基于無刷同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制方法研究
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張麗萍，劉 濤，陳繼祥
（海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東煙臺(tái)264001）
摘要：對(duì)無刷同步電機(jī)的勵(lì)磁關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，確定了無刷同步電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的勵(lì)磁方案，提出了自控式無刷同步電機(jī)的起動(dòng)控制方法并給出了電磁轉(zhuǎn)矩方程。針對(duì)無刷同步電機(jī)起動(dòng)的特點(diǎn)和電機(jī)的參數(shù)，確定了頻率自控式的矢量控制作為控制起動(dòng)系統(tǒng)的控制方法。通過仿真研究，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都保持穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min，實(shí)現(xiàn)了無刷同步電動(dòng)機(jī)的快速、平穩(wěn)起動(dòng)。
關(guān)鍵詞：無刷同步電動(dòng)機(jī)；控制方法；調(diào)速；變頻器；檢測(cè)器
中圖分類號(hào)：TM341文章編號(hào)：1006 - 2394（2016）05 - 0009 - 02
0 引言
與普通同步電機(jī)相比，沒有了滑環(huán)的無刷同步電機(jī)，具有更高可靠性，維護(hù)簡(jiǎn)單，可長期連續(xù)運(yùn)行而無需保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無刷同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括兩臺(tái)凸極同步電機(jī)、一套旋轉(zhuǎn)整流器裝置和一級(jí)作為副勵(lì)磁機(jī)的永磁機(jī)。其中，勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式的，電樞繞組裝在轉(zhuǎn)子上；主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式的；勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)之間連接有整流器，整流器安裝在轉(zhuǎn)子上，由于它隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，故常稱為旋轉(zhuǎn)整流器。這樣．當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)電樞產(chǎn)生的交流電直接經(jīng)整流器整流后為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。副勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式永磁發(fā)電機(jī)，專為調(diào)壓器和控制保護(hù)器供電。無刷同步電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，需要解決
兩個(gè)關(guān)鍵問題，即勵(lì)磁方式和起動(dòng)控制。發(fā)電運(yùn)行時(shí)，采用直流勵(lì)磁方式向勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁；電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，若仍采用直流勵(lì)磁方式，主發(fā)電機(jī)無法得到有效勵(lì)磁，從而無法實(shí)現(xiàn)無刷同步電機(jī)的起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速工作時(shí)，無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)時(shí)若定子直接通入頻率較高的交流電，而轉(zhuǎn)子磁極靜止，電機(jī)的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩正負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)無法自行起動(dòng)。因此，無刷同步電機(jī)的起動(dòng)需要選擇合適的方法。本文提出了單相交流勵(lì)磁的方法，根據(jù)該方法，針對(duì)無刷同步電機(jī)的參數(shù)，確定最佳的勵(lì)磁方案。
1 勵(lì)磁方案的確定
無刷同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，直接向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組通入單相交流電，起動(dòng)完畢后切換為直流電。單相交流電可建立起交變的脈振磁場(chǎng)，保證勵(lì)磁機(jī)在靜止時(shí)也能給主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，如果勵(lì)磁足夠充分，主發(fā)電機(jī)就可以用作電動(dòng)機(jī)使用，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1所示為單相交流勵(lì)磁的無刷同步電機(jī)起動(dòng)方案。
當(dāng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時(shí)，直流勵(lì)磁無法形成變化的磁場(chǎng)，使電機(jī)正常啟動(dòng)，所以使用交流勵(lì)磁，有明顯的效果；但當(dāng)電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時(shí)，直流勵(lì)磁脈動(dòng)較小，轉(zhuǎn)速上升速率較快，所以直流勵(lì)磁的效果明顯優(yōu)于單相交流勵(lì)磁的效果。因此，本文的勵(lì)磁方式如下：當(dāng)轉(zhuǎn)速n≤200 r/min時(shí)，采用單相交流勵(lì)磁（幅值取200 V，頻率為20 Hz）；當(dāng)轉(zhuǎn)速n>200 r/min時(shí)，采用141 V（交流勵(lì)磁的有效值）的直流勵(lì)磁。建立勵(lì)磁模塊，勵(lì)磁模塊如圖2所示。
勵(lì)磁模塊輸入端為電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出端口為勵(lì)磁電源。由勵(lì)磁模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與固定值200進(jìn)行比較，當(dāng)n> 200時(shí)，單刀雙擲開關(guān)上橋臂接通；當(dāng)n,≤200時(shí)，單刀雙擲開關(guān)下橋臂接通。勵(lì)磁電源為幅值200 V、頻率20 Hz的單相交流電。
2無刷同步電機(jī)的起動(dòng)控制方法
無刷同步電機(jī)傳統(tǒng)的起動(dòng)方法有輔助動(dòng)力機(jī)起動(dòng)法和異步起動(dòng)法。輔助動(dòng)力機(jī)起動(dòng)是指利用一臺(tái)小型動(dòng)力機(jī)，把同步電動(dòng)機(jī)拖到同步速后，經(jīng)過整步與電網(wǎng)并聯(lián)來完成起動(dòng)過程，這種方法存在需要的設(shè)備多、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)；異步起動(dòng)是在轉(zhuǎn)子上設(shè)置籠型繞組，當(dāng)定子繞組連接電源時(shí)，籠型繞組便能產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再將勵(lì)磁電流接入勵(lì)磁繞組，此時(shí)定子、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生同步電磁轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽人同步轉(zhuǎn)速。異步起動(dòng)過程主要包括“異步起動(dòng)”和“牽入同步”兩個(gè)階段。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，同步電機(jī)起動(dòng)方面出現(xiàn)了變頻起動(dòng)方式，其起動(dòng)效率和控制性能比較理想。變頻起動(dòng)由于具有起動(dòng)力矩大、起動(dòng)電流過沖小等原因，在同步電機(jī)起動(dòng)中應(yīng)用廣泛。本文采用自控式矢量控制的方法對(duì)無刷同步電機(jī)起動(dòng)進(jìn)行控制。
自控式同步電機(jī)是由同步電動(dòng)機(jī)、變頻器及磁極位置檢測(cè)器組成的電機(jī)系統(tǒng)。如果再配上控制裝置，就構(gòu)成了自控式同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如圖3所示。圖中MS是同步電機(jī)，PS是磁極位置檢測(cè)器。
3仿真研究
仿真參數(shù)設(shè)定如下：
E dc=200 V，TL =3，速度調(diào)節(jié)器PI參數(shù)設(shè)定為k p=5，k i=10，采用本文的勵(lì)磁方案所得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的波形圖如圖4和圖5所示。
在轉(zhuǎn)速n> 200 r/min，時(shí)間t<0.175 s的階段時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，脈動(dòng)較小，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min，主發(fā)電機(jī)電樞電流脈動(dòng)逐漸減小并趨于穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min后，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓、電流，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓、電流，主發(fā)電機(jī)電樞電流，以及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都保持穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min。
4結(jié)論
本文對(duì)無刷同步電機(jī)的勵(lì)磁關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上提出了自控式無刷同步電機(jī)的起動(dòng)控制方法。針對(duì)無刷同步電機(jī)起動(dòng)的特點(diǎn)和電機(jī)的參數(shù)，確定了頻率自控式的矢量控制作為控制起動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)系統(tǒng)的快速、平穩(wěn)起動(dòng)。
