基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機異步起動控制方法

趙探探 于克訓 梁嘉豪 謝賢飛

基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機異步起動控制方法

趙探探 于克訓 梁嘉豪 謝賢飛

（強電磁技術全國重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074）

在工業(yè)應用中，為了保證無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性，控制側一般采用小容量變頻器，因此通常采用異步起動控制方法進行起動。現(xiàn)有起動控制策略和所需設備較為復雜，或者需要特定的電機結構才能實現(xiàn)。針對這些問題，該文提出一種改進能量吸收電路的調(diào)速系統(tǒng)拓撲。并基于無刷雙饋電機同步-異步相串聯(lián)等效電路對電機的異步起動轉矩特性進行了分析，推導了新拓撲的等效串聯(lián)電阻表達式。據(jù)此設計了無刷雙饋電機定時間定導通比、定轉速定導通比的異步起動控制方法，在不增加額外設備的基礎上，實現(xiàn)了無刷雙饋電機的異步起動控制。仿真和實驗結果都證明了控制方法的可行性。該方法簡化了無刷雙饋電機異步起動控制算法的開發(fā)難度，有利于無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的推廣。

無刷雙饋電機 異步起動控制 能量吸收電路 等效串聯(lián)電阻

0 引言

節(jié)能減排是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要工作內(nèi)容。與此同時，提高電能利用效率是“十四五”節(jié)能減排工作的重點要求。在工業(yè)領域，對于小范圍調(diào)速的各類風機和泵，通過配備小容量變頻器的有刷雙饋電機串級調(diào)速系統(tǒng)來調(diào)節(jié)流量與壓力，能在控制傳動系統(tǒng)成本的同時，大幅降低傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)使用風門或閥門調(diào)節(jié)流量和壓力帶來的能量損失，因此被廣泛應用于工廠的節(jié)能減排改造工 程[1-3]。隨著無刷雙饋電機（Brushless Double-Fed Motor, BDFM）的不斷發(fā)展，由于其運行特性與有刷雙饋電機相似，且沒有電刷和集電環(huán)，也逐漸被應用于各類風機和泵的調(diào)速系統(tǒng)[2-5]。無刷雙饋電機具有高可靠性、低維護成本等特點，十分適用于環(huán)境惡劣、維護困難以及具有防爆要求的采油、石化、電廠等場合，受到了許多學者的關注[5-10]。在實際應用中，無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的成功起動非常重要。如若油田注水泵起動失敗，會導致地面下陷，采油困難；若熱電廠循環(huán)水泵起動失敗，會導致發(fā)電機組觸發(fā)高溫保護而停機。因此，對于無刷雙饋電機起動控制方法的研究十分必要。

近年來，關于無刷雙饋電機起動控制方法的研究主要集中在異步和雙饋起動控制。文獻[10]根據(jù)電機氣隙磁場調(diào)制行為分析了無刷雙饋電機的運行模式及轉矩成分，為研究電機起動控制提供了理論基礎。文獻[11]摒棄了傳統(tǒng)串接分級電阻的無刷雙饋電機異步起動方法，基于控制側逆變器等效虛擬電阻理論，通過改變逆變器下橋臂導通比來調(diào)整控制側接入的等效電阻大小，進而實現(xiàn)電機的異步起動，該方法控制較為靈活且能實現(xiàn)轉速的平滑上升。對于繞線轉子無刷雙饋電機，文獻[12-13]提出了一種采用復合線圈組的轉子繞組結構，該結構能在起動工況下增大轉子繞組折算值，從而降低起動電流并提高起動轉矩。進一步地，文獻[14-17]在轉子繞組為復合線圈組結構的基礎上，提出通過大小雙星形的定子繞組結構來產(chǎn)生多個極對數(shù)的諧波磁場，以此進一步地增大了無刷雙饋電機異步起動轉矩，提高了電機自起動能力。文獻[18]參考發(fā)電機同步并網(wǎng)控制，設計了低壓系統(tǒng)中無刷雙饋電機雙饋起動控制方法，并通過實驗證明了其可行性。文獻[19]進一步改進了無刷雙饋電機異步和雙饋起動控制方法，分別提出了基于虛擬電阻的恒轉矩異步起動控制策略與基于定子控制繞組開路電壓跟蹤的雙饋起動控制策略，具有較高的推廣應用價值。文獻[20-21]采用無刷雙饋電機雙逆變器控制方法，避免了功率繞組直接接入恒定頻率電源時的起動問題，電機轉速隨著逆變器輸出頻率的增加而上升，進而完成電機的起動過程，這為設計無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的拓撲提供了新的思路。上述這些起動控制方法，控制策略和所需設備較為復雜，或者需要特定的電機結構才能實現(xiàn)，一定程度上限制了其實際工業(yè)應用。

在實際工業(yè)應用中，為了保證無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性，控制側一般采用小容量變頻器，不能滿足雙饋起動對變頻器容量的需求，因此通常采用異步起動控制方法。為進一步優(yōu)化無刷雙饋電機異步起動控制方法，通過改進常規(guī)無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲，本文提出了兩種基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機異步起動控制方法，在不增加額外設備的基礎上，實現(xiàn)無刷雙饋電機的異步起動控制。本文首先，基于無刷雙饋電機同步-異步相串聯(lián)的等效電路對電機的異步起動轉矩特性進行了分析，指出在自然同步速以下，電機的轉矩由功率側轉矩和控制側轉矩相疊加而成，并推導出其異步起動轉矩表達式。其次，基于現(xiàn)有無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)結構，提出了一種基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲，并介紹了其工作原理。然后，推導了新系統(tǒng)拓撲的等效串聯(lián)電阻表達式，給出了定時間定導通比、定轉速定導通比兩種起動控制方法。最后，進行了仿真分析，并通過實驗進一步驗證了這兩種異步起動控制方法的可行性，為無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)異步起動控制提供了新的參考。

1 無刷雙饋電機異步起動轉矩特性分析

無刷雙饋電機作為一種典型的雙電氣端口電機，一般具有兩套定子繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組。其轉子需要特殊設計以耦合兩種極對數(shù)不同的定子磁場，進而實現(xiàn)機電能量轉換。其中繞線轉子無刷雙饋電機以其電流回路單一、參數(shù)設計靈活、諧波抑制效果好的特點，已成為實際應用最為廣泛的無刷雙饋電機。因此本文以常見的繞線轉子1/3對極無刷雙饋電機為例，研究其異步起動控制方法。為分析無刷雙饋電機異步起動轉矩特性，參照文獻[22]，通過將無刷雙饋電機的兩個定子回路折算至轉子側，可得如圖1所示的無刷雙饋電機同步-異步相串聯(lián)等效電路模型。據(jù)此可以看出無刷雙饋電機可等效為兩臺有刷雙饋電機的串聯(lián)疊加。

圖1 無刷雙饋電機同步-異步相串聯(lián)等效電路

圖1中，分別表示對應繞組側的感應電動勢、電流、電阻、電抗、轉差率；下標pc、r分別表示功率側、控制側、轉子側，下標m、l分別表示對應繞組側的主電抗、漏電抗；上標“”表示對應量為折算量。具體詳細推導過程見文獻[22]。根據(jù)此等效電路，忽略電機機械損耗，根據(jù)電機學原理，系統(tǒng)輸出的電磁轉矩可表示為

式中，em、emp、emc分別為系統(tǒng)輸出的總電磁轉矩、功率側輸出的電磁轉矩、控制側輸出的電磁轉矩；emp和emc分別為功率側和控制側的電磁功率；pr和cr分別為功率側和控制側磁場對應的機械角速度。其中電磁功率和機械角速度可分別表示為

進而可以作出無刷雙饋電機異步轉矩特性曲線如圖2所示。

圖2 無刷雙饋電機異步轉矩特性曲線

由圖2可以看出，無刷雙饋電機的異步轉矩為由功率側和控制側各自對應的轉矩分量emp、emc之和。對于1/3對極無刷雙饋電機，在0 r/min至功率繞組同步速3 000 r/min范圍內(nèi)，其總異步轉矩存在三個過零點、兩個極大值點和一個極小值點。其中，一個過零點位于控制繞組通直流電時的系統(tǒng)自然同步轉速750 r/min，一個位于功率繞組旋轉磁場的同步轉速3 000 r/min，還有一個位于這兩點之間。圖2還說明了無刷雙饋電機異步起動轉速為什么都是穩(wěn)定在電機自然同步速以下，這是由于電機的第一個轉矩極大值點在自然同步速以下，如果轉速繼續(xù)上升，則異步轉矩將會減小至負值，系統(tǒng)將難以滿足負載的轉矩需求。負載轉矩越大，其異步起動的轉速穩(wěn)定點將離自然同步速越遠。同時，當控制繞組接入電源時，無刷雙饋電機還將具有與功角關聯(lián)的同步轉矩特性，這時其總的轉矩特性是異步與同步轉矩特性的疊加。

從旋轉磁場的角度，能進一步分析無刷雙饋電機異步起動時其轉矩產(chǎn)生的機理。對于無刷雙饋電機異步工況，當轉子轉速在自然同步速以下時，其感應磁場旋轉方向如圖3所示。圖3中，r為轉子轉速，p為功率繞組產(chǎn)生的磁場轉速，rp、rc分別為轉子繞組產(chǎn)生的1對極、3對極磁場轉速，c為控制繞組產(chǎn)生的磁場轉速。當電機異步起動轉子速度低于自然同步速時，功率繞組磁場旋轉切割轉子，在轉子繞組中感應出電流，產(chǎn)生了功率側異步轉矩。同時，此電流經(jīng)過轉子繞組的調(diào)制，將產(chǎn)生兩個相對于轉子旋轉方向相反且極對數(shù)不同的旋轉磁場。以1/3對極無刷雙饋電機為例，轉子產(chǎn)生的1對極旋轉磁場的旋轉速度rp方向與轉子旋轉速度同向，3對極旋轉磁場的旋轉速度rc，由于轉子轉速低于自然同步速（rc＞0），因此其空間旋轉方向仍與轉子旋轉方向相反。此時轉子產(chǎn)生的3對極旋轉磁場將旋轉切割定子控制繞組，由于為異步起動狀態(tài)，控制繞組沒有接入電源，因此在控制繞組中將產(chǎn)生與3對極旋轉磁場同方向旋轉的感應電流，進而生成轉速為c的控制繞組磁場，這產(chǎn)生了控制側異步轉矩。對于其產(chǎn)生的電磁轉矩方向，由轉差定義的正方向確定，即主磁場和從磁場的差。則從轉子上看，對于功率側的旋轉磁場，轉子磁場為從磁場，因此其對轉子產(chǎn)生的電磁轉矩方向與主磁場方向一致，為正即逆時針方向。對于控制側的旋轉磁場，轉子磁場為主磁場，因此其對轉子產(chǎn)生的電磁轉矩方向與從磁場方向相反，也為正即逆時針方向。這從磁場的角度再次說明了自然同步速以下無刷雙饋電機的異步起動轉矩為功率側和控制側產(chǎn)生的異步轉矩的和。這也表明無刷雙饋電機有較高的異步起動轉矩，具有較好的起動和帶載能力。此外，對于自然同步速以上的異步轉矩，也可按上述流程分析，由分析結果可得，在部分轉速區(qū)間內(nèi)其功率側和控制側異步轉矩方向相反。這也表明無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)需要在雙饋工況下才能到達自然同步速以上。

圖3 無刷雙饋電機異步起動旋轉磁場示意圖

2 基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲

工業(yè)上常用的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲如圖4所示，無刷雙饋電機的功率繞組和控制繞組分別連接電網(wǎng)和變頻器。變頻器只需提供轉差功率，其容量根據(jù)負載的調(diào)速范圍來設計，調(diào)速范圍越大所需變頻器容量就越大；反之，則越小。根據(jù)雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的特點，其主要優(yōu)勢在于僅需小容量變頻器即可實現(xiàn)部分范圍調(diào)速。因此，目前無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的應用工況主要為部分范圍調(diào)速，其調(diào)速系統(tǒng)所用變頻器容量僅為整個電機容量的一部分，小于負載功率，調(diào)速系統(tǒng)成本較低。同時，根據(jù)實際應用發(fā)現(xiàn)無刷雙饋電機在超同步速工況時，其轉子繞組電頻率表達式如式（5）所示，亞同步速工況如式（6）所示。因此，當電機在超同步范圍內(nèi)調(diào)速時，其轉子鐵耗較小，系統(tǒng)效率較高。而且，一般將系統(tǒng)的調(diào)速范圍設為自然同步速以上，在這種工況下，調(diào)速系統(tǒng)正常運行時沒有能量回饋電網(wǎng)，故整流單元常選用不控整流橋以進一步降低系統(tǒng)成本。

式中，為相應繞組的電頻率。

圖4所示的調(diào)速系統(tǒng)還能保證在變頻器出現(xiàn)故障時，電機能切入控制繞組短路狀態(tài)，進而實現(xiàn)無刷雙饋電機的故障旁路異步運行。此緊急工況下要保證電機異步運行時的功率不小于負載功率的最低需求，以滿足變頻器出現(xiàn)故障時保障系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。

圖4 典型無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲

對于現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)常用的起動控制方法，一般為異步起動控制，這是由于該系統(tǒng)采用的是小容量變頻器，不能滿足雙饋起動控制方法對變頻器容量的要求。現(xiàn)今無刷雙饋電機的異步起動控制方法主要通過控制繞組串接分級電阻完成，起動過程中的轉矩-轉速曲線如圖5所示，c0、c1、c2、c3、c4分別為控制繞組串接的不同阻值的電阻，通過改變電阻的阻值來維持起動轉矩。這種起動方法優(yōu)點是控制策略較為簡單，只需進行不同阻值電阻的切換，而缺點是因電阻阻值變化的跳躍性，在電阻切換瞬間電機電流和轉矩會發(fā)生突變，同時還需配備電阻柜，增加了系統(tǒng)設備。此外，還有通過控制逆變橋下橋臂導通比來等效虛擬電阻的異步起動方法，能做到電阻阻值變化的連續(xù)性，避免了串接電阻的不足，但是這需要對逆變單元下橋臂單獨控制，無法在商用變頻器平臺上實現(xiàn)該異步起動控制算法。這對于無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的工業(yè)推廣不利，需要進一步改進簡化。

圖5 無刷雙饋電機異步起動串接電阻時轉矩特性

為此，本文提出一種基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲如圖6所示，此拓撲僅改變了能量吸收電路的連接方式，在沒有增加額外的設備的基礎上，能完成無刷雙饋電機的平滑起動。能量吸收電路本身是變頻器安全運行需要配備的設備，能保護直流母線電壓的穩(wěn)定，特別是對調(diào)速系統(tǒng)有制動要求的工況必須配備。此拓撲改進的能量吸收電路不僅能在系統(tǒng)運行時保證母線電壓的穩(wěn)定，還能在異步起動時實現(xiàn)串接等效電阻的功能。

圖6 改進能量吸收電路的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲

改進能量吸收電路的運行狀態(tài)通過接觸器的通斷進行切換控制。系統(tǒng)拓撲的接觸器控制邏輯如圖7所示，其中紅色實線開關表示接觸器導通狀態(tài)，黑色虛線開關表示接觸器斷開狀態(tài)。系統(tǒng)默認接觸器狀態(tài)如圖7a所示，與常規(guī)能量吸收電路相同。當系統(tǒng)進行起動控制時，接觸器狀態(tài)切換為圖7b中所示，以完成本文所提出的異步起動控制方法，電機起動完成后又切換為圖7a所示狀態(tài)。同時將圖7a所示的接觸器狀態(tài)設計成接觸器常閉端所連接成的狀態(tài)，能保證接觸器出現(xiàn)開關故障時系統(tǒng)仍處于默認接觸器狀態(tài)。同時，在每次電機起動時，拓撲中每個接觸器只進行2次開關狀態(tài)切換。且在實際應用中，無刷雙饋電機主要應用于風機、泵類負載，為連續(xù)工作制，電機起停頻率低。因此，現(xiàn)今主流接觸器參數(shù)能滿足此系統(tǒng)要求。為進一步保證系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)還應設計保護程序，通過對接觸器的通斷狀態(tài)反饋信號進行實時監(jiān)測以避免由接觸器故障導致系統(tǒng)故障。

圖7 改進能量吸收電路接觸器狀態(tài)變化示意圖

當電機異步起動時，即系統(tǒng)在圖7b所示的工作狀態(tài)，此時通過控制能量吸收電路中IGBT的導通關斷即可實現(xiàn)控制繞組短接或者接入電阻。因此通過控制其導通比即可實現(xiàn)控制繞組側接入等效電阻阻值的調(diào)整，以此能實現(xiàn)電機的平滑異步起動。改進能量吸收電路狀態(tài)的切換僅需增加接觸器即可，且等效虛擬電阻大小的調(diào)節(jié)不需要操作逆變單元下橋臂，適用于逆變單元為商業(yè)產(chǎn)品，未開放下橋臂IGBT單獨編程權限時的應用場合。完成調(diào)速系統(tǒng)異步起動的控制僅需設計開發(fā)能量吸收電路即可，降低了開發(fā)難度，節(jié)省開發(fā)時間，有利于實現(xiàn)基于通用變頻器的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化推廣。

3 基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機異步起動控制方法

無刷雙饋電機異步起動時通過串接等效電阻不僅能調(diào)整電機的轉矩大小以帶動負載，還能降低直接短接起動時功率側對電網(wǎng)的沖擊。由圖5可以看出，無刷雙饋電機控制繞組串接電阻不會改變其異步運行的最大轉矩，但其最大轉矩點對應的轉速會隨著電阻的增加而減小。因此通過合理調(diào)整電機異步起動時其串接電阻的大小，即可使電機保持理想的轉矩輸出，順利完成電機的異步起動。

根據(jù)此原理，本文基于改進能量吸收電路后的電機調(diào)速系統(tǒng)拓撲，提出兩種無刷雙饋電機異步起動控制方法，其控制核心為調(diào)節(jié)控制繞組外接電阻等效阻值的大小，使電機在起動過程中沿著有較大轉矩的轉速-轉矩曲線運行，從而縮短起動時間并限制起動電流。為便于分析，根據(jù)圖6可進一步簡化電機異步起動時的電路，簡化后的電路如圖8所示，當電機起動時，控制繞組連接的逆變單元沒有工作，電流將經(jīng)過逆變單元中IGBT的反并聯(lián)二極管流向改進能量吸收電路，此時反并聯(lián)二極管完成了整流功能。通過控制改進能量吸收電路中的IGBT即可實現(xiàn)調(diào)整電機控制繞組串接等效電阻的大小，進而實現(xiàn)電機的平滑異步起動。

圖8 無刷雙饋電機異步起動時控制側簡化電路

3.1 異步起動串接等效電阻轉矩分析

圖8中，ca、cb、cc分別為控制繞組三相電壓，cab為控制繞組AB相線電壓，ca、cb、cc分別為控制繞組三相電流，c、c、c分別為控制繞組電阻、電感、電角頻率，dc為能量吸收電路串接電阻，S為能量吸收電路IGBT等效開關。因此在無刷雙饋電機異步起動時，其控制繞組相電壓可以表示為

式中，ca為控制繞組相電壓有效值；0為相電壓初始相位。則其整流后的直流電壓可以表示為

式中，d為直流電壓。同時改進能量吸收電路的直流等效電阻可以表示為

式中，on為導通比。當on=1時，即等效電路開關S直通，此時直流等效電阻deq為0；當on=0時，即等效電路開關S斷開，此時直流等效電阻deq為dc。忽略損耗，根據(jù)平均功率相等可得

聯(lián)合式（9）、式（10）進一步變換可得

式中，ceq為控制繞組等效串聯(lián)電阻。聯(lián)合式（7）、式（8）、式（11）可得控制繞組等效串聯(lián)電阻表達式為

進而把式（12）代入式（4）即可得到基于改進能量吸收電路無刷雙饋電機異步起動轉矩表達式為

由式（13）可以得到無刷雙饋電機異步起動轉矩與改進能量吸收電路IGBT導通比的關系。據(jù)此可以做出不同轉速下電機轉矩與導通比的關系曲線如圖9所示，這為設計電機異步起動控制方法提供了參考。

圖9 不同轉速下電機異步轉矩與導通比關系曲線

從圖9中可以看出，在轉速恒定時隨著導通比減小，電機的異步轉矩先上升后下降。在導通比恒定時、導通比較小時相鄰轉速區(qū)間內(nèi)轉速越低異步轉矩越大；導通比較大時相鄰轉速區(qū)間內(nèi)轉速越高異步轉矩越大。當電機起動即轉速較低時，由圖9曲線可知，此時需要較小的導通比以保證電機初始轉矩，同時隨著電機轉速的上升，需要逐漸增加導通比以保證電機轉矩。據(jù)此，本文根據(jù)改進能量吸收電路提出了定時間定導通比控制和定轉速定導通比控制。這兩種異步起動控制方法均可以在限制起動電流、提高起動轉矩的同時根據(jù)需要連續(xù)地改變電機定子控制側外接的等效電阻。在起動過程中能保證電機的轉速平穩(wěn)上升，具有良好的異步起動性能。

3.2 定時間定導通比控制

對于沒有轉速反饋的異步起動場合，本文提出定時間定導通比控制，即在固定的時間內(nèi)使能量吸收電路的IGBT導通比從0%線性增加至100%。導通時接入電阻為0，關斷時接入電阻為dc，最終導通比為100%時，控制繞組近似于三相短接，完成異步起動。此過程中，導通比線性上升的速度即為等效電阻調(diào)節(jié)的速度。若導通比上升過慢，等效電阻的調(diào)節(jié)速率低，電機升速較慢；若導通比上升過快，等效電阻的短時間調(diào)節(jié)至0，由于電機的機械響應需要時間，此時沒有起到維持電機起動轉矩的作用，同樣影響電機升速。因此需要設置合適的時間使導通比從0%增加至100%，具體時間的選擇可根據(jù)仿真或者現(xiàn)場實驗確定，這與常規(guī)異步電機V/F控制起動類似。

3.3 定轉速定導通比控制

對于有轉速反饋的異步起動場合，本文提出定轉速定導通比控制，可根據(jù)式（13）在固定的轉速點根據(jù)對電機輸出轉矩的需求來確定導通比的大小，這樣隨著電機轉速的上升，改進能量吸收電路的導通比也從0%增加至100%。等效電阻的大小隨電機轉速而變化，能實現(xiàn)更好的起動效果，此方法能實現(xiàn)恒轉矩起動。此外對于控制器芯片處理速度較慢的場合，可以預先通過仿真或者實驗得出具體的各轉速對應的具體導通比，以此在具體實現(xiàn)中采用查表法，能極大地減少了芯片處理時間。

4 仿真與實驗分析

對于無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)，采用定時間定導通比的異步起動控制方法十分簡便，但需要確定最短起動時間，不同轉動慣量系統(tǒng)對應的最小起動時間也不相同。采用定轉速定導通比的異步起動控制方法需要對電機轉速進行采樣，能對轉矩進行準確控制，保證了起動加速過程的平順。為進一步驗證這兩種控制方法的可行性，本文進行了相關的仿真與實驗。

4.1 異步起動控制方法仿真分析

根據(jù)圖6搭建調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，仿真所用能量吸收電阻為8W，仿真所用的無刷雙饋電機樣機參數(shù)見表1。

表1 無刷雙饋電機樣機參數(shù)

通過Matlab/Simulink仿真模型進行了如下三組無刷雙饋電機異步起動控制方法的仿真：①直接短接電機控制繞組；②定時間定導通比控制，時間設置為1 s，導通比由0%線性上升至100%；③定轉速定導通比控制，目標轉矩設置為70 N·m，根據(jù)式（13）實時解算出導通比給定值，導通比上、下限為100%和0%。三種控制方法的異步起動仿真結果如圖10所示。用三種顏色來區(qū)分直接短接、定時間定導通比和定轉速定導通比。

（a）轉速變化曲線

（b）轉矩變化曲線

（c）功率側電流變化曲線

圖10 電機異步起動控制方法仿真波形

Fig.10 Simulation waveforms of motor asynchronous starting control methods

由圖10的仿真波形可知，與控制繞組直接短接起動相比，本文提出的兩種基于改進能量吸收電路的異步起動控制方法都能增大起動轉矩，縮短起動時間，減小定子側起動電流。同時，有轉速反饋的定轉速定導通比控制方法能保持起動轉矩的恒定，對電機的控制更準確。當控制繞組直接短接起動時，功率繞組的起動電流約為100 A，約是其額定電流的兩倍，低于普通異步電機起動電流倍數(shù)，這是由于無刷雙饋電機比普通異步電機多了一套繞組，增加了系統(tǒng)阻尼，能較好地抑制電流的突變。對于定時間定導通比控制，由于等效電阻的接入，其起動電流相較于控制繞組直接短接明顯減小，且起動轉矩得到了提升，在時間定為1 s時，能量吸收電路在1 s內(nèi)完成導通比從0%升至100%，但是由于機械慣性，電機在1.2 s左右才完成起動過程。對于定轉速定導通比控制，在電機的起動過程中保持了轉矩的穩(wěn)定直至轉速穩(wěn)定，起動時間更快，其功率側電流也明顯低于直接短接控制繞組起動時的功率側電流。

圖10b轉矩仿真波形的脈動主要來自兩個方面：①電機起動時即系統(tǒng)接入電源時的轉矩波動是電機瞬態(tài)過程導致的轉矩突變，與異步電機起動類似；②轉矩曲線上的高頻諧波則來自能量吸收電路中IGBT的開關諧波，此諧波頻率可以通過調(diào)整其載波頻率進行調(diào)整，仿真設置的載波頻率為1 kHz。

綜合以上分析可知，本文提出的兩種基于改進能量吸收電路的異步起動控制方法都能滿足系統(tǒng)的起動需求。其中定轉速定導通比控制是一種非常理想的無刷雙饋電機異步起動控制方法，在降低定子繞組起動電流的同時，又能保證電機能以較大的恒定轉矩起動，從而縮短起動時間，因此，可以推廣應用于各種功率等級的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)。定時間定導通比控制也具有較大的實用價值，因為其不需要對電機進行轉速檢測，具體實現(xiàn)過程簡單，適用于電磁干擾嚴重等無法測量轉速信號的工業(yè)場合，此外也能與無刷雙饋電機無位置傳感器控制算法結合，以完成系統(tǒng)的無位置傳感器起動。對于短接控制繞組直接起動控制方法，雖然與常規(guī)異步電機相比其起動電流不大，但還是對電網(wǎng)有一定的沖擊，存在起動失敗的風險，因此不建議長時間大面積使用，可作為一種應急起動方法。

4.2 異步起動控制方法實驗分析

為了進一步驗證兩種異步起動控制方法的可行性，本文在無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺上進行了電機異步起動實驗。系統(tǒng)實驗平臺如圖11所示，其中無刷雙饋電機參數(shù)見表1。

參照4.1節(jié)異步起動控制方法的仿真步驟，分別進行了以下三組實驗：①直接短接電機控制繞組；②定時間定導通比控制，時間設置為1 s，導通比由0%線性上升至100%；③定轉速定導通比控制，目標轉矩設置為70 N·m，根據(jù)電機實時轉速值得到導通比給定值，導通比上、下限為100%和0%。三種控制方法均在系統(tǒng)0.25 s時開始，異步起動實驗結果如圖12所示，同理用三種顏色來區(qū)分直接短接、定時間定導通比和定轉速定導通比。

圖11 無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺

從圖12可以看到，對于直接短接電機控制繞組控制，電機從0.25 s開始起動，轉速從0開始上升，1.6 s轉速達到746 r/min，起動時間為1.35 s左右，而起動過程中功率繞組相電流幅值最大值超過100 A。此時功率側電流雖然很大，但其中的有功分量實際上卻比較小，因此其轉矩不大，在25 N·m左右。對于定時間定導通比控制，電機經(jīng)過1.05 s左右轉速穩(wěn)定，起動過程中功率繞組電流最大值約60 A，其轉矩較直接短接有明顯提升。對于定轉速定導通比控制，電機經(jīng)過0.8 s左右轉速穩(wěn)定，起動過程中功率繞組最大值約為60 A，且轉矩幾乎穩(wěn)定在75 N·m附近，轉速變化平穩(wěn)。

（a）轉速變化曲線

（b）轉矩變化曲線

（c）功率側電流變化曲線

圖12 電機異步起動控制方法實驗波形

Fig.12 Experimental waveforms of motor asynchronous starting control methods

與圖10b相比，實驗轉矩波形脈動較小主要是因為實驗平臺存在系統(tǒng)阻尼，且轉矩的高頻諧波超出了轉矩轉速測量儀的采樣范圍。圖10b中仿真顯示的轉矩波形對應著導通比變化較為理想的狀況，隨著導通比、轉速的變化，轉矩也恰好能穩(wěn)定在較大的位置直至轉速穩(wěn)定。圖12b中實驗顯示的轉矩波形對應著導通比變化過快的狀況，此工況下控制繞組過快進入直接短接狀態(tài)，因此其轉矩波形趨勢與直接短接類似。

由實驗進一步驗證了本文所提基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機異步起動控制方法的可行性。對于無刷雙饋電機的主要應用場合，比如拖動離心式風機、水泵類的負載，這類負載本身對起動轉矩要求不是很高。定時間定導通比控制也能較好地滿足起動需求，若是無刷雙饋電機應用于對起動轉矩要求高的場合，則可采用定轉速定導通比控制。對于短接控制繞組直接起動控制方法，仍然不建議長時間大面積使用，可作為一種應急起動方法。

5 結論

針對現(xiàn)有無刷雙饋電機異步起動控制策略和所需設備較為復雜，或者需要特定的電機結構才能實現(xiàn)的問題，本文提出了基于改進能量吸收電路的無刷雙饋電機定時間定導通比、定轉速定導通比的異步起動控制方法，在不增加額外設備的基礎上，實現(xiàn)了無刷雙饋電機的異步起動控制。仿真和實驗結果都較好地表明了控制方法的可行性。

本文首先根據(jù)無刷雙饋電機同步-異步相串聯(lián)等效電路分析了電機控制側串聯(lián)電阻對起動轉矩的影響，并改進了現(xiàn)有能量吸收電路拓撲，在此基礎上推導出新系統(tǒng)拓撲的等效串聯(lián)電阻表達式，并給出了定時間定導通比、定轉速定導通比的異步起動控制方法。此控制方法僅需設計開發(fā)能量吸收電路即可，降低了開發(fā)難度，節(jié)省了開發(fā)時間。仿真和實驗分析表明了這兩種控制方法都能滿足系統(tǒng)的起動需求。其中定轉速定導通比控制是一種非常理想的控制方法，能保證電機以較大的恒定轉矩起動，可以推廣應用于各種功率等級的無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)。定時間定導通比控制也具有較大的實用價值，因為其不需要對電機進行轉速檢測，具體實現(xiàn)過程簡單，適用于電磁干擾嚴重等無法測量轉速信號的工業(yè)場合，此外也能與無位置傳感器控制算法結合，以完成系統(tǒng)的無位置傳感器起動。對于直接短接控制繞組起動，雖然與常規(guī)異步電機相比其起動電流不大，但還是對電網(wǎng)有一定的沖擊，存在起動失敗的風險，因此不建議長時間大面積使用，可作為一種應急起動方法。

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Asynchronous Starting Control Method of Brushless Doubly-Fed Motor Based on Improved Energy Absorption Circuit

（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

In the industrial field, for various fans and pumps with a small range of speed regulation, the flow and pressure can be adjusted by a brushless double-fed motor (BDFM) speed regulation system equipped with a small capacity inverter, which can significantly reduce the energy loss caused by the traditional transmission system using dampers or valves. With high reliability and low maintenance cost, BDFMs are applicable for oil recovery, petrochemical, and power plant applications with harsh environments, maintenance difficulties, and explosion-proof requirements. As an existing fact, the starting control strategy and required equipment of the BDFM systems are complicated or require specific motor structures to achieve. Therefore, this paper proposes a speed control system topology with an improved energy absorption circuit, as shown in Fig.A1, and two related control methods are proposed.

Firstly, the asynchronous starting torque characteristics of the BDFM are analyzed based on the synchronous-asynchronous series equivalent circuit model. Secondly, as shown in Fig.A1, the BDFM speed control system topology with an improved energy absorption circuit is designed. The operating state of the new topology is controlled by switching the contactor. There are two kinds of switch in the system above: the asynchronous start state (shown as the blue dashed line in Fig.A1) and the regular state (shown as the solid purple line in Fig.A1). Asynchronous starting is achieved by controlling the duty rate of the IGBT in the improved energy absorption circuit. Then, the equivalent series resistance expression for the new topology is derived. Accordingly, the control methods with fixedtime-duty ratio and fixedspeed-duty ratio are designed to realize the asynchronous starting control of the BDFM. For asynchronous starting without speed feedback, fixed-time fixed-duty ratio control is proposed, and the duty ratio of the IGBT in the energy absorption circuit increases linearly from 0% to 100% within a fixed time. For asynchronous starting with speed feedback, fixed-speed fixed-duty ratio control is proposed, in which the duty ratio is determined at a fixed speed point according to the demand for motor output torque. Finally, both simulation and experimental results prove the feasibility of the control method.

Fig.A1 BDFM speed control system with improved energy absorption circuit

These two control methods simplify the developing process of the asynchronous starting. The fixed-speed fixed-duty ratio control is an ideal asynchronous starting control method for BDFM, which can reduce the stator winding starting current while ensuring that the motor can start with constant torque, thus shortening the starting time. The fixed-time fixed-duty ratio control also has great practical value because it does not require motor speed detection. It is suitable for industrial applications where the speed signal cannot be measured, such as severe electromagnetic interference. In addition, it can be combined with the BDFM sensorless control algorithm to complete the system starting without the speed sensor.

Brushless doubly-fed motor, asynchronous starting control, energy absorption circuit, equivalent series resistance

TM32

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221741

國家自然科學基金資助項目（52007072, 51821005）。

2022-09-13

2023-01-17

趙探探 男，1995年生，博士研究生，研究方向為無刷雙饋電機及其驅動控制系統(tǒng)。E-mail: Zhaotantan1995@qq.com

謝賢飛 男，1988年生，副研究員，研究方向為新型特種電機及其控制系統(tǒng)、強脈沖功率特種電源系統(tǒng)。E-mail: xxf88xxf@foxmail.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）