大容量无换向器电机研究动向

       无换向器电机作为一种同步电动机的调速方式，从20世纪30年代开始研究，随着电力电子器件的发展，到70~ 80年代逐渐成熟，并得到大量的应用。在国内，大容量无换向器电机只有少数科研单位有能力制造，虽然有不少院校研究12‘5’6‘7’12，但形不成产品。国外许多大公司能提供成熟大容量产品，如ABB、Siemens、Rolls"Royce等公司。随着全控功率器件的成熟及矢量控制、转矩控制等控制理论的发展，异步电动机变频调速发展很快，在中小容量领域取得了市场领导地位，无换向器电机的研究陷入低潮。对于同步电动机调速系统，只是在小功率方面受到人们的重视，如永磁电机和磁阻电机；大功率方面，晶闸管无换向器电机还是主要的调速方式，随着大功率全控器件技术成熟，这种状况会逐渐改变。
       无换向器电机主要有二种结构，即交-直-交方式和交-交方式，后者只适用于低速大容量应用。前者在大功率同步电机软起动及全范围调速方面都得到应用。
       随着电机控制理论发展、大功率器件应用及控制器件的更新换代，无换向器电机应重新受到人们重视。笔者认为，应在转子位置检测、过载能力、控制技术、控制系统技术、高压大功率技术、调试技术及仿真技术等几个方面进一步研究，使同步电机调速与异步机一样，得到更大范围应用。
       2转子位置检测磁式等，可同时给出转子初始位置和运动位置，经倍频电路可给出转速信息。由于机械式位置传感器明显的缺点，促使人们研究无机械位置传感器。初始位置检测几乎只有一种选择，转子强加励磁，测量定子感应电势，由于转子位置不同，通过分析计算定子三相感应电势波形，可得到转子位置。在某些场合，可先在定子中通过固定相位、幅值的定子电流，迫使转子磁势与定子合成磁势重合得到确定位置。高速时，可通过检测机端电压获得转子运动位置。关键是从静止到电机反电势达到可准确测量的数值之间如何获得转子位置。如果不能很好解决，位置传感器还是不能去掉。对此，人们提出了多种方案。       介绍了一种电流反馈式步进起动策略，工作原理是当定子合成磁势与转子磁势夹角从601旋转到0过程中，由于反电势逐渐接近零，定子电流有一个不断上升的过程，达到峰值的时刻即定转子位置接近重合，以此作逆变桥换相点，通过采样一个换相周期中电流换相波头数推算转速，这种方法要求平波电抗器不能太大，并且换流超前角在0601之间，平均转矩小、起动时间长。介绍的方法是测出初始位置后，控制定子合成磁势达到最大转矩，使得反电势在第一个导通周期达到100mV以上，通过精密设计的电压检测电路采样端电压，计算出转子位置，这要求电机转动惯量/小，并且起动负载很轻。此外，就是采用开环控制方法。
总之，关键是从初始位置检测到端电压检测起作用之间起动过程的电机控制。
       3过载能力控制传统方法采用机械位置传感器，如光电式、电围绕过载能力提高，己提出的主要控制技术有换流超前角恒定控制、换流剩余角恒定、励磁恒定及恒气隙磁通控制等。对无换向器电机的过载能力进行了全面的分析，基本上后来发表的换流剩余角恒定加励磁调节的方法受到重视。
       4控制策略为提高无换向器电机的调速性能，人们所做的工作有完善传统控制方法，把基于电机模型方法与现代控制和智能控制理论相结合。中第1、8、39、40、41、43、45篇论文讨论了智能控制和现代控制理论用于电气传动，如自适应控制、模糊控制、神经网络方法。讨论了变结构控制用于无换向器电机调速系统。也试验了FuzzyrPI结合的控制方案。系统分析了自适应控制用于交直流传动的理论和方法。自适应控制针对那些对电机参数强依赖的控制策略而提出的，如矢量控制、PID控制，由于电机在静态和动态运行过程中，参数不断变化，通过参数估计和参数辨识，使得调节器参数设计适应电机参数变化，以提高控制性能。介绍了将直接转矩控制用于同步电机调速系统，采用全控桥电压型逆变器，由受滞环控制器控制的磁通观测器输出电压矢量表，控制逆变桥有效电压矢量切换，由滞环控制器控制的转矩观测器控制零矢量的插入，转子初始位置由转子强加励磁测得，无需机械位置传感器。
       总之，电机控制理论与现代控制理论（变结构控制、自适应控制）、智能控制理论（模糊控制、神经网络）方法和传统控制方法（PID控制）结合使用是无换向器电机及电气传动领域控制策略的发展方向。
       5控制系统设计要实现无换向器电机的各种控制，必须以全数字控制系统为基础。通过设计全数字化控制系统，减少模拟器件，使用可编程逻辑器件提高设计灵活性并提高可靠性，可以更好地实施各种控制策略。目前流行的技术手段是以DSP为核心设计控制系统。我们设计了一套无换向器电机控制系统，采用TI公司的TMSF240DSP和ATMEL公司的89C51微控制器，通过共享RAM通信，构成双CPU系统，控制单元由模拟量板、开关量板、电源板和CPU板组成，可对整流、逆变及励磁回路集中控制，简化了通信环节。
       6高压大功率技术我国高压电机电压等级一般为6kV和10kV，再低就是380V，中间无等级，这种电压等级利于异步机使用，但对变频调速系统设计不利。常用大功率晶闸管电压定额为3000V，最适宜应用在1kV等级，用于工业现场需采用高低高方案，若采用高高方案，只能进行晶闸管串联。除了高压串联技术，变频器多重化、电机多相化也有采用。此外，多电平变换器（器件串联、单元串联）和高频谐振技术也是研究热点，如、中第27篇论文、中第2、4、20篇论文所述，但是这些拓扑结构能否适用于同步电机值得进一步研究。
       总之，无换向器电机通过多重化、多相化，以及采用多电平变换器方法能够提高功率因数，降低谐波，提高市场竞争力。
       7负载试验技术研制大功率无换向器电机的一个重要问题是调试环境建立。目前常用的方法是被试电机拖动直流发电机，再带相关负载，如液体电阻、风机等。这存在以下问题，一是浪费大量电能；二是难以得到试验电机在特定负载特性下的性能，如恒转矩、恒功率、平方矩等，实际负载不具备理想的特性。研制负载模拟器是解决办法，给出了一种负载模拟器的数学模型和实现方法。基本原理是由直流发电机带有源逆变器接电网，通过控制逆变器模拟不同负载曲线，所发电能回馈电网，负载特性可灵活设定，并且节约电能。
       8仿真技术进行电气传动系统设计时，采用仿真手段可缩短开发周期、并深入探讨各种控制规律、主回路控制回路结构及参数选择。过去无换向器电机多采用FORTRAN编制仿真软件包，很不方便。

       由MathWorks公司推出的MatLab软件包提供了一套电气系统模块库，包括电源模块、电力电子模块、基本电器元件及电机模块等，可方便地用于电气传动系统仿真。给出了一个永磁同步电机变频调速仿真实例，过载能力控制、调速控制等控制策略都可运用MatLab进行仿真研究。
       9结论总之，对于无换向器电机，应在以下几个方面继续研究：①无换向器电机全数字化控制。负载模拟技术。⑨转子无机械位置传感器进一步研究。
       将异步机的一些控制策略用于无换向器电机控制，并结合现代控制理论、智能控制方法及在线辨识技术，进一步提高调速性能。大功率全控器件用于同步电机调速系统。⑥仿真软件包的研究。