| 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流控制策略研究
李偉，竇滿峰
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：在對(duì)11 kw稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程研究中，針對(duì)起動(dòng)電流過(guò)大，采用斜坡電壓的方法進(jìn)行控制。通過(guò)分析得到采用斜坡電壓控制策略時(shí)影響起動(dòng)電流的參數(shù)和電流峰值與斜坡控制時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)提出了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)效率概念。仿真結(jié)果證實(shí)了采用斜坡電壓控制策略能有效的控制起動(dòng)電流，并且能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)。
0 引 言
稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的一個(gè)突出問(wèn)題是起動(dòng)時(shí)沖擊電流大，如果不采取一定的措施，過(guò)大的起動(dòng)沖擊電流將會(huì)損壞功率器件，同時(shí)使電動(dòng)機(jī)本身受到過(guò)大電磁力的沖擊，從而造成電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有過(guò)熱的危險(xiǎn)。通常采用電流負(fù)反饋的控制策略對(duì)起動(dòng)電流進(jìn)行抑制，這種策略是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流，與限定的電流值相比較，從而改變起動(dòng)過(guò)程中的施加電壓，實(shí)現(xiàn)抑制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程過(guò)大的起動(dòng)電流。但是這種控制策略的不足是造成起動(dòng)過(guò)程電流的波動(dòng)，從而引起轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。本文提出采用斜坡電壓控制起動(dòng)電流，分析得到了斜坡控制時(shí)間與起動(dòng)電流峰值的關(guān)系，并通過(guò)對(duì)研制的H kw稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，證實(shí)采用斜坡電壓可以有效控制起動(dòng)時(shí)的電流，并且實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)。
1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
三相繞組對(duì)稱的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)模型為：
式中：u、i、e、t分別為電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電壓、電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值；L為電樞電感；R為電樞電阻；t為電磁轉(zhuǎn)矩，包括電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩；T為輸出轉(zhuǎn)矩；K為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；n為轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。
不考慮飽和時(shí)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行中，一般可以認(rèn)為磁通φ不變，故K為一常數(shù)。若令全部初始條件為零，對(duì)式(1)～式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換，并整理可得到起動(dòng)時(shí)電流為：
三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩相繞組通電，起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近于零，全電壓加在功率晶閘管和兩相繞組上，將產(chǎn)生很大的沖擊電流。
式(5)可化為：
式中：r為電磁時(shí)間常數(shù)，τ為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。2斜坡電壓控制起動(dòng)電流方法原理
2 1直接起動(dòng)
直接空載起動(dòng)電流曲線如圖l所示，從圖中可以看出直接起動(dòng)電流約為額定電流的20倍，必須進(jìn)行抑制。
通過(guò)分析，采用斜坡電壓控制方法可以有效地抑制過(guò)大的起動(dòng)電流。
2 2斜波電壓控制策略原理
對(duì)于大多數(shù)電機(jī)，特別是放大器內(nèi)阻與電樞繞組相串聯(lián)的電機(jī)，其τi》τd,τd可忽略不計(jì)，式(6)可簡(jiǎn)化為：
給電動(dòng)機(jī)加載如圖2所示的斜坡有效電壓：其中：t稱為有效控制時(shí)間。
在斜坡控制階段，即：O<t≤tr時(shí)：
從式(9)可以看出，起動(dòng)電流有一個(gè)****值
如果選擇tr≥τ1，則指數(shù)部分很快趨于零，電流為一個(gè)恒值：
起動(dòng)電流包括  和負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流,I兩部分，其中前者受斜坡控制時(shí)間t，影響。 在t>tr階段：
可以看出：在t>tr時(shí)，起動(dòng)電流成指數(shù)衰減變化，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)L由電機(jī)本身決定。
結(jié)合以上的分析可以得到斜坡電壓作用下的起動(dòng)電流，如圖3所示。
從圖3中可以看出通過(guò)給電動(dòng)機(jī)加載斜坡電壓，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的可控性。同時(shí)在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)電流一直保持****允許值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以****轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升也可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)。
2 3起動(dòng)效率
為了衡量不同斜坡控制時(shí)間下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的效率，引入起動(dòng)效率概念。其定義為：起動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械能與輸入電能之比。即為：
2 4斜坡電壓的實(shí)現(xiàn)母線電壓為u，占空比為δ時(shí)，平均電壓：
U=δU
有效值：
式(13)為電動(dòng)機(jī)電壓與占空比關(guān)系，由此可知，可以通過(guò)按照斜坡規(guī)律調(diào)整PwM的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的載入如圖2所示的電壓，不同的斜坡斜率對(duì)應(yīng)不同的t．從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)不同的起動(dòng)時(shí)間。
3應(yīng)用實(shí)例
3 l實(shí)例
作者設(shè)計(jì)的一臺(tái)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，三相六狀態(tài)工作，Pn=11 000 w，U=270 V，nN=8 000 r／min。定子繞組Y形連接，轉(zhuǎn)子兩對(duì)極結(jié)構(gòu)。
電動(dòng)機(jī)參數(shù)：相繞組電阻R=0．17 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0．002 3kg·m，機(jī)電時(shí)間常數(shù)τ1=0.O174s，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)K=0．15 N·m／A，負(fù)載T=0．5 N·m。
3．2起動(dòng)過(guò)程仿真分析
tr=O 5 s時(shí)的起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，如圖4所示。
圖4表明：起動(dòng)電流峰值與tr有關(guān)；在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)電流可以一直保持****允許值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以****轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短起動(dòng)時(shí)間；起動(dòng)結(jié)束后，電流從****值迅速下降為負(fù)載電流值且保持不變；tr=O. 5 s時(shí)的起動(dòng)效率為百分之十一點(diǎn)九二。
4結(jié)語(yǔ)
(1) 起動(dòng)電流的抑制是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程研究的重要內(nèi)容，本文對(duì)斜坡電壓控制的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程電流進(jìn)行了分析，得到了影響起動(dòng)電流的參數(shù)，同時(shí)得到了電流峰值與斜坡有效控制時(shí)間之間的關(guān)系。
(2)斜坡電壓控制方法有效地抑制了起動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)。
(3)斜坡電壓可以通過(guò)軟件的編制調(diào)節(jié)PwM占空比實(shí)現(xiàn)，從而可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，不需要對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行改動(dòng)。
(4)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)效率對(duì)應(yīng)于起動(dòng)過(guò)程的發(fā)熱，因此對(duì)于頻繁起動(dòng)的電機(jī)可以根據(jù)實(shí)際選擇起動(dòng)時(shí)間。
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