六相感應(yīng)電機(jī)梯形波相電流控制

1系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析交流速率的固有缺陷使交流速率快速發(fā)展。目前，交流速率主要采用變壓頻率譜法和向量控制。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展,在航空航天和潛艇推進(jìn)系統(tǒng)中需要一些功率大且可靠性高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這使得多相電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)的研究成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。與三相電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有以下突出的優(yōu)勢(shì):(1)傳動(dòng)系統(tǒng)整體可靠性高。采用多相冗余結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng),當(dāng)多相感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)(或幾個(gè))定子繞組開路或逆變器的一個(gè)(或幾個(gè))橋臂開路故障時(shí),不會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行。(2)調(diào)速具有更多的控制資源和潛能。采用多相逆變器供電,可大大改進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的性價(jià)比。(3)可用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng),避免了由功率器件串聯(lián)帶來(lái)的靜、動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)栴}。(4)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率增加而脈動(dòng)幅值減少,使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性得以改善。(5)轉(zhuǎn)子諧波電流減小,諧波損耗下降。盡管多相電機(jī)本體表現(xiàn)出很好的性能,但控制要比三相交流電機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜得多。基于對(duì)六相電機(jī)文獻(xiàn)的研究,本文作者提出了梯形波相電流控制策略,即通過(guò)對(duì)六相感應(yīng)電機(jī)提供一組梯形波相電流,使電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)類似直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)。通過(guò)所提供的梯形波相電流來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的獨(dú)立控制,從而省去傳統(tǒng)矢量控制中繁瑣的派克變換和派克逆變換,真正意義上模擬直流電機(jī)的控制。2u3000控橋變壓器的相電流模型定子繞組注入的梯形波相電流如圖1所示,這種梯形波相電流在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生近似梯形的勵(lì)磁磁通,勵(lì)磁電流分量IF和轉(zhuǎn)矩電流分量IT可以模擬直流電機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。這種相電流由六相全控橋逆變器提供。通過(guò)這種相電流的配置可以產(chǎn)生相互獨(dú)立且垂直的兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì),分別叫做勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff和轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)tF。以a相為例,圖2表明這種波形的組成。在0-t3和t3-t6這兩段時(shí)間里分別由勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量組成。其他相電流波形和a相僅有一定的相位差。一般來(lái)說(shuō),電機(jī)氣隙磁通密度的平均幅值是恒定的,即產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的勵(lì)磁電流分量的幅值是不變的。從圖3可知,定子通入的梯形波相電流波形產(chǎn)生的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)是相互垂直的。勵(lì)磁繞組在氣隙中產(chǎn)生近似于方形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體切割近似于方形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流Ir。六相感應(yīng)電機(jī)t=t1/2時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)合成空間分布如圖3所示。3科技參數(shù)對(duì)磁勢(shì)解耦的影響由圖4可以看到,通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流It使轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)tF和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)rF大小相等方向相反,即當(dāng)a=0時(shí),轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)tF抵消轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)rF產(chǎn)生的電樞反應(yīng),使得勵(lì)磁磁場(chǎng)不發(fā)生扭曲。六相電機(jī)在梯形波相電流驅(qū)動(dòng)下正確的運(yùn)行方式應(yīng)該是,定子轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)tF和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)rF大小相等方向相反,即tF=rF,a=0,只剩下勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)Ff,此時(shí)IT為:由上式可求得磁勢(shì)解耦時(shí)IT和ωsl的關(guān)系:從式(2)可以看到,k與轉(zhuǎn)子電阻Rr和磁通密度B有關(guān),而磁通密度B由勵(lì)磁電流If決定,可通過(guò)控制勵(lì)磁電流If來(lái)調(diào)節(jié)磁通密度B。轉(zhuǎn)子電阻Rr對(duì)溫度比較敏感,隨著溫度的變化可上下波動(dòng)50%。因此參數(shù)k也是受溫度影響的重要參數(shù),其正確程度影響電機(jī)的磁勢(shì)解耦。本實(shí)驗(yàn)所用的六相感應(yīng)電機(jī)是由一個(gè)三相感應(yīng)電機(jī)改造而成的,具體參數(shù)見(jiàn)表1。因?yàn)樗褂玫碾姍C(jī)是由三相電機(jī)改造而成的,所以電機(jī)軛高相對(duì)較低。由于磁飽和的原因,要想達(dá)到理想的勵(lì)磁磁通需要較大的勵(lì)磁電流。為了測(cè)量氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流,轉(zhuǎn)子繞組做成繞線式,把轉(zhuǎn)子繞組14相中的兩相接在滑環(huán)上便于測(cè)量所需要的參數(shù)。在額定轉(zhuǎn)差角速度ωsl=15.7rad/s,額定磁通B=0.445T(有限元分析計(jì)算),通過(guò)表1中的參數(shù)可計(jì)算在額定情況下磁勢(shì)解耦時(shí)的轉(zhuǎn)子感生電流Ir=5.73A,轉(zhuǎn)矩電流IT=2.26A,輸出轉(zhuǎn)矩T=6.3N?m,參數(shù)k=6.96rad(A?s)。所以取參數(shù)k=7。當(dāng)參數(shù)k取7時(shí)磁勢(shì)獲得解耦,真正意義上模擬直流電機(jī)的控制。4轉(zhuǎn)子等效簡(jiǎn)化電路六相電機(jī)的定子梯形波電流在氣隙中產(chǎn)生近似于方波的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)勵(lì)磁電流取3A時(shí),通過(guò)有限元分析計(jì)算氣隙磁通密度平均值為0.46T。由圖3可知,氣隙勵(lì)磁磁場(chǎng)占整個(gè)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的一半。所以轉(zhuǎn)子繞組也只有一半繞組處于激活狀態(tài)并感應(yīng)出近似于方波的感應(yīng)電壓。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓幅值可表示為:其中:ωs是轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;s為轉(zhuǎn)差率;L是軸向長(zhǎng)度;gr是氣隙半徑;B是氣隙磁通密度;Nr為轉(zhuǎn)子每相匝數(shù)(28)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電流幅值可表示為:這里Req為轉(zhuǎn)子等效電阻。轉(zhuǎn)子等效簡(jiǎn)化電路如圖4所示。應(yīng)用洛侖磁力定理,電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程可表示為:理論計(jì)算的轉(zhuǎn)矩值見(jiàn)表2。5建立有限元網(wǎng)格圖這里采用二維有限元分析軟件來(lái)分析計(jì)算梯形波相電流驅(qū)動(dòng)下的六相感應(yīng)電機(jī)氣隙磁勢(shì)分布。首先將三個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成一階三角形有限元,然后在xy直角坐標(biāo)系中建立一個(gè)定子槽并作網(wǎng)格圖,通過(guò)對(duì)稱復(fù)制方法建立所要仿真的電機(jī)區(qū)域有限元網(wǎng)格圖。由于六相感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,僅需要對(duì)電機(jī)一半?yún)^(qū)域進(jìn)行有限元分析就可以了,這樣可減少有限元個(gè)數(shù),節(jié)省計(jì)算時(shí)間,同時(shí)又不至于影響整個(gè)問(wèn)題的計(jì)算精度。應(yīng)用對(duì)稱性,就可以得到整個(gè)電機(jī)的磁勢(shì)分布。依據(jù)狄利克來(lái)邊界條件,將零磁勢(shì)設(shè)置在定子磁軛外側(cè)和轉(zhuǎn)子軸上。這樣有限元分析僅限定在電機(jī)內(nèi)部區(qū)域。生成的網(wǎng)格圖如圖4所示,輸入電機(jī)的尺寸和相當(dāng)于勵(lì)磁電流的三相電流,通過(guò)有限元編程生成網(wǎng)格圖并計(jì)算出電磁轉(zhuǎn)矩。有限元分析計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表3。6電機(jī)輸出扭矩的測(cè)量六相感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖5所示,實(shí)驗(yàn)中勵(lì)磁電流通過(guò)逆變器提供,這里取值為3A,實(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。理論分析計(jì)算、有限元分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖6所示。由圖6可知,理論分析和有限元分析計(jì)算的結(jié)果是相近的,比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的轉(zhuǎn)矩要大。這主要是因?yàn)殡娝⒑突h(huán)接觸電阻較大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子感生電流變小,這樣會(huì)導(dǎo)致實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩變小。對(duì)于階躍輸入的轉(zhuǎn)矩電流,電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)結(jié)果如圖7所示。顯而易見(jiàn),六相電機(jī)在該梯形波相電流控制下,電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度是較快的。7基于轉(zhuǎn)子矛盾(1)該控制策略模擬直流他勵(lì)的控制方式對(duì)六相感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了解耦控制,真正意義上實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的獨(dú)立控