一種雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置的設(shè)計

韓林睿， 鄧永紅

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，河北 廊坊 065201)

0 引 言

自交流感應(yīng)電動機(jī)流行以來，三相與單相感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速控制的研究是大家關(guān)注的焦點，而目前人們開始將目光轉(zhuǎn)向雙相感應(yīng)電動機(jī)，尤其是在航天起動系統(tǒng)與油田測井勘探等領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。然而，目前雙相電動機(jī)的學(xué)術(shù)課程與實驗在高校較缺乏，為能夠使大學(xué)生進(jìn)行雙相電動機(jī)控制的實驗，了解雙相電動機(jī)的控制，設(shè)計搭建了雙相電動機(jī)控制實驗裝置[1-6]。

雙相感應(yīng)電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子與定子兩大部分，定子無論是采用分布繞組還是集中繞組，均分為雙相，且雙相繞組的軸線在空間上相距90°的電氣角[7]。因此，為輸出穩(wěn)定的雙相90°電壓，逆變電路可以采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 技術(shù)。相比于采用正弦波脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術(shù)方式， SVPWM 方式諧波含量低，開關(guān)損耗小，已廣泛應(yīng)用于各類電動機(jī)驅(qū)動控制中[8-13]。SiC 功率器件與 Si 器件相比在功耗、開關(guān)頻率和工作結(jié)溫上的優(yōu)勢能有效提高電動機(jī)驅(qū)動器的效率和功率密度，更能適應(yīng)飛機(jī)和其他行業(yè)電動機(jī)對驅(qū)動器的要求[14-16]。本文基于SPWM技術(shù)，采用SiC 功率器件設(shè)計了一種雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置，通過實驗測試驗證了裝置對雙向電動機(jī)穩(wěn)定的變頻驅(qū)動能力。

1 實驗裝置設(shè)計方案

雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置設(shè)計方案框圖如圖1所示，主要由3個模塊構(gòu)成，分別是整流逆變模塊、濾波模塊雙向電動機(jī)模塊。

圖1 雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置設(shè)計框圖

圖1中的整流逆變模塊使用了6個開關(guān)(或1個IGBT智能功率模塊)。其中T1與T22個開關(guān)和2個二極管用于功率因素校正的整流器，其他4個開關(guān)(S1、S2、S3、S4)及其相應(yīng)的二極管用于兩相變頻。此驅(qū)動方式可以提高輸入功率因數(shù)并減少輸出電壓的諧波[17]。

同時實驗使用將分相電容去掉的單相雙值電容感應(yīng)電動機(jī)，將其改造為有2個獨立繞組的雙相感應(yīng)電動機(jī),如圖2所示。圖2中虛線將U1與Z1接線端子處斷開連接U1與Z1,即將其改造為兩個獨立繞組的雙相感應(yīng)電動機(jī)。

2 SVPWM控制算法

2.1 兩相逆變器的空間矢量

圖3顯示了當(dāng)4個開關(guān)被調(diào)整時在兩相逆變器中形成的4種開關(guān)狀態(tài)，分別標(biāo)記為4項空間矢量:V1、V2、V3、V4。基于4個單獨開關(guān)的4個可能組合，標(biāo)記為“0”表示連接到直流負(fù)級輸出端，開關(guān)的導(dǎo)通方向如圖示中向上。“1”代表一個連接到直流正極輸出端，開關(guān)的導(dǎo)通方向如圖示中向下。

圖2 單相雙值電容的電動機(jī)控制實驗裝置方案框圖

圖3 逆變器的開關(guān)狀態(tài)圖

圖4 逆變器兩相開關(guān)的空間矢量圖

2.2 兩相逆變器的SVPWM中開關(guān)時間確定

如圖5所示，設(shè)定V′是處于象限Ⅰ的參考向量，它是由4個空間矢量V1、V2、V3、V4決定的。將V′分解至V1和V2空間矢量上，得到V′在V1和V2上的持續(xù)時間t1和t2。空間矢量的采樣間隔為Ts，則引入ΔV作為V′滿足采樣間隔Ts的補(bǔ)充向量。

但由于沒有零矢量，采樣間隔的剩余時間應(yīng)在主象限(象限I)和對角線象限(象限III)度過。因此定義向量(V′+ΔV/2)為主象限I的主向量;則向量(-ΔV/2)為相應(yīng)的約束向量。

圖5 SVPWM中開關(guān)時間的確定

將向量(V′+ΔV/2)分解至V1和V2空間矢量上，其持續(xù)時間為t10與t20；將向量(-ΔV/2)分解至V3和V4上，其持續(xù)時間t21與t11，根據(jù)以上參數(shù)，可以得到采樣間隔如下：

Ts=t10+t20+t11+t21

(1)

同時可以根據(jù)下式:

(2)

(3)

得出t10、t20、t21與t11的算法方程:

(4)

式中:|>V′+ΔV|為空間矢量的最大電壓值，V；|>V′+ΔV/2|為主向量的相應(yīng)電壓值，V；|>-ΔV/2|為約束向量的相應(yīng)電壓值，V；θ為圖4中參考向量與空間矢量V1的夾角;Udc為單相交流供電經(jīng)過T1與T22個開關(guān)和2個二極管整流后，得到的直流電壓，V；Ts為采樣時間，s。

2.3 SVPWM中開關(guān)切換順序的確定

當(dāng)參考矢量V1停留在任何扇區(qū)時，為了使兩相逆變器中的SVPWM電壓波形達(dá)到最佳，需要修改開關(guān)順序。正確的開關(guān)順序可以使轉(zhuǎn)矩紋波最小化并降低平均開關(guān)頻率。兩相SVPWM中的開關(guān)順序的確定為兩相對稱調(diào)制。為了實現(xiàn)參考向量V′、4個空間向量和4個時間長度，必須在采樣時間內(nèi)由4個開關(guān)來調(diào)整，相關(guān)調(diào)整式為

TsV′=t10V1+t20V2+t11V3+t21V4

(5)

當(dāng)A相的逆變腳打開1次開關(guān)，B相的逆變腳的開關(guān)在此期間進(jìn)行2次切換。為了保證輸出電壓在扇區(qū)之間的邊界處變得連續(xù)，開關(guān)順序如圖6所示。

(a) 象限Ⅰ>

設(shè)A相逆變腳打開1次開關(guān)的持續(xù)時間為TA;B相逆變腳在此期間的2次開關(guān)切換持續(xù)時間分別為TB1和TB2。每象限的TA、TB1和TB2是不同的，根據(jù)圖6，整理以下兩相對稱調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)表(見表1)，表中D為當(dāng)信號發(fā)生變化時邊緣觸發(fā)的方向。

表1 SVPWM開關(guān)狀態(tài)表

3 實驗結(jié)果與分析

如圖7所示為一雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置現(xiàn)場測試圖片。實驗?zāi)康模候炞C雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置在空載的工況下，正常輸出兩相達(dá)成90°輸出相位差。

圖7 雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置現(xiàn)場測試

實驗通過提供50、100、200 V的電源輸入電壓，使用濾波器測試輸出結(jié)果。輸出結(jié)果如圖8所示。

(a) 50 V>

圖8波形圖中C1與C2并分別代表逆變器兩相輸出，兩相輸出在升壓過程中的相位差如圖中P2，始終保持約90°的輸出，誤差不超1°。輸出平均電壓均為輸入電壓的1/2，波形穩(wěn)定，驗證了以上SVPWM的逆變算法正確，雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置能實現(xiàn)對雙相電動機(jī)的穩(wěn)定控制。

4 結(jié) 論

雙相感應(yīng)電動機(jī)控制實驗裝置采用SVPWM技術(shù)對雙相電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動已經(jīng)通過實驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)對雙相感應(yīng)電動機(jī)的有效控制，能夠輸出穩(wěn)定的互差90°的電壓波形。將該實驗引入電動機(jī)教學(xué)實踐，能夠補(bǔ)充目前雙相電動機(jī)控制實驗教學(xué)的空白，能全面提升學(xué)生對于電動機(jī)控制的認(rèn)識，學(xué)習(xí)與了解到對新型SVPWM技術(shù)的應(yīng)用。