大型船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法

查競舟

(南昌航空大學科技學院，江西 九江 332020)

0 引 言

無刷直流電機由電機、位置傳感器、線路等組成，通過電子換相的方式驅動電機運行，可靠性高，被廣泛應用在工業領域[1]。目前，我國在大型艦船中使用無刷直流電機，控制大型艦船的行駛速度，保障大型艦船安全[2]。但因無刷直流電機結構的特殊性，其平均轉矩會高于普通電機的平均轉矩，在運行過程中容易出現轉矩脈動問題[3]。若轉矩脈動問題不能及時解決，會引起無刷直流電機故障，威脅大型艦船的安全。因此，對大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法的課題研究至關重要，相關學者已經對該課題研究。李珍國等[4]研究轉子定向抑制方法，構建電機磁場等效模型，但該方法的計算量比較大，導致轉矩脈動抑制效率較低。陸可等[5]研究電壓矢量的抑制方法，但該方法對電機零速運行時脈動抑制效果不佳。因上述方法的局限性，研究開通角的大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法，消除轉矩脈動，提高無刷直流電機使用壽命。

1 船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法

1.1 船用無刷直流電機數學模型

船用無刷直流電機的電路結構[6]如圖1 所示。圖中，O1～O6代表逆變器； γ1～ γ6代表逆變器開關；R代表繞阻電阻；電機中性點用U0描述；A 相、B 相、C 相的電流分別用ia、ib、ic描述；電感用H描述；繞阻互感用N描述；母線電壓用Ud描述；三相的反電動勢分別用ea、eb、ec描述。

圖1 船用無刷直流電機的電路結構Fig.1 Circuit structure of brushless DC motor for ships

將三相向二相靜止坐標系轉換的公式如下：

1.2 無刷直流電機換相轉矩脈動

在船用無刷直流電機數學模型基礎上，分析無刷直流電機的換相過程中電流變化情況，AB 導通向AC 導通換相過程為例，此時 γ6關閉，B 相電流降低，γ1恒開通，A 相是非換相， γ2打開，C 相電流升高。在換向時，電流回路公式如下：

1.3 基于開通角的無刷直流電機轉矩脈動抑制方法

在船用無刷直流電機AC/BC 換相時，BC 兩相生成一個回路，此時ia電流下降，ib電流升高。Im表示電流換相初始電流，ia電流和時間關系為：

式中： κ為電磁時間常數，E為線電勢。

當ia電流降為0 時，需要時間用t1描述，令ia=0，此時t1表達式如下：

ib電流升高至最大電流時間t2，t2表達式如下：

針對大型船用無刷直流電機是3 種運行狀態實施分析，采取合適開通角的大型船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法。3 種運行狀態如下：

1）臨界運行

在換相情況下，若t1=t2，大型船用無刷直流電機開通相電流升高量等于關閉相電流降低量，此時電機沒有發生轉矩脈動，表明電機為臨界運行，此時轉速為650 ～700 r/min，電流為18 ～20 A。

2）高速運行

若t1

3）低速運行

若t1>t2，開通相電流升高量大于關閉相電流降低量，此時為抑制大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動，通過推遲開通相開通時間的方式實現抑制。tτ表示推遲開通時間，具體表達式如下：

因t?與tτ互為相反數，當 α?<0時，描述開通角滯后；當 α?>0時描述開通角提前。

在大型艦船用無刷直流電機實際運行時，會受到漏磁的情況，需要導進1 個修正系數w，w調整開通角，基于開通角的大型艦船用無刷直流電機控制模型如圖2 所示。可知，依據實時識別的電流與轉速求解出開通角，將結果輸入換相邏輯控制器，輸出控制命令實現電機轉矩脈動抑制。

圖2 開通角的大型艦船用無刷直流電機控制模型Fig.2 Control model of brushless DC motor for large ships with open angle

2 仿真測試分析

在Matlab/Simulin 環境下測試本文方法的應用效果，將某海事部門的大型船用無刷直流電機作為試驗對象。電機如表1 所示。

表1 電機參數Tab.1 Test database

電機低速和高速分別為400 r/min、1 500 r/min，在電機低速和高速運轉的工況下，測試本文方法對大型船用無刷直流電機實施轉矩脈動抑制的性能，得出轉矩波動如圖3 所示。可知，在電機低速與高速運行的工況下，采用本文方法對大型船用無刷直流電機轉矩脈動抑制的效果較好，本文方法可有效抑制電機轉矩脈動，滿足不同工況下電機運行的需求。

圖3 不同工況下轉矩波動Fig.3 Torque fluctuation under different working conditions

為了進一步驗證本文方法的應用效果，分別采用本文方法、轉子定向抑制方法[4]，電壓矢量的抑制方法[5]，對大型船用無刷直流電機轉矩脈動實施抑制，輸出轉矩脈動結果如圖4 所示。由圖4(a)可知，采用文獻轉子定向抑制方法對大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動實施抑制，輸出轉矩脈動最高值大于35%，說明對抑制電機轉矩脈動效果不佳。由圖4(b)可知，采用電壓矢量抑制方法對大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動實施抑制，輸出轉矩脈動最高值大于20%，說明對抑制電機轉矩脈動效果一般。由圖4(c)可知，采用本文方法對大型艦船用無刷直流電機轉矩脈動實施抑制，輸出轉矩脈動最高值大于5%，說明本文方法的對電機轉矩脈動抑制效果較好，符合電機轉速運行的特點，保障大型艦船行駛的安全。

圖4 3 種方法輸出轉矩脈動Fig.4 Three methods for outputting torque ripple

3 結 語

為了提升電機轉矩脈動抑制效率，設計了基于開通角的大型船用無刷直流電機轉矩脈動抑制方法。實驗結果表明，本文方法對電機轉矩脈動效果抑制較好，提升了電機的穩定性。