一种用于直流幅压供电的多相感应电动机控制策略研究

王铁军 饶 翔 姜小弋 吴旭升

海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033

一种用于直流幅压供电的多相感应电动机控制策略研究

王铁军 饶 翔 姜小弋 吴旭升

海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033

针对潜艇直流供电系统中换向器幅压直流电动机运行和维护中存在的问题，提出了一体化多相逆变器—感应电动机替代方案。该方案在利用多相结构抑制谐波的同时，能够减少装备体积，并提高可靠性。为了解决蓄电池供电时直流电压幅值变化的问题，引入了特定谐波消除PWM技术对逆变器的输出进行恒压控制。以双Y移30°感应电动机和逆变器为对象，对控制系统进行了初步设计和仿真分析。结果表明，该方案在起动、恒压、抑制脉动转矩方面拥有较好的效果，适用于对运行可靠性和稳定性有较高要求，但对动态性能要求不高的各类潜艇辅机的驱动。

多相感应电动机；直流供电；特定谐波消除；潜艇

1 引言

所谓幅压是指为蓄电池组供电的潜艇电力系统电压。蓄电池组在充/放电周期中供给负载的电压变化幅度较大［1］，例如，可以在 180～330 V 之间大范围变化。目前，潜艇电气设备中应用了大量直流幅压电动机。除了换向器引起的常见问题外，该类电机体积大，起动设备笨重。在电压大幅度变化时，转速波动明显，影响设备运行。目前，多相感应电动机的研究已经取得了很大进展，具有广泛的应用前景。多相感应电动机具有效率高，可靠性好的特点，尤其能抑制产生机械振动的电磁脉动转矩［2-6］。为此，可以将一体化的多相逆变器—感应电动机驱动系统替代直流电动机系统，以拖动潜艇中的各类辅机设备［7］。针对该系统，本文将研究一种能够根据幅压变化来自动改变开关角的方法，以消除幅压对多相电机的影响。同时，结合仿真技术，对该方法进行验证。

2 多相感应电动机恒压控制原理

图1为双Y移30°感应电动机及其供电逆变器的主电路图。在Vd稳定于额定值时，若主开关采用180°方波信号控制，多相感应电机可获得良好的特性。但在直流幅压供电条件下，当直流电网电压升高时，逆变器输出电压也会升高，从而引起电机磁路饱和，并影响运行性能。因此，需对逆变器输出电压进行恒压控制。

图1 多相逆变器—感应电动机主电路Fig.1 C ircuit d iagram ofmulti-phase induction motor and inverter

根据特定谐波消除PWM原理，在方波信号中，加入几个开关动作，可以大大削弱某些次特定谐波［8-10］，如 5、7 次谐波，从而使得输出波形接近正弦波，图2为输出电压在半个周期内的波形。

图2 特定谐波消除PWM原理图Fig.2 Principle of special harmonics elimination PWM

当输出电压νao为半对称波形时，其Fourier表达式为：

式（2）中包含K个角度变量，因此，可以构成K维方程组。 可用 K 个角度变量 α1，α2，…，αK，从而消除K-1个谐波，同时对基波的幅值加以控制，由此从理论上证明了消除任意次谐波的可能性。特定谐波消除PWM方法具有以下特点：

1）与SPWM相比，显著减少了开关频率，从而也降低了开关损耗；

2）直流侧的电压利用率高；

3）可以主动消除某些特殊频率的谐波；

4）通过开关角控制输出电压的幅值。

在研究的多相电动机及其逆变系统中，由于多相结构的电磁特点，使得逆变器输出的主要谐波不再产生脉动转矩。因此，本文主要运用SHE PWM对基波的调幅原理，对逆变器的输出电压进行了恒压控制。而当仅对输出电压进行控制时，根据式（2），只需1个开关角。此时，输出电压相对值M 与开关角α1的关系为：M=1-2cosα1，如图 3 所示。以开关角为纵轴，电压幅值为横轴，以α1=π／2为对称轴作对称延拓，再以π为周期对（0～π）内的函数作无限的周期延拓，从而得到图4所示的信号波形。再用一个直流信号U g去调制，就得到了图中的基波幅值可变的PWM控制脉冲波形。

图3 开关角与调制电压关系Fig.3 Relation between switch angle andm o d ul ating voltage

图4 控制基波幅值的PWM脉冲波形生成原理Fig.4 Generation of pulses for controlling fundamentalmagnitude

3 仿真分析

本文在Matlab环境中搭建了双Y移30°感应电动机及其幅压供电逆变仿真系统，并对以上提出特定谐波消除PWM控制方法进行了仿真，系统原理如图5所示。针对潜艇全速航行工况时电网电压迅速下降的情况，设定运行过程如下：蓄电池电压在1 s时，从330 V开始以0.2 V／s的速度下降。与此同时，电动机在0.6倍的额定电压下空载起动，1 s后带上负载，第3 s时进入闭环控制状态，15 min（900 s）后，蓄电池电压降到 180 V，图6为主要仿真结果。

图5 多相感应电动机控制系统原理图Fig.5 Principle diagram ofmulti－phase inductionmotor driving system

图6 幅压供电时系统的仿真结果Fig.6 Simulation results of the proposed system supplied bymagnitude voltage source

图6a模拟了上述情况蓄电池的电压变化。图6b为多相电机的电磁转矩波形，由于电机采用了双Y移30°的多相结构，在方波逆变供电条件下的脉动转矩比普通三相感应电机得到了明显的改善。图6c为电机的转速变化波形，由于采用了特定谐波消除PWM恒压控制策略，并结合PI闭环控制，使当蓄电池供电电压明显变化时，电机具有非常好的稳速性能。

4 结束语

在未来直流幅压供电系统中，将逐渐淘汰传统换向器的直流电动机，一体化的多相逆变器—感应电动机则是非常好的替代方案。本文针对蓄电池幅压供电电压变化的问题，提出了基于特定谐波消除PWM技术对逆变器进行恒压控制的方案。分析表明，该方案在起动、恒压、抑制脉动转矩方面拥有较好的效果，尤其适合对动态性能要求不高的风、泵类负载的驱动。同时，其控制系统也非常简单。

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Control Strategy Study on M ulti-Phase Induction Motor for one DC Amp litude-Voltage Power System

Wang Tie－jun Rao Xiang Jiang Xiao－yi Wu Xu－sheng
College of Electric and Information Engineering， Naval Univ ersity of Engineering， Wuhan 430033， China

For t he traditional DC motor with commutator in submarines＇DC power supply system have obvious disadvantages in operation andmaintenance，an alternative scheme was proposed which applying integrated multi-phase inverter and induction motor.The scheme is not only able to eliminate harmonics in motor bymulti-phase principle， but also saves the volume of equipment and improve s the reliability.Focusing on the voltage adverse influence on the driving system of the batteries，the Special Harmonics Elimination （SHE） PWM technique was introduced to stabilize the output voltage.A numericalmodel of dual Y shifted 30°induction motor with inverter was built up.The analysis results show that the starting process， voltage stabilization and pulsing torque were improved dramatically.This control strategy is suitable for a variety of auxiliarymechanical driving deviceswhich focused on high reliability and stability in submarine.

multi-phase induction motor； DC power supply system； special harmonic s elimination；submarine

U664.14

A

1673-3185（2011）06-75-03

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.015

2011-06-29

王铁军（1965-），男，博士，副教授。研究方向：电机教学和多相电机。E-mail：wtjtt＠163.com

饶 翔（1971-），男，博士，讲师。研究方向：电机实验教学和船用电气设备。E-mail：raoxiang1971＠sina.com

王铁军。