无刷励磁同步发电机励磁控制系统的研究

卢力东

摘 要：无刷励磁同步电机是当前一种新型的电机，这种电机除了具备常规电励磁同步电机的优点之外，在无电刷滑环结构方面也具有显著的优势，并且还具有可靠性的特点，不需要对其进行维护，在这种电机的定子上主要包含了两套不同极数的绕组，其中一套主要安装在电网上，另外一套安装在单相励磁绕组上，不断的为电机带来励磁电流。在本电机中，不需要电刷以及滑环结构，就能达到励磁的效果，因此在风力发电以及其他易燃易爆的相关领域中都有所应用。本文将重点对这一电机的控制方法进行简要的阐述中，并且进行了仿真分析，希望在今后的控制系统中能够获得更加可靠的有效性。

关键词：无刷励磁；静态励磁；联合仿真；有限元分析

在当前科学技术的应用以及不断发展的过程中，出现了一种新型的交流同步电机，这种电机就是无刷电励磁同步电机，在转子方面具有多种不同的组合方式，为了保证能够获得更加理想的效果，本文主要采用的方式是将磁场进行调制，使其具有较好的效果，产生磁障，并且将其与短路笼混合转子相互结合起来应用，在磁导的作用下就可以实现磁场耦合的现象，实现对电能的转换。因此省去了在常规电机应用中的电刷以及滑环等方面的结构，这一类型的电机是在近几年中刚刚出现的，并没有得到全面的应用，因此在结构上可能还存在一定的不完善，具有特殊性的特点，笔者对此设计了一種励磁控制装置，希望能够实现更加完善的功能。

1 励磁控制装置的功能

在建立起一个励磁控制装置以后，能够实现以下几方面的功能。首先是可以对发电机的负荷变化进行实时监测，并且对励磁电流进行调节适应，这样就能够保证无刷电励磁同步电机的机端电压始终处在给定值的范围内。其次是在多机并网运行的过程中，能够通过对励磁绕组电流进行发电机之间无功功率的有效控制，并且进行合理的分配。第三，在应用的过程中，其最大励磁以及最小励磁被进行了限制，这样就会对安全性产生一定程度的影响。第四，一旦发电机的内部产生了故障，那么就使用励磁绕组降低故障的损失，除此之外，还能够帮助电网的运行效率得到进一步的提升。

2 有限元分析模型的建立

在对电机瞬态的特征进行分析的过程中，需要在相关软件的基础上建立一个有限元的分析模型，这个模型中定子为8+4极，也就是说有8极绕组是一套三相双层电枢绕组，而另外4极绕组是一套单相单层励磁绕组，所选择的转子是在磁场调制式下产生的混合转子。这种电机磁路在结构上呈现出不对称的几何特点，因此不能简化有限元模型中的分块计算。本模型中的具体数据如表1所示。

3 控制系统原理

当励磁电流比较小时，无刷电励磁同步电机自身的功率绕组端电压以及励磁绕组的励磁电流之间所产生的关系是呈现线性发展的，并且当励磁电流在不断加大的情况下，电机磁路就会呈现出饱和的状态，这样电机功率绕组端电压以及励磁绕组电流之间的关系是正比，这一比例关系将会呈现出逐渐减小的趋势，在采用有限元对其进行分析以后，可以得到一个被控系统响应以及激励之间的关系。

在进行控制的过程中，系统主要是通过对PWM斩波器对励磁电流进行调节的，并且在电流互感器的帮助下，能够检测出励磁电流自身所具有的实时负反馈，这样能够达到对电流的闭环控制，电流在给定值的作用下能够在端电压实测值以及给定值进行偏差调节，这样就形成了对双闭环的控制。在对电流闭环进行调节的过程中，所采用的算法是数字式PI控制算法，这种算法是将绕组电流传感器中的结果采用AD的方式进行转化，并且与给定值电流进行比较，这样就能得到一个误差，再将误差带入到公式中进行计算，将计算结果给入到PWM发生器中，在比较寄存器中，这样就能完成一次PI调节。

在这个公式中，dutyk代表的是这次调节过程中所占的占空比，dutyk-1代表的是在上一次调节完成以后所占的占空比，其中k1代表的是比例调节系数，ck代表的是此次测量过程中产生的偏差，而k2表示的是微分控制系数，最后的ek-1代表上次测量偏差量。给定电流主要是在PI输出的基础上中在限幅环节中确定下来的。将dutyk应用在PWM模块中的比较寄存器里，能够实现对电流的一次调节，信号在产生的过程中是在自动化的环境下完成的，并不会对CPU时间加以占用，因此这让CPU具有更加充足的时间进行计算，同时也让程序的复杂性得到了显著的降低。

4 软件流程

图1为励磁系统的软件流程图，先进行核心模块及外围器件的初始化程序，设置默认工作状态，对滤波电容进行限流预充电，等待启动指示，得到启动命令后，由接触器切换励磁绕组连接状态到IGBT端，短路充电电阻，同时输出PWM信号给IGBT驱动模块，开始对励磁绕组加电。AD转换模块开始检测励磁绕组的电流值和电机功率绕组输出电压值，与设定的电压值做比较，调整励磁电流，以实现负载变化时端电压的恒定。

传统励磁控制装置的电压比较环节均采用端电压有效值与给定值比较，但是求解端电压有效值至少要对端电压采样一个电流周期（20ms），如果再加人滤波算法，考虑励磁电源功率和励磁绕组电抗，则需要更长的响应时间。故本文采用一种新的电压控制策略，对二相绕组的端电压给定位取绝对值并做和，得到如图2所示的“电压和”曲线，将采样结果取和与该曲线比较，即可在很短时间内得到实时电压与给定的偏差量，再根据偏差量进行PID计算，依照计算结果来调节PWM模块的占空比，进而实现了对该电机的励磁控制，大大加快了电机端电压随负载变化的响应速度。

为了确定“电压和”的标准曲线的相位，引人了电压AD转换和过零检测装置，每当发电机的三相输出电压信号有任意一相过零时，“电压和”信号（电压环给定信号）重置相位，实现相位跟踪。为了防止励磁绕组过热而损坏绝缘，要考虑电机励磁绕组的热容量，因而流过励磁绕组的最大励磁电流要进行严格的限制。为了防止发电机飞车，励磁绕组的最小励磁电流也要进行软件限制。

结束语

本文针对新型混合转子无刷电励磁同步电机，设计了一台专用全静态励磁控制装置，并应用了新型的电压控制方式，经过软件仿真验证，可以实现无刷电励磁同步电机变负载端电压恒定等控制目标，加快了对负载变化时电压恢复的响应速度，为相应的励磁控制装置的研发提供了理论指导。

参考文献

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