六相感應(yīng)電機(jī)梯形波相電流控制

0多相感應(yīng)電機(jī)的梯度控制策略交流風(fēng)速主要應(yīng)用于變壓頻速率控制和向量控制。航空航天和潛艇推進(jìn)系統(tǒng)中一些大功率且高可靠性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(kāi)路或逆變器的一個(gè)(或幾個(gè))橋臂開(kāi)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)要復(fù)雜得多?；趯?duì)六相電機(jī)文獻(xiàn)的研究,本文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)矩電流的分立控制,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。1電機(jī)相電流的組成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)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)Ft。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,其它相電流波形和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。2轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)由圖1所示的電流波形可知?jiǎng)?lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流交替作用。任何時(shí)候定子繞組中的相鄰三相作為勵(lì)磁繞組在電機(jī)中產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)Ff,其它三相定子繞組作為轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩磁通勢(shì)Ft。在時(shí)間間隔0-t1內(nèi)三相定子電流產(chǎn)生的合成勵(lì)磁磁通勢(shì)可以計(jì)算為:Ff=Naia-Ncic-Ndid=Nsia-Nsic-Nsid=Ns(ia-ic)-Ns(-IF)=2NsIF(1)同理在時(shí)間間隔0-t1內(nèi)三相定子電流產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩磁勢(shì)為:Ft=Nbib-Neie-Nfif=2NsIT(2)式中,Ns為定子側(cè)每相繞組的匝數(shù)。從圖3可看到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。由轉(zhuǎn)子電流Ir產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為:Fr=mrIrNr/2(3)式中,mr為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體數(shù)(本實(shí)驗(yàn)電機(jī)取14);Nr為轉(zhuǎn)子每相串聯(lián)的繞組匝數(shù);Ir為轉(zhuǎn)子每相繞組電流的有效值。由圖3可知,合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)F垂直于轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fr,所以合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)F可表示:F=F2s?F2r???????√=F2f+F2t?F2r???????????√F=Fs2-Fr2=Ff2+Ft2-Fr2(4)忽略磁飽和現(xiàn)象,由磁通密度為:B=μ0F2lg=μ0(2NsIF)2+(2NsIT)2?(7NrIr)2√2lg(5)B=μ0F2lg=μ0(2ΝsΙF)2+(2ΝsΙΤ)2-(7ΝrΙr)22lg(5)式中,lg為氣隙長(zhǎng)度。由圖3可以看到,通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流It使轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)Ft和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Fr大小相等、方向相反,即當(dāng)a=0時(shí),轉(zhuǎn)矩磁動(dòng)勢(shì)Ft抵消轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Fr產(chǎn)生的電樞反應(yīng),使得勵(lì)磁磁場(chǎng)不發(fā)生歪曲。3轉(zhuǎn)子應(yīng)力電壓幅值及等效電阻表示六相電機(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),所以在轉(zhuǎn)子繞組中也感應(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:Er=2NrBLωslrg(6)式中,ωsl為轉(zhuǎn)差角速度;L為軸向長(zhǎng)度;rg為氣隙半徑;B為氣隙磁通密度。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電流可表示為:Ir=ErRrΙr=ErRr(7)式中,Rr為轉(zhuǎn)子等效電阻。應(yīng)用洛侖磁力定理,電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程可表示為:T=mrNrBLrgIr(8)4轉(zhuǎn)子參數(shù)的確定六相電機(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)Ft和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)Fr大小相等、方向相反,即Ft=Fr,a=0,只剩下勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)Ff,此時(shí)IT為:IT=mrNrIr4NsΙΤ=mrΝrΙr4Νs(9)從式(7)和式(9)可求得磁勢(shì)解耦時(shí)IT和ωsl的關(guān)系為:k=ωslIT=IrITRr2NrBLrg=2NsRrmrN2rBLrgk=ωslΙΤ=ΙrΙΤRr2ΝrBLrg=2ΝsRrmrΝr2BLrg(10)從式(10)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)如表1所示。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)子繞組中的14相中的2相接在滑環(huán)上便于測(cè)量所需要的參數(shù)。在額定角速度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)和式(7)～式(9)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。把k作為一個(gè)參數(shù),得到轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)矩電流IT的關(guān)系為:T=mrN2ru20L2r2g(F2f+F2t?F2r)k2l2gITΤ=mrΝr2u02L2rg2(Ff2+Ft2-Fr2)k2lg2ΙΤ(11)5扭矩傳感器的工作原理應(yīng)用所構(gòu)建的六相感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)所提出的控制原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由于特制的轉(zhuǎn)子繞組,通過(guò)可“訪問(wèn)”的兩相轉(zhuǎn)子繞組,就可以測(cè)出氣隙磁場(chǎng)的波形分布。應(yīng)用轉(zhuǎn)矩傳感器,電磁轉(zhuǎn)矩就可以直接測(cè)量出。把k作為一個(gè)參數(shù)改變時(shí),轉(zhuǎn)矩電流IT與磁通密度B及輸出轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系如圖4和圖5所示。由圖4可知,當(dāng)k=7時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩IT和轉(zhuǎn)矩電流基本呈線形關(guān)系,說(shuō)明勵(lì)磁磁勢(shì)和轉(zhuǎn)矩磁勢(shì)是完全解耦的,或者轉(zhuǎn)矩磁勢(shì)已經(jīng)被轉(zhuǎn)子磁勢(shì)基本平衡掉。同樣,圖5也可以得到類同的解釋。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6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。6磁投射后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)控制分析(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