浮動橋逆變器控制的單位功率因數空心杯感應電機

彭理森，張 波

(華南理工大學 電力學院，廣州 510641)

0 引 言

空心杯感應電機可看作實心轉子感應電機的一種變形：把實心轉子的導電銅層和鐵心分離，導電銅層形成空心杯轉子，鐵心不再隨空心杯轉子一同旋轉，而是固定下來形成內定子鐵心，其結構示意圖如圖1所示[1]。空心杯轉子上無鐵心，轉子質量輕，轉動慣量小；空心杯轉子由整塊金屬鑄造而成，減小了制造缺陷和機械振動的可能性；空心杯轉子還可以和傳動對象一體化制造，簡化加工裝配過程，進一步增強電力傳動系統的可靠性[2]。因此，空心杯感應電機結構簡單，機械強度高，適用于渦輪分子泵、高速車床、家用電器等高速領域[3]。

但空心杯感應電機為轉子無鐵心結構，且存在內外雙氣隙，有效氣隙長度較大，功率因數和輸出功率均比較低。文獻[4-5]對空心杯感應電機的內外氣隙長度及轉子材料進行優化，但所設計樣機功率因數不超過0.6。高速領域常采用逆變器作為電機驅動，直流母線電壓固定，過低的功率因數會進一步降低空心杯感應電機的輸出功率[6]。因此，空心杯感應電機雖然機械性能優良，但在高速領域的應用現狀不如籠型高速感應電機。對空心杯感應電機進行功率因數補償，提高輸出功率，有利于發揮空心杯轉子結構優勢，推動其在高速領域的應用。

目前，基于浮動橋逆變器的雙逆變器拓撲已運用到籠型感應電機以及永磁直線電機上，可實現單位功率因數補償，提高電機的輸出功率范圍[8-10]。同時，浮動橋逆變器無需兩套電源，節省了系統成本與體積，且取消了零序電流，對于空心杯感應電機這種大氣隙電機是一種較好的功率因數補償策略。本文從T型等效電路出發，介紹了空心杯感應電機功率因數補償機理及其對工作特性的影響，給出了浮動橋逆變器的單位功率因數補償控制策略，最后在ANSYS電磁仿真軟件中搭建了空心杯感應電機模型，使用場路耦合仿真驗證了該方法的有效性。

1 功率因數補償機理

圖2為本文空心杯感應電機系統拓撲結構。空心杯感應電機定子繞組為開繞組結構，一端接電源逆變器，另一端接浮動橋逆變器。浮動橋逆變器的特點在于其母線電容電壓Vdc不與直流電源Vs相連接，兩個逆變器的母線電壓彼此獨立。在穩態時，浮動橋逆變器輸出電壓相位滯后定子電流90°，其只發出無功功率，與電源逆變器以及空心杯感應電機之間不存在有功功率交互，故其直流母線電壓維持穩定。通過控制浮動橋逆變器輸出電壓幅值大小可對電源逆變器進行功率因數補償調節。

圖2 空心杯感應電機系統拓撲結構

將浮動橋逆變器等效為可調無功補償電容，電機系統T型等效電路如圖3所示。圖3中，Us為電源逆變器輸出相電壓相量，I1、I′2分別為定、轉子相電流相量，R1、R′2分別為定、轉子繞組電阻，X1、X′2分別為定、轉子繞組漏抗，Xm為勵磁電抗，XC為可調無功補償電容容抗。

圖3 T型等效電路模型

單位功率因數補償下，記XC的值為XC0。由T型等效電路模型可求得XC0表達式：

(1)

空心杯感應電機氣隙較大，耦合系數比較低。以0.8的耦合系數為例，T型等效電路參數選擇：R1=0.38 Ω，R′2=0.32 Ω，X1=12.74 Ω，X′2=12.74 Ω，Xm=10.05 Ω。電機系統相量圖如圖4所示，α為電機本體功率因數角，β為電源逆變器功率因數角，虛線軌跡代表電源逆變器的最大輸出電壓，其受直流母線電壓Vs限制。電機輸入電壓Uin為電源逆變器輸出電壓Us與浮動橋逆變器輸出電壓U之差，其中，U=-jXCI1。

圖4 電機系統相量圖

圖5 電磁轉矩-轉差率曲線

圖6 電源逆變器功率因數-轉差率曲線

2 浮動橋逆變器控制

圖7 電機系統控制框圖

Qs=i1dusq-i1qusd

(2)

(3)

(4)

3 驗 證

在ANSYS有限元仿真軟件中搭建驗證平臺，主要包括三部分：空心杯感應電機模型、功率電路模型以及控制回路模型。空心杯感應電機參數取自文獻[4]所設計的樣機參數，在ANSYS Maxwell軟件中重建電機模型如圖8(a)所示，尺寸參數如表1所示[4]。

表1 電機模型尺寸參數

固定轉子轉速，在浮動橋逆變器進入穩態后，以300 r/min為步長，分別記錄4 000 r/min～5 500 r/min下空心杯感應電機的電磁轉矩Tem以及電源逆變器的功率因數cosβ，仿真結果如圖9和圖10所示。

圖8 仿真模型

圖9 電磁轉矩-轉速曲線

圖10 電源逆變器功率因數-轉速曲線

在XC=0，即無浮動橋逆變器進行無功補償時，電源逆變器的功率因數cosβ等于空心杯感應電機的功率因數cosα。可以看到，cosα不超過0.6，過低的功率因數是由空心杯感應電機的雙氣隙結構決定的。在XC=XC0，即浮動橋逆變器實現單位功率因數補償時，電磁轉矩Tem、功率因數cosβ-轉速曲線趨勢與等效電路模型所推導的一致，證明了浮動橋逆變器可以改善電源逆變器的功率因數以及增大空心杯感應電機的輸出功率。

圖11 電機從起動到穩態的仿真波形

圖11給出了空心杯感應電機從起動到轉速穩定的仿真波形。起動時，浮動橋逆變器的母線電容電壓Vdc為0，電源逆變器輸出的大部分有功功率通過定子繞組給母線電容充電，母線電容電壓Vdc逐漸上升。空心杯感應電機輸送到轉子側的電磁功率較小，電磁轉矩較低，電機在負載轉矩帶動下反轉。當母線電容電壓Vdc逐漸上升，至滿足條件式(4)時，浮動橋逆變器足夠補償空心杯感應電機所需無功，電源逆變器的功率因數cosβ逐漸上升，電機的電磁轉矩增大，轉速升高。可以看到，電磁轉矩的上升趨勢和電源逆變器的功率因數cosβ上升趨勢是一致的。此后，電源逆變器一直工作于單位功率因數下。

4 結 語

本文將浮動橋逆變器應用于空心杯感應電機系統，實現了電源逆變器單位功率因數補償，仿真結果證明了該方法的有效性。該方法彌補了空心杯感應電機功率因數低和輸出功率低的缺點，有利于改善其在高速領域的應用現狀。