基于飛輪儲能的無軸承無刷直流電機控制系統設計

崔新生　劉奕辰

摘 要：飛輪儲能系統是一種新型的清潔儲能方式。相比于其他形式的儲能設備，具有比功率大、充放電快、壽命長、無污染等特點，得到了人們的廣泛關注。如何提高電機轉速、減小損耗成為飛輪儲能研究的重點。無軸承無刷直流電機是一種新型的高性能電機，具有無摩擦磨損、速度高、壽命長、體積小、結構簡單等特點，適于作為飛輪儲能的驅動電機。本文分析了無軸承無刷直流電機懸浮力產生的原理，設計了控制系統，并搭建了仿真平臺。最后利用樣機對充放電過程進行模擬實驗。其結果表明，無軸承無刷直流電機在充放電過程中具有良好的動態響應能力和穩定性，適合作為飛輪儲能系統的驅動電機。

關鍵詞：無軸承無刷直流電機；飛輪儲能；控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.110

0 引言

面對環境污染和能源危機的雙重壓力，新能源的開發和利用已經迫在眉睫。常見的儲能方式有蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能、抽水儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等。其中，飛輪儲能以其比能量高、比功率大、體積小、充放電快、壽命長、對環境無污染等特點，在電動汽車、電網補償、航空航天、不間斷電源等領域起到了重要的作用[1-2]。但是，飛輪儲能系統的運行研究也存在著諸多瓶頸，例如高速超高速電機運行的穩定性、飛輪自身的機械強度、軸承支承技術等，其中使用傳統機械軸承支承技術帶來的摩擦磨損，成了限制驅動電機轉速和增加飛輪損耗的主要因素之一。以無軸承無刷直流電機作為飛輪儲能驅動電機，不僅可以減小摩擦磨損、提高電機轉速，還可以克服單純使用磁軸承帶來的體積大、軸向空間長等不足。

1 懸浮力產生的原理

在無軸承無刷直流電機中，其電磁轉矩產生的原理與傳統的無刷直流電機相同。下面詳細介紹徑向懸浮力產生的原理。當轉子角位置=30°時，由轉矩繞組B、C通電控制轉子旋轉；由懸浮力繞組a1、a2通電控制轉子懸浮。當繞組a1通以如圖1所示方向的電流時，氣隙1處的磁密增加而氣隙2處的磁密減小，轉子兩側氣隙磁密的不平衡導致其受到沿x軸正方向的懸浮力；同理可分析當懸浮力繞組a2通電時能產生沿y軸方向的懸浮力。因此通過控制懸浮力繞組a1與a2中電流的大小和方向便可得到xoy平面內任意的懸浮力矢量。

2 無軸承無刷直流電機控制系統

圖2是無軸承無刷直流電機控制系統框圖，包括電機充放電系統和磁懸浮系統[3-4]。

當電機處于電動狀態時，采用轉速、電流雙閉環調速系統，轉速環為外環，電流環為內環，并設置有轉速調節器SCR和電流調節器ACR。通過檢測電機實時轉速n，與參考轉速n*做差后經轉速調節器SCR得到電流的參考值i*；再換算成電壓信號和轉子位置信息一同輸入控制器中，得到轉速控制信號。

當電機處于發電狀態時，發電機輸出三相對稱的電勢，經過整流濾波環節，得到穩定的直流電壓；隨著電能的釋放，飛輪轉子的轉速逐漸降低，使得定子中產生的感應電動勢也逐漸降低，需要增加一個升壓穩壓模塊，以穩定電壓。如需使用交流電，則只要再經過一個逆變穩壓模塊，就可以得到通用的220V交流電。

當懸浮力子系統工作時，如轉子發生偏心，位移傳感器檢測實際位移大小，并與參考位移做差后經過PID調節，得到懸浮力參考值；根據懸浮力參考值計算出懸浮力繞組電流參考值，再換算成電壓信號與轉子位置信號一同輸入控制器中，得到懸浮力控制信號。

3 系統仿真

通過MATLAB/Simulink軟件平臺搭建了無軸承無刷直流電機控制系統模型，來驗證無軸承無刷直流電機控制系統在電動和發電狀態下的可行性與可靠性。

圖3是轉速響應曲線，從圖中可以看出，轉速響應很快，約0.04s后達到額定轉速，超調量很小，當0.2s施加負載以后，轉速能很快的（約為0.03s）回到額定轉速，轉速基本不受負載的變化而變化。

圖4 是分別是輸出電壓和感應電流曲線。輸出電壓15ms達到穩定狀態。感應電流基本呈現三相對稱正弦波，10ms之后進入穩態過程。

圖5分別是x方向和y方向的位移曲線，從圖中可以看出，轉子能很快的（小于0.01s）收斂于電機中心位置，轉子能夠實現了穩定懸浮。

4 實驗過程

利用無軸承無刷直流電機搭建實驗平臺。以無軸承無刷直流電機電動狀態模擬飛輪儲能充電過程，以無軸承無刷直流電機發電狀態模擬飛輪儲能平穩放電過程。

圖6是轉速響應曲線，轉速在0.38s內達到額定轉速，加速過程近似于勻加速，轉速平穩增加，無超調量?？梢?，無軸承無刷直流電機轉速響應良好。

圖7是發電電壓波形，在0.1s后電壓達到穩定的220V，在0.2s時負載減小，在0.35s時負載增加?？梢姡l電電壓能夠很快恢復到正常值，負載變化時，電壓波動誤差為4%左右，滿足發電要求。

如圖8所示，當懸浮力子系統工作時，轉子會迅速回到中心位置，其振動的幅度約50um遠小于氣隙寬度（Lg=1mm）；表明轉子能夠穩定懸浮于中心，懸浮力子系統具有良好的工作性能。

由上述實驗結果可知，無軸承無刷直流電機在電動機狀態和發電機狀態都具有良好的動態響應能力和穩定性，懸浮力子系統也具有較好的穩定性，適用于飛輪儲能系統。

5 結論

本文分析了無軸承無刷直流電機懸浮力產生的原理，設計了其控制系統，并搭建了數字控制實驗平臺，以無軸承無刷直流電機模擬飛輪儲能驅動電機，并針對電動機狀態和發電機狀態分別進行了仿真和實驗研究，同時，對磁懸浮系統也進行了實驗研究。其結果表明，在電動狀態下，電機可以迅速達到額定轉速，并具有良好的轉速響應；在發電狀態下，電壓可以穩定在220V，即使負載發生變化，輸出電壓也能很快恢復穩定；當懸浮力子系統運作時，轉子能夠迅速懸浮于中心，且具有良好的穩定性。

參考文獻：

[1]陳鳳，成彬，王濤等.磁懸浮飛輪儲能設備在UPS系統中的應用研究[J].通信電源技術，2012，29（02）：1-4.

[2]馮奕，顏建虎.基于飛輪儲能的風力發電系統仿真[J].電力系統保護與控制，2016，44（20）：94-98.

[3]Ooshima M，Kobayashi S，Tanaka H.Magnetic suspension performance of a bearingless motor/generator for flywheel energy storage systems[C].Proceedings of 2010 IEEE Power Engineering Society General Meeting.Minneapolis：USA，2010：1-4.

[4]Ooshima M，Kitazawa S，Chiba A，et al.Design and analyses of a coreless-stator-type bearingless motor/generator for clean energy generation and storage systems[J].IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（10）：3461-3463.

作者簡介：崔新生（1962-），男，助理工程師，從事電機及控制教學和研究。