基于旋转型变频发电技术的PMSM调速方法研究

孙忠鹏, 庄亚平, 马守军, 寿海明

（海军装备研究院，北京 100161）

0 前言

永磁同步电动机具有功率密度高、损耗小、效率高等优点，在实际生产过程中已经得到广泛应用。常见的永磁同步电动机控制方法有恒压频比控制、空间矢量控制、直接转矩控制、基于空间矢量的直接转矩控制等[1]，这些控制方法的执行都依赖于变频器设备。因此，要实现永磁同步电动机的控制必须配备与之功率相匹配的变频器。但是在一些领域电机功率的需求越来越高，大功率变频器因受电力电子器件的限制而发展缓慢。本文提出的基于旋转型变频发电技术的永磁同步电动机控制系统不依赖于大功率变频器，为大功率永磁同步电动机的控制提供一种新思路。

1 变频发电技术应用

变频发电技术根据工作机理可分为静止型变频发电和旋转型变频发电。

静止型变频发电利用电力电子技术和电力电子器件，通过控制开关通断时间和频率实现对发电机输出电能的变频调压，以满足电网供电要求。典型的应用就是风力发电，由于风速不可控制，输出电能原始频率不能满足电网要求，利用电力电子变频装置可以实现恒频输出[2]。严格来讲，风力发电属于静止型变速恒频发电。

旋转型变频发电利用原动机带动发电机，通过控制原动机转速和发电机励磁实现变频调压。其中原动机既可以是柴油机、汽轮机等，也可以是电动机。电动机作为原动机时多应用于固定变频比变频发电，电动机通过原始电网驱动，利用电动机与发电机之间极对数的匹配关系得到满足频率要求的电能。日本电力系统中50 Hz电网与60 Hz电网就是利用这样的变频机组实现不同频率电网之间的电能交换[3]。原动机为柴油机、汽轮机等速度可调动力装置时，即可带动发电机产生频率可控的电能。由于原动机在低转速时一般效率较低，经济性较差，这种变频发电技术尚无成熟应用。

作为可以规避大功率电力电子器件限制的一种途径，旋转型变频发电具有系统结构简单且不存在电磁污染问题等优点，将其应用于大功率永磁同步电动机控制领域值得深入探索。

采用旋转式变频发电技术的永磁同步电动机控制系统属于电压源型供电，由于没有电力电子器件，电压波形严格正弦变化，不存在电压谐波，因此避免了由于谐波而引起的电机损耗。而且，不存在非正弦供电下电流谐波产生的谐波转矩，可以有效抑制永磁同步电动机转矩脉动。

2 控制方法选择

永磁同步电动机变频调速系统分为他控变频调速系统和自控变频调速系统。前者通过变频电源独立控制永磁同步电动机供电电压和频率的调节，实现永磁同步电动机的开环控制，如压频比控制。后者利用电机轴系安装的转子位置检测器来控制变频器的触发脉冲，实现永磁同步电动机的闭环控制，如空间矢量控制和直接转矩控制。

基于旋转型变频发电技术的永磁同步电动机调速方法，发电机励磁控制可以实现调压。但由于原动机调速是机械运动过程，时间常数较大，无法满足矢量控制和直接转矩控制的要求，因此该系统中永磁同步电动机宜采用压频比控制。永磁同步电动机的压频比控制特性如图1所示。

低速运行时，考虑到定子绕组电阻和漏感的电压补偿，相应提高启动电压。当永磁同步电动机高于额定转速运行时，定子线圈感生电动势E0随转速升高而增大，由于受发电机最高供电电压限制，必须对永磁同步电动机进行弱磁。永磁体产生的磁场无法控制，只有通过调节定子电流直轴去磁分量id实现弱磁，需要进行坐标变换和电流矢量控制。这在压频比控制方式下难以实现，所以永磁同步电动机在恒功率运行区段难以实现较广的调速范围。

3 调速系统结构原理

基于旋转型变频发电技术的永磁同步电动机调速系统主要由执行机构和控制机构组成，系统结构如图2所示。

执行机构包括原动机、发电机、永磁同步电动机和负载，原动机带动发电机旋转发电，输出电能通过电缆直接为永磁同步电动机供电以驱动负载。控制机构通过测速装置测得当前原动机转速信号，分别进入转速控制通道和励磁控制通道。进入转速控制通道的转速信号与给定转速信号进行比较，作为原动机调速器输入实现原动机转速调节，从而达到调节发电机发电频率的目的；进入励磁控制通道的转速信号首先经过V/f特性曲线获得与当前转速相适应的电压幅值，通过控制励磁使电压幅值跟踪转速变化。为了使发电电压严格按照V/f特性曲线变化，采用电压闭环控制。

原动机与发电机构成的变频机组采用转速闭环和电压闭环实现供电电压和频率的控制。永磁同步电动机由变频机组直接供电，采用的是转速开环、电压闭环的调速方式，与异步电机VVVF（变频变压）系统相同。其中，V/f特性曲线可以根据不同的负载进行选择。发电机与永磁同步电动机之间的转速有如下关系：

式中：nG和nM—发电机和永磁同步电动机转速；fG和fM—发电机发电频率和永磁同步电动机供电频率；PG和PM—发电机和永磁同步电动机极对数。

根据fG=fM和公式（1）、（2）得到发电机与永磁同步电动机之间的转速与极对数之间的关系（见公式3）。据此，可以通过极对数的相互匹配来满足负载转速要求。

4 系统运行特性研究

4.1 失步问题

如果永磁同步电动机的负载转矩波动，功角在允许范围内变化，同时电磁转矩相应变化以使电机同步稳态运行。当负载转矩超过当前转速和定子电压下所能输出的最大转矩时，永磁同步电动机就会出现失步现象。此时，必须采取措施，提高定子电压幅值，防止电机进入失步运行状态。

由于该系统中永磁同步电动机采用转速开环控制，电动机一旦进入失步运行状态，无法通过自动调节将电机拉回同步转速。所以，首先必须充分了解该系统中永磁同步电动机的负载特点，在选择V/f特性曲线时，要使电动机运行点与极限点留有一定裕度，使系统能够承受一定的转矩波动，不至于因为较小的负载转矩变化而导致电机失步。当永磁同步电机严重失步时应立即切除电源，

4.2 启动特性

永磁同步电动机的启动性能十分重要，对于电机的使用寿命有重要影响。受机械惯性影响，永磁同步电动机启动时转速变化滞后于定子旋转磁场转速变化，电机处于异步运行状态。由于永磁同步电动机同步电抗小，异步启动时电流过大，启动转矩过高，必须采取相应的措施。

变频电源供电时永磁同步电动机常采用软启动方式[6]，从静止开始逐渐升频变频起动，可以明显改善启动性能。该系统可以通过控制原动机上升速率实现永磁同步电动机的软启动。

5 仿真分析

为进一步研究基于旋转型变频发电技术的永磁同步电动机调速方法，利用 MATLAB中Simulink仿真模块，搭建简单系统模型（如图3）进行仿真分析。其中，原动机模型简化为简单的转速闭环的功率调节装置。永磁同步电动机极对数PM=8，发电机极对数PG=2。由公式3可知，当系统稳定时，发电机转速为永磁同步电动机转速的4倍。

1) 调速特性仿真分析

仿真永磁同步电动机从静止起步加速至 300 r/min。设定原动机加速至1200 r/min，加速时间由转速给定模块设定，结果见图4～图6。

通过仿真结果可知，发电机电压幅值随转速上升而逐渐增大。永磁同步电动机的转速与发电机转速之间存在着比例关系，可以通过控制发电机的加速曲线实现对永磁同步电动机调速控制。

永磁同步电动机需要加速时，改变原动机给定转速，原动机通过转速调节提高变频机组供电频率，永磁同步电动机定子旋转磁场同步转速随之上升，电机经过一段加速过程后迁入同步转速。电机的加速时间取决于原动机的加速时间 T1和原动机转速稳定后永磁同步电动机牵入同步转速所需的时间T2。由于原动机加速和永磁同步电动机加速几乎同步进行，T2相对T1来说很小，所以电机的加速性能主要受原动机加速性能的影响。电机减速与加速过程类似。

2) 启动特性分析

仿真永磁同步电动机在不同转动惯量负载情况下的空载启动特性。直接启动时原动机给定转速为1000 r/min，软启动时转速给定1 s内增至1000 r/min，结果如下：

通过仿真结果可知，采用直接启动方式，当转动惯量较小时，永磁同步电动机转速经过几次波动后能够快速进入同步运行（见图7）；当转动惯量较大时，由于电机响应较慢，启动后进入失步状态，转速出现震荡并呈指数衰减最后稳定在同步转速（见图8）；若转动惯量过大，电机将进入严重失步状态，转速一直波动且无法趋于稳定。

采用软启动方式时，原动机转速从静止逐渐加速至1000 r/min，即使当转动惯量较大，永磁同步电动机转速经过几次波动后逐渐拖入同步运行（见图9），相比直接启动转速波动得到了很大抑制，极大改善了启动性能。若再增加原动机加速时间，转速波动现象可进一步抑制，而此时电机启动时间变长。所以在选择原动机加速时间时要综合考虑启动性能和电机启动时间，而且转动惯量的大小对于加速时间的选取有重要影响。

六 结论

本文介绍的基于旋转式变频发电技术的永磁同步电动机调速系统不依赖于大功率变频器。通过研究相关理论，对系统的运行特性进行了分析，并通过建立系统仿真模型研究了永磁同步电动机压频比调速方式下的调速特性和启动特性，为进一步开展相关研究提供重要参考。

[1]雷波. 永磁同步电动机控制策略研究及仿真 [硕士论文]. 武汉理工大学，2008.

[2]尹玲玲, 胡育文. 交流电机变速恒频风力发电技术[J]. 电气传动, 2005, 35 (10):7-10.

[3]Worawut Sae-Kok, Akihiko Yokoyama, Suresh C.Verma, Shigeaki Ogawa. Excitation control System design of rotary type frequency converter for performance improvement of power system dynamics.IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006,(3):210-220.

[4]许大中，贺益康.电机控制[M]. 杭州：浙江大学出版社，2009.

[5]李兵强，林辉. 新型永磁同步电动机高进度调速系统.中国电机工程学报，2009, (5)：61-65.

[6]陈鸣，姚有光，唐海源. 永磁同步电动机在变频电源供电下的启动. 中小型电机，1997,（24）：54-56.