一種用于直接轉矩控制的新型無刷勵磁

何 流

(銅陵有色集團中鐵建銅冠投資有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前言

直接轉矩控制以其響應快、動態(tài)性能好、控制方法簡單等優(yōu)點在變頻調速中得到越來越廣泛的應用,而同步電動機具有容量大、效率高、轉動慣量小等特性,用直接轉矩控制來控制同步電動機是一種理想驅動策略。進入21 世紀以來,以永磁同步電機直接轉矩控制技術為代表的相關研究在國內外已獲得深入開拓和發(fā)展,但隨著稀土資源的緊缺和各國資源開發(fā)政策的調整,以稀土作為核心材料的永磁體價格成本不斷上漲,給永磁同步電機的發(fā)展帶來嚴重影響,許多已應用永磁電機的工業(yè)場合在減少或放棄采用永磁電機,用電勵磁替代永磁體是同步電機現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)電勵磁為有刷勵磁,配備換向器和電刷,需要定期維護,并且不能用于易燃易爆場合,常規(guī)無刷勵磁雖然取消了換向器和電刷,但是穩(wěn)態(tài)性能和調節(jié)特性較差,而直接轉矩控制中,對電機的動態(tài)特性要求較高,普通無刷勵磁無法滿足要求。本文介紹的新型無刷勵磁,基于感應電能傳輸技術將勵磁繞組設計成一種旋轉變壓器結構,變壓器一次側接三相交流電源,二次側接整流二極管,具有良好的動態(tài)性能,能夠滿足同步電動機的直接轉矩控制要求,該套技術在國外某大型中資礦山磨機驅動系統(tǒng)中獲得成功應用。

1 基本原理

整套新型無刷勵磁裝置由驅動單元、勵磁變壓器和旋轉整流器三大部分構成。驅動單元為一套低壓交-交變頻器,變頻器中U、V、W 三相電源進線分別連接兩只逆向并聯(lián)的IGCT 晶閘管,利用晶閘管的快速通斷特性完成對輸入電流的調節(jié)控制。變頻器輸出端接勵磁變壓器,變壓器一次側為隱極式三相星形繞組,固定在主電機轉子前端,也稱為勵磁機定子,變壓器二次側安裝在主電機轉子軸上,繞組結構與一次側相同,但會跟隨主電機轉子轉動,也稱為勵磁機轉子。當三相電流通過勵磁機定子繞組時會產生旋轉磁場,勵磁機轉子在旋轉磁場中感應出三相電壓,輸出給旋轉整流器。旋轉整流器連接勵磁機轉子和主電機轉子,將勵磁機轉子上三相感應電壓整流后饋送給主電機轉子,其主要裝置為6 只二極管構成的三相橋式整流回路。整套勵磁系統(tǒng)利用旋轉變壓器原理,完成從三相電源到勵磁變壓器,再到主電機轉子的電能輸送,因為采用高性能可控晶閘管作為控制元件,使勵磁電流調節(jié)更加精準快速。另外,在勵磁電源主回路前端配備換向開關,能夠實現(xiàn)勵磁電流換向,以滿足同步電動機正反轉控制需求。

由于無法在轉子軸上安裝傳感器,因此沒有直接測量值可用于控制。控制單元根據(jù)勵磁機定子側輸入電源的測量值和等效模型,計算并調節(jié)轉子勵磁電流。下面就等效模型和勵磁電流控制方法給出介紹分析。

圖1 勵磁機結構圖

圖2 勵磁系統(tǒng)電路原理圖

2 轉子電流

基于星形連接的變壓器,無刷勵磁等效電路圖如圖3 所示。

圖3 勵磁磁場等效電路圖

由于定子電阻Rs和轉子電阻Rm很小,計算時可以將兩者忽略,因此,化簡后的轉子電流計算公式為:

星形連接的磁場電流:

轉子電流計算:

整流后的轉子電流:

根據(jù)上述推導公式,可以由三相輸入電壓和輸入電流計算出整流后的轉子電流,再通過控制輸入電流來達到間接控制轉子電流的效果。

3 勵磁電流控制

勵磁電流控制由驅動單元即低壓交-交變頻器完成,每相三相電源接兩個并聯(lián)逆向晶閘管,晶閘管的導通頻率決定著電流大小,只需要在變頻器控制軟件中調整參數(shù)就可以實現(xiàn)對勵磁輸入電流的精確控制,但實際應用中往往還要考慮其他因素的影響。

3.1 二極管工作狀態(tài)

由于整流二極管安裝在轉子軸上,建立磁場的勵磁電流取決于二極管工作狀態(tài),兩種工作狀態(tài)下的等效電路圖如圖4 所示。

圖4 二極管導通與不導通等效電路圖

3.2 低通濾波器

當整流的轉子電流減小時,勵磁電流根據(jù)其自身的時間常數(shù)減小。因為勵磁繞組電感很大,電阻非常小,實際的電流變換曲線應該如圖5 所示。

圖5 實際電流變換曲線

為了適當?shù)刂亟▌畲烹娏?一旦整流后的轉子電流減小,就會激活一個低通濾波器。該濾波器基于場激勵時間常數(shù)進行調諧。

3.3 磁場頻率和方向

因為勵磁機轉子安裝在主電機轉子軸上,同步電動機的轉速變化會影響勵磁變壓器的傳輸效率。勵磁變壓器二次側感應磁場的轉差為勵磁機定子電壓頻率加上同步電動機轉速頻率,為減小轉速變化影響,勵磁機電源電壓頻率要至少達到同步電動機頻率的2～3 倍。同時,為避免轉速突變引起的浪涌電流,勵磁機定子電壓磁場方向需要與同步電動機旋轉方向相反,這也是配備輸入電源換向開關的目的,換向開關根據(jù)同步電動機正反轉工作狀態(tài)來控制三相電源相序。

4 動態(tài)響應

傳統(tǒng)無刷勵磁多采用交流發(fā)電機原理,勵磁機定子電流為直流電,產生靜止磁場,通過勵磁機轉子旋轉切割磁場產生感應電流,其動態(tài)特性較差,感應電流隨負載變化波動大。新型無刷勵磁由單獨勵磁回路供電,具有響應時間短、穩(wěn)態(tài)性能好、調節(jié)范圍寬等優(yōu)良特性,只要控制好靜態(tài)誤差,就能達到很好的控制效果。這種無刷勵磁在國外船舶、礦山等行業(yè)已有應用業(yè)績,圖6 為項目現(xiàn)場采用高級直接轉矩控制系統(tǒng)的雙驅環(huán)齒球磨機啟動時電機電流和勵磁電流趨勢圖。

圖6 直接轉矩控制電流變化趨勢圖

5 結語

本文介紹了一種基于感應電能傳輸技術的新型無刷勵磁,其主要結構為驅動單元、勵磁變壓器和旋轉整流器,利用電路等效模型推導出了勵磁電流傳遞關系,并分析了勵磁磁場重建時勵磁電流控制的方法和要點,最后比較傳統(tǒng)無刷勵磁突出新型無刷勵磁的優(yōu)點特性,還給出了實際應用中采用直接轉矩控制技術的電機勵磁電流動態(tài)響應趨勢圖。隨著新能源政策的普及和高性能調速電機需求的不斷上漲,新型無刷勵磁擁有廣泛應用前景。