田新昊
(佳木斯防爆电机研究所,黑龙江佳木斯154005)
混合励磁电机控制技术
田新昊
(佳木斯防爆电机研究所,黑龙江佳木斯154005)
混合励磁电机不仅具有永磁电机的特点还具有起动转矩大,调速范围广的优点。同时在发电运行时,具有较宽的电压调节能力,因此在工业生产中广受好评。阐述混合励磁电机的基本特点,着重对混合励磁电机的控制技术进行分析。
混合励磁电机;永磁电机;控制分析
永磁电机以体积小、动态响应性能好、效率高等优点著称,但由于其固有特性,调速范围有限等特点,在特定场合下工作能力有限[1]。如何实现气隙磁场的有效调节与控制是研究永磁电机的一大难点。有效改变永磁电机结构,引入辅助电励磁绕组,实现气隙磁场合理灵活调节的“混合励磁”的思想提出[2],得到国内外研究人员的广泛关注。本文介绍了混合励磁电机的基本特点,并对其控制技术进行了着重分析。
混合励磁亦可称为组合励磁或复合励磁,它是由两种励磁互相作用,来实现电磁能量之间的转换,是对单一励磁的补充延伸,可以改善电机的调速、驱动性能。混合励磁电机拥有两种励磁源:一种永磁励磁源;另一种电励磁源。两种励磁源磁场在气隙中共同作用产生电机内主磁场[3]。为满足恒功率调速范围的宽广性和驱动负载低速、大转矩的特性,需要对电机磁场进行弱磁控制和增磁控制,可通过调节电励磁绕组的电流大小和方向的方式进行。
混合励磁电机与永磁电机相比,增加一个可控制励磁电流变量,在控制上,可对电枢绕组电流和励磁绕组电流分别控制,也可以根据事实环境对两者协调控制。目前对混合励磁电机的研究主要是转子永磁型混合励磁同步电机及控制系统,深入了解其数学模型和控制方法,可以把握混合励磁电机驱动系统的一般控制方向[4]。
d-q旋转坐标下转子永磁型混合励磁同步电机的稳态电压方程如下
(1)
式中,Ud、Uq—电枢端电压d轴、q轴分量;id、iq—电枢电流d轴、q轴分量;Ld、Lq—d轴、q轴电感;R—定子相电阻;ω—转子电角速度;Ψh—旋转坐标系下,混合励磁磁场定子绕组的磁链。
其中,混合励磁电机中的Ψh是永磁体基波磁链Ψf与直流励磁电流产生磁链之和
Ψh=Ψf+LfrIfr=kfΨf
(2)
式中,Lfr—旋转坐标系下,励磁绕组与电枢绕组之间的互感;Ifr—旋转坐标系下,电励磁电流;Kf—磁场调节系数。
电磁功率可表示为
Pe=ω[(Ψf+LfrIfr)iq+(Ld-Lq)idiq]
(3)
电磁转矩方程为
(4)
式中,Ω—机械角速度;Pn—永磁体极数。
电枢端电压为
U=
(5)
电机效率为
(6)
式中,Pt—电机的磁滞损耗等;Pj—电枢绕组和电励绕组共同产生的铜耗,Pj=mRI2+RfIfr2。
通过式(1)~式(6)可以得知,旋转坐标系下,混合励磁电机与永磁同步电机的数学模型有相近之处,混合励磁电机的控制方法可以借鉴永磁同步电机,唯一的区别是混合励磁电机有电流的引入,使得功率、转矩、电枢端电压和效率方程都增加一个控制变量,可调整电枢电流和励磁电流满足不同驱动系统对功率、转矩等的要求。
对于混合励磁电机的调控,关键在于电枢电流和励磁电流协同控制,满足相应控制系统的要求。混合励磁电机变速驱动系统典型控制原理框图见图1。
图1 混合励磁电机变速驱动系统典型控制原理框图
由图1可知,随着电励磁电流变量的引入,系统需要额外的励磁电流分配控制器和励磁电流控制器对励磁电流进行调解控制,有利也有弊,控制手段虽然灵活,但是控制系统的复杂性相应增加。
混合励磁电机的效率要低于同类型的永磁电机,是由于电励磁绕组的存在,使得在电机进行弱磁调控和增磁调控时,存在多余励磁损耗。为提高混合励磁电机的能量效率,可以优化混合励磁电机的结构,提高电励磁效率,减少励磁损耗;还可以通过驱动系统中励磁电流分配控制器的设计改变,使得电枢电流和励磁电流协同工作,在宽调速范围内保持较高效率。混合励磁双凸极电机与双凸极永磁电机的效率分布图见图2。
图2 混合励磁双凸极电机与双凸极永磁电机的效率分布图
可以看出,混合励磁双凸极电机受到励磁损耗的影响,系统在低速区效率明显低于永磁电机;在额定工作区域内,两者相近;在偏离额定工作点时,双凸极永磁电机调速范围窄,电机效率下降明显,二双凸极混合励磁电机,有了电枢电流和励磁电流协同配合,在宽范围内保持电机较高效率。
混合励磁电机用作电动机时具有起动转矩大、调速范围广的优势,增加一个可控制励磁电流变量,在控制上可对电枢绕组电流和励磁绕组电流分别控制,也可以根据事实环境对两者协调控制。通过对混合励磁电机控制技术的分析,明确电枢电流与励磁电流协同配合时,使得电机具有较高效率。
[1] Nagayama K, et al. Generator characteristics of hybrid excitation brushless synchronous machines[C].IEE,Japan,Stud yon Semiconductor Power Conversion,1994:SPC94-105.
[2] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.
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[4] 朱孝勇,程明,赵文祥,等.混合励磁电机技术综述与发展展望[J].电工技术学报,2008,23(1):30-39.
Control Technology of Hybrid Excitation Electric Machine
TianXinhao
(Jiamusi Explosion-Proof Electric Machine Institute, Jiamusi 154005, China)
Hybrid excitation electric machine not only has the characteristic of permanent-magnet electric machine, but also has the advantages of high starting torque and wide adjustable-speed range. The electric machine simultaneously has stronger ability of regulating voltage when it runs as generator, so it is critically acclaimed in industrial production. This paper introduces basic characteristics of hybrid excitation electric machine, and chiefly analyzes its control technology.
Hybrid excitation electric machine;permanent-magnet electric machine;control analysis
10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.07
TM331
A
1008-7281(2017)01-0026-002
田新昊 男 1991年生;毕业于东北林业大学机械工程专业,硕士研究生,现从事防爆检验工作。
2016-08-09