六相感应电机梯形波相电流控制

六相感应电机梯形波相电流控制

0多相感应电机的梯度控制策略交流风速主要应用于变压频速率控制和向量控制。航空航天和潜艇推进系统中一些大功率且高可靠性的驱动系统使得多相电机及其传动系统的研究成为电气传动领域的热点之一。与三相电机传动系统相比,该系统具有以下突出的优势:①传动系统整体可靠性高。采用多相冗余结构的传动系统,当多相感应电机的一个(或几个)定子绕组开路或逆变器的一个(或几个)桥臂开路故障时,不会影响传动系统的启动和运行。②调速具有更多的控制资源和潜能。采用多相逆变器供电,可大大改进调速系统的性价比。③可用低压功率器件实现大功率传动,避免了由功率器件串联带来的静、动态不均压问题。④转矩脉动频率增加而脉动幅值减少,使系统动、静态特性得以改善。⑤转子谐波电流减小,谐波损耗下降。尽管多相电机本体表现出很好的性能,但控制要比三相交流电机系统要复杂得多。基于对六相电机文献的研究,本文提出了梯形波相电流控制策略,即通过对六相感应电机提供一组梯形波相电流,使电机的气隙磁场类似直流电机的气隙磁场;通过所提供的梯形波相电流来实现励磁电流和转矩电流的分立控制,从而省去传统矢量控制中繁琐的派克变换和派克逆变换,真正意义上模拟直流电机的控制。1电机相电流的组成定子绕组注入的梯形波相电流如图1所示。这种梯形波相电流在电机气隙中产生近似梯形的励磁磁通。励磁电流分量IF和转矩电流分量IT可以模拟直流电机的励磁电流和电枢电流而实现独立控制。这种相电流由六相全控桥逆变器提供。通过相电流的配置可以产生相互独立且垂直的两个磁动势,分别叫做励磁磁动势Ff和转矩磁动势Ft。以a相为例,图2表明这种波形的组成。在0-t3和t3-t6这两段时间里分别由励磁电流分量和转矩电流分量组成,其它相电流波形和a相仅有一定的相位差。一般来说,电机气隙磁通密度的平均幅值是恒定的,即产生励磁磁动势的励磁电流分量的幅值是不变的。2转子电流产生的磁动势由图1所示的电流波形可知励磁电流和转矩电流交替作用。任何时候定子绕组中的相邻三相作为励磁绕组在电机中产生励磁磁通势Ff,其它三相定子绕组作为转矩绕组产生转矩磁通势Ft。在时间间隔0-t1内三相定子电流产生的合成励磁磁通势可以计算为:Ff=Naia-Ncic-Ndid=Nsia-Nsic-Nsid=Ns(ia-ic)-Ns(-IF)=2NsIF(1)同理在时间间隔0-t1内三相定子电流产生的合成转矩磁势为:Ft=Nbib-Neie-Nfif=2NsIT(2)式中,Ns为定子侧每相绕组的匝数。从图3可看到定子通入的梯形波相电流波形产生的励磁磁动势和转矩磁动势是相互垂直的。励磁绕组在气隙中产生近似于方形的旋转磁场。转子中的导体切割近似于方形的旋转磁场而产生转子电流Ir。由转子电流Ir产生的磁动势为:Fr=mrIrNr/2(3)式中,mr为转子导体数(本实验电机取14);Nr为转子每相串联的绕组匝数;Ir为转子每相绕组电流的有效值。由图3可知,合成气隙磁动势F垂直于转子感应磁动势Fr,所以合成气隙磁动势F可表示:F=F2s−F2r−−−−−−−√=F2f+F2t−F2r−−−−−−−−−−−√F=Fs2-Fr2=Ff2+Ft2-Fr2(4)忽略磁饱和现象,由磁通密度为:B=μ0F2lg=μ0(2NsIF)2+(2NsIT)2−(7NrIr)2√2lg(5)B=μ0F2lg=μ0(2ΝsΙF)2+(2ΝsΙΤ)2-(7ΝrΙr)22lg(5)式中,lg为气隙长度。由图3可以看到,通过控制转矩电流It使转矩磁动势Ft和转子磁动势Fr大小相等、方向相反,即当a=0时,转矩磁动势Ft抵消转子磁动势Fr产生的电枢反应,使得励磁磁场不发生歪曲。3转子应力电压幅值及等效电阻表示六相电机的定子梯形波电流在气隙中产生近似于方波的旋转磁场,所以在转子绕组中也感应出近似于方波的感应电压。转子感应电压幅值可表示为:Er=2NrBLωslrg(6)式中,ωsl为转差角速度;L为轴向长度;rg为气隙半径;B为气隙磁通密度。转子导体感生电流可表示为:Ir=ErRrΙr=ErRr(7)式中,Rr为转子等效电阻。应用洛仑磁力定理,电机转矩方程可表示为:T=mrNrBLrgIr(8)4转子参数的确定六相电机在梯形波相电流驱动下正确的运行方式应该是定子转矩磁动势Ft和转子磁动势Fr大小相等、方向相反,即Ft=Fr,a=0,只剩下励磁动势Ff,此时IT为:IT=mrNrIr4NsΙΤ=mrΝrΙr4Νs(9)从式(7)和式(9)可求得磁势解耦时IT和ωsl的关系为:k=ωslIT=IrITRr2NrBLrg=2NsRrmrN2rBLrgk=ωslΙΤ=ΙrΙΤRr2ΝrBLrg=2ΝsRrmrΝr2BLrg(10)从式(10)可以看到,k与转子电阻Rr和磁通密度B有关,而磁通密度B由励磁电流If决定,可通过控制励磁电流If来调节磁通密度B。转子电阻Rr对温度比较敏感,随着温度的变化可上下波动50%,因此参数k也是受温度影响的重要参数,其正确程度影响电机的磁势解耦。本实验所用的六相感应电机是由一个三相感应电机改造而成的,具体参数如表1所示。因为所使用的电机是由三相电机改造而成的,所以电机轭高相对较低。由于磁饱和的原因,要想达到理想的励磁磁通需要较大的励磁电流。为了测量气隙磁场和转子电流,转子绕组做成绕线式,把转子绕组中的14相中的2相接在滑环上便于测量所需要的参数。在额定角速度ωsl=15.7rad/s、额定磁通B=0.445T(有限元分析计算),通过表1中的参数和式(7)～式(9)可计算在额定情况下磁势解耦时的转子感生电流Ir=5.73A,转矩电流IT=2.26A,输出转矩T=6.3N·m,参数k=6.96rad/(A·s)。所以取参数k=7。把k作为一个参数,得到转矩T和转矩电流IT的关系为:T=mrN2ru20L2r2g(F2f+F2t−F2r)k2l2gITΤ=mrΝr2u02L2rg2(Ff2+Ft2-Fr2)k2lg2ΙΤ(11)5扭矩传感器的工作原理应用所构建的六相感应电机实验系统,对所提出的控制原理进行了实验。由于特制的转子绕组,通过可“访问”的两相转子绕组,就可以测出气隙磁场的波形分布。应用转矩传感器,电磁转矩就可以直接测量出。把k作为一个参数改变时,转矩电流IT与磁通密度B及输出转矩T的关系如图4和图5所示。由图4可知,当k=7时电磁转矩IT和转矩电流基本呈线形关系,说明励磁磁势和转矩磁势是完全解耦的,或者转矩磁势已经被转子磁势基本平衡掉。同样,图5也可以得到类同的解释。对于阶跃输入的转矩电流,电磁转矩响应结果如图6所示。显而易见,六相电机在该梯形波相电流控制下,电磁转矩的响应速度是较快的。6磁投射后转子结构控制分析(1)该控制策略模拟直流他励的控制方式对六相感应电机实现了解耦控制,真