最小工作轉速時，將勵磁繞組換接到勵磁電源，使轉子建立勵磁磁場，這樣依靠定、轉子磁場相互作用產生同步轉矩，再加上轉子凸極效應引起的磁阻轉矩，使轉子轉速達到同步。與此同時，由阻尼繞組產生的異步轉矩也會隨著遷入同步逐漸衰減為零，啟動過程結束。

2.2 無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略

根據上述同步電機異步啟動過程近似等效電路，研究建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現不同閉環矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動及運行階段的閉環矢量控制。圖4為本文提出的無刷直流勵磁同步電機無速度矢量啟動控制框圖。

圖3 同步電機異步啟動近似等效電路圖Fig.3 Approximate equivalent circuit diagram of synchronous motor starting asynchronously

2.2.1 異步啟動矢量控制過程

在開始啟動和較低轉速段，無刷直流勵磁裝置無法工作，同步電機的磁場由變頻器供電的定子勵磁電流提供，變頻器通過異步電機模型矢量控制策略驅動同步電機工作在異步啟動階段。

圖4 無刷直流勵磁同步電機啟動控制框圖Fig.4 Starting control block diagram of brushless synchronous motor with DC excitation

1）定子磁通計算模塊根據電機參數及三相參考電壓 Ua，Ub，Uc和三相定子電流Ia，Ib，Ic等采集值計算出定子磁通幅值|Ψ|、位置θΨ和角速度ωΨ。

2）Ia，Ib，Ic經矢量變換得到定子電流轉矩分量反饋值Iq_fdb和定子電流勵磁分量反饋值Id_fdb。

此過程K2開路，設定磁鏈Ψref與反饋磁鏈幅值|Ψ|進入磁鏈調節器中控制，勵磁調節器將調節控制量全部分配給定子電流勵磁分量設定值Id_ref，進行定子繞組勵磁，如下式所示：

式中：KP_Ψ，KI_Ψ分別為磁鏈調節器的比例參數和積分參數；s為積分算子；Ir_ref為轉子勵磁電流設定值；KΨ為過渡系數，此階段設為1。

3）此過程K1閉合，轉差補償模塊根據電機參數、定子電流勵磁分量設定值Id_ref和定子電流轉矩分量設定值Iq_ref計算轉差ωslip，如下式所示：

式中：kTr為根據圖3同步電機異步啟動近似等效電路模型設置的轉差參數，可由 R′Dd/L′Ddl計算近似得出。

反饋電機轉速ωr由下式得到：

設定轉速ωref和反饋電機轉速ωr經過速度調節器產生Iq_ref，如下式所示：

式中：KP_ωr，KI_ωr分別為速度調節器的比例參數和積分參數。

4）Iq_ref與Iq_fdb經轉矩電流調節器得到轉矩參考電壓Uq，Id_ref與Id_fdb經勵磁電流調節器得到勵磁參考電壓 Ud。Uq和 Ud經矢量反變換得到 Ua，Ub，Uc，送入三相變頻器經PWM調制輸出同步電機定子繞組。

在速度和磁鏈閉環作用下產生足夠的啟動轉矩使同步電機逐漸加速到無刷直流勵磁裝置工作所需的最小轉速（該轉速由無刷直流勵磁裝置工作特性決定）。

2.2.2 整步運行矢量控制階段

當達到最小轉速后，變頻器通知靜態勵磁裝置輸出強勵電流，旋轉整流器開始工作，向同步電機轉子繞組投入勵磁電流，同時切除滅磁電阻。此時同步電機磁場由轉子勵磁裝置和定子電流共同提供，完成異步到同步的整步過程。最終同步電機磁場由轉子勵磁裝置獨自提供，平滑過渡到正常同步閉環控制過程。

1）此過程K2閉合，如式（3）所示，Ψref與|Ψ|進入磁鏈調節器中控制，KΨ按斜率逐漸由1變為0，勵磁調節器將調節控制量逐漸由Id_ref轉移分配給Ir_ref，并最終達到勵磁全部由轉子勵磁裝置給定。

電機由異步到同步到整步過程中，要保證電機轉速和轉矩的穩定，關鍵在于電機磁鏈的穩定控制。磁鏈調節器可以保證整個過程中電機磁鏈的穩定，過渡系數KΨ按斜率由1變為0則保證了電力勵磁由定子勵磁轉移到轉子繞組勵磁，實現了整步過程的平滑過渡。

2）隨著整步過程的完成，轉差補償也按KΨ斜率逐漸減為零，并最終斷開K1，此時變頻器進入正常的同步電機閉環矢量控制模式，啟動結束。

3 實驗驗證

為了驗證本文所提出的無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略的有效性，在某電機試驗站進行了相關試驗研究。采用一臺10 kV，2 000 kV·A的級聯高壓變頻器驅動無刷直流勵磁同步電機，被試電機參數為：額定功率1 600 kW；額定電壓10 kV；額定電流107 A；額定頻率50 Hz。電機實物圖如圖5所示。

圖5 無刷直流勵磁同步電機實物圖Fig.5 Practicality picture of brushless synchronous motor with DC excitation

為驗證無刷直流勵磁同步電機帶載啟動性能，使用陪試系統施加30%額定負載轉矩。無刷直流勵磁同步電動機啟動過程波形圖如圖6所示。

圖6 無刷直流勵磁同步電機啟動過程波形圖Fig.6 Waveforms of brushless synchronous motor with DC excitation when starting

由圖6可以看出，整個啟動過程主要分為兩個階段。0～27 s為異步啟動階段，此階段轉子勵磁電流尚無法提供，由定子電流d軸分量提供轉子磁場，通過異步啟動矢量控制策略實現同步電機快速穩定地加速到30 r/min，電流和轉矩平穩；從27 s開始，靜止勵磁轉置輸出較大的勵磁電流，同步電動機的轉子勵磁，定子電流d軸分量逐漸下降到零，進入投勵整步過程。此過程電機定子電流和轉速存在一定波動，但在閉環控制下會很快趨于穩定，完成啟動過程，電機進入同步運行階段。

通過實驗結果可以看出，本文所提出的無刷直流勵磁同步電機啟動控制策略能夠實現電機從異步啟動到同步運行的平滑切換，有效消除電流沖擊，具備優良的帶載啟動能力，實現較好的啟動控制性能。

4 結論

本文對無刷直流勵磁同步電機的啟動過程建立等效模型，在此基礎上提出了無刷直流勵磁同步電機的啟動控制策略。通過建立無刷直流勵磁同步電機不同速度段矢量控制模型（異步啟動矢量控制模型和整步運行矢量控制模型），實現不同閉環矢量控制策略的平滑切換，完成整個啟動及運行階段的高性能閉環矢量控制。通過實驗驗證表明，該控制策略能在無刷直流勵磁同步電機啟動過程提供優異的調速性能和高啟動轉矩，平滑實現從異步啟動到同步運行的切換，擴展變頻調速范圍，在無刷直流勵磁同步電機的變頻調速領域具有較好的應用前景。