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摘 要： 摘要 為了拓寬交流傳動系統的恒功率調速運行范圍，在研究多相系統變換理論和多相電機矢量控制的基礎上，提出了一種基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極調速方法。該方法不需要額外增加電機的容量或電流，通過轉子磁場定向矢量控制產生不同平面的諧波電流，
摘要 為了拓寬交流傳動系統的恒功率調速運行范圍，在研究多相系統變換理論和多相電機矢量控制的基礎上，提出了一種基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極調速方法。該方法不需要額外增加電機的容量或電流，通過轉子磁場定向矢量控制產生不同平面的諧波電流，驅動電機旋轉，從而控制電機實現了在不停電情況下的電子變極，而且變極過程平滑，無大的轉矩波動。本文以九相感應電機為例，對提出的方法進行實驗驗證，給出了其在轉子磁場定向矢量控制下的 3 對極和 9 對極之間相互電子變極的實驗結果。實驗結果表明，所提出的方法能夠在不停電的情況下實現電子變極調速，有效地提高了電機恒功率調速運行范圍。
關鍵詞：電子變極 轉子磁場定向矢量控制 恒功率調速范圍 多相感應電機
1 引言
在許多應用場合，如機床用伺服系統、艦船推進系統、航空器驅動、飛輪儲能系統等，要求傳動系統既能在低速時提供大的轉矩，又具有寬廣的恒功率調速運行范圍，然而目前由傳統三相感應電機構成的交流傳動系統調速范圍有限。常用的解決方法是簡單地采用更大功率電機和大容量變頻器，但是這樣電機體積和功率器件的容量都要增大，在經濟和能源上造成很大的浪費[1-3]。
為解決上面所述缺陷，大量學者研究了電機定子繞組結構，通過改變定子繞組線圈的連接方式讓電機工作在不同的極對數模式下。文獻[4]通過在低速時采用大的極對數，在高速時采用小的極對數，來滿足低速大轉矩和寬廣的恒功率運行范圍的要求，這種方法的缺點是需要停電切換，切換過程不輸出轉矩，且切換過程是不連續、不平滑的，有沖擊電流和沖擊轉矩。文獻[5]通過具有兩套 Y 形聯結的三相感應電機實現了 1 對極和 2 對極之間的變極，但在變極的暫態過程中會產生徑向力，嚴重影響軸承的壽命。文獻[6-9]實現了多相電機多相電流或者不同極對數的電流控制，但是沒有實現電子變極。文獻[10]利用多相電機多個控制自由度的特性，在一臺九相感應電機中，通過多相電機轉差頻率控制產生不同平面的諧波電流，使電機在不同極對數的旋轉磁場下旋轉，實現了在不停電情況下的電子變極，但是其動態性能不佳。
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本文基于多對極多相系統變換理論，利用多相電機具有多個控制自由度的特點，提出基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極方法，實現了在不停電的情況下連續平滑的電子變極，拓寬了電機恒功率調速運行范圍。
2 電子變極技術的實現
2.1 電子變極基本理論
n 相對稱系統在固定坐標 α-β 變換坐標系下的恒功率坐標變換矩陣 C 如式(1)所示，該矩陣實現了對多相系統的解耦[11, 12]。式中，v 為諧波次數;1, 2, 3,…v 分別是各次諧波在任意速坐標系下的相位電角度;α=2π/n。式(1)矩陣的第 1、2 行構成 q1-d1 平面，對應著基波平面;第 3、4 行構成 q2-d2 平面，對應著 2 次諧波平面，依次類推可以得到各次諧波平面。 當 n 為偶數時，電機存在的 q-d 平面個數 m=(n-2)/2;當 n 為奇數時，m=(n-1)/2，在這時坐標變換矩陣 C 應刪去最后一行。此外需要說明的是，若繞組結構為 2/n 相帶分布，則有偶次諧波平面;若繞組結構為/n 相帶分布，則沒有偶次諧波平面，應在該矩陣中去掉各偶次諧波平面對應的兩行。根據式(1)的坐標變換矩陣可知，在多相情況下多相電機的相電流變換后將形成 m 組 α-β 分量，稱為 m 個控制自由度或者 m 個控制平面。電子變極的原理就是利用多相電機具有多控制自由度的特點，通過控制相電流的相位生成不同極對數的旋轉磁場，達到三相電機所不能實現的不停電下的電子變極。具體的電子變極原理可參考作者的其他文章[10]。
感矩陣;下標 s、r 分別表示定、轉子;sr 表示互感。根據式(1)在 α-β 變換坐標系下將定子電壓和電流變換為直流分量，使電機在各個 q-d 平面不存在耦合，以便進行控制。
3 實驗結果及其分析
為了對提出的基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極技術進行驗證，本文以九相感應電機為實驗對象，驗證了 1、3 次諧波平面間變極切換。本文實驗所用九相感應電機參數：額定功率 10kW，額定轉速 1 000r/min，相電壓 232V，相電流 6.3A，極對數 3。由電壓源逆變器供電，直流母線電壓 700V，逆變器開關頻率 8kHz。實驗電機如圖 2 所示。
設計了一套以 32 位浮點 DSP TMS320F28335 和 FPGA 芯片 cyclone EP1C6240C6 為控制核心的實驗裝置，實驗裝置的基本框圖如圖 3 所示。
圖 4 為九相電機在轉子磁場定向矢量控制下，給定轉速 100r/min(5Hz) 時參考電壓波形、實際的電壓波形和定子電流波形(從上到下)。由圖 4 中可知，在轉子磁場定向矢量控制下，定子諧波電流得到了有效地抑制，轉子磁場定向矢量控制的效果還不錯。
圖 5 為電機給定轉速在 100r/min 時 9 對極向 3 對極進行電子變極的實驗波形。可見在 9 對極向 3 對極變極過程中，當 i3ds 和 i3qs 逐漸減小為 0 的同時， i1ds 和 i1qs 逐漸增大，最后到達穩定，電機最終在 3 對極模式下運行。
圖 6 為電機在給定轉速在 100r/min 時，3 對極向 9 對極進行電子變極的實驗波形。可見在 3 對極向 9 對極變極過程中，當 i1ds 和 i1qs 逐漸減小為 0 的同時，i3ds 和 i3qs 逐漸增大，最終穩定運行在 9 對極模式下。
圖 7 為電機在加速過程進行電子變極的電流和速度波形，從 9 對極下的 30r/min 加速到 3 對極下的額定轉速 1 000r/min，在 333r/min 的時刻從 9 對極切換到 3 對極，從圖中可見，所提出的方法在加速的動態過程中也實現了很好的變極，過渡過程比較理想。
圖 8 為電機在減速過程進行電子變極的電流和速度波形，從 3 對極下的額定轉速 1 000r/min 減速到 9 對極下的 30r/min，在 333r/min 的時刻從 3 對極切換到 9 對極，從圖中可見，所提出的方法在減速的動態過程中也實現了很好的變極，過渡過程比較理想。由實驗結果可知，本文提出的基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極方法，能夠實現九相電機在 3 對極和 9 對極之間相互進行電子變極，擴大電機的恒功率調速運行范圍。
4 結論
基于轉子磁場定向矢量控制的多相感應電機電子變極方法是多相電機交流傳動系統的一個重要組成部分，多相電機在不同極對數之間的電子變極研究表明該方法能擴大電機的恒功率運行范圍，高速時采用較小的極對數，可以實現高轉速，同時相同的速度相對變頻調速系統具有較低的電流頻率，從而減小開關頻率和鐵耗。最后通過實驗驗證了所提的方法，在電子變極過程中，電流和轉矩過渡平穩。——論文作者：楊家強 高 健 金玉龍 胡浩峰
參考文獻
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