应用于中小功率PMSG的无电感调压器

顾维菱，刘闯，朱学忠

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016）

1 引言

永磁同步电机由于没有励磁绕组，不消耗激磁功率，所以损耗小、效率高、结构简单、可靠性高，广泛应用于航空航天、国防和日常生活的各个领域［1］。但是由于永磁发电机没有励磁绕组，无法调节其磁场和输出电压、功率因数，从而限制了它的应用范围。近年来国内外学者对永磁电机调压、整流控制做了很多研究，目前最常用且成熟的永磁同步发电机（PMSG）调压系统是传统的AC-DC-DC拓扑。这种拓扑将交流电通过不控整流后输给常用DC-DC（如BUCK，Boost，Flyback等）进行调压，这种拓扑结构简单、运行可靠且成本低，对于功率因数较高的PMSG，采用这种电路就足以获得较好的输出特性。

但DC-DC变换器含有无源LC滤波环节，在提高功率因数的同时却使整流器重量、成本增加。减少储能电感的体积、重量对于提升系统的功率密度有很大帮助。Baker 和Nie 等人曾在文献［2-4］中提到由于永磁直线电机本身的内置电感（电枢反应电抗+漏抗）一般较大，可以用该内置电感代替Boost 变换器的储能电感，并将其应用于直驱式海浪发电机。文献［5］中对将该电路应用于直驱式海浪发电机的控制进行了进一步探讨。考虑到PMSG的内置电感也比较大，对于不可控整流+Boost 的调压器，同样可以用PMSG内置电感代替Boost的储能电感。在此基础上本文将讨论一种适用于中小型永磁同步发电机的无电感调压器。

本文将研究这种无电感调压器的拓扑，讨论其工作原理和工作方式，并和传统的Boost DC-DC 电路进行比较，最后将在高速电机平台上进行实验，验证这种方案的可行性以及性能。

2 无电感调压器的工作原理

2.1 无电感调压器结构研究

图1 即为本文提出的新型无电感调压器拓扑，对比图2（常用的三相不可控整流桥+DC-DC调压器）可以发现，该方案不仅能省略常用调压结构（见图2）中的储能电感，还可以省去前级滤波电容。由于发电机输出三相交流电频率相对开关管频率而言比较低，经过不可控整流桥之后变成脉动很大的6 脉冲直流电，为了后级获得纹波较小的直流电压，需要较大的纹波电容C0进行滤波，若能省去C0，可使系统的体积和重量进一步下降。

图1 无电感调压器拓扑Fig.1 Topology of non-inductive regulator

图2 常用三相不可控整流+DC-DC电路Fig.2 Common circuit of three-phase uncontrolled rectifier+DC-DC

2.2 无电感调压器系统分析

在对图1 所示电路进行分析之前做以下假设：1）设电机输出三相电压幅值相等且相位差120°；2）设电机三相绕组内置电感La=Lb=Lc=L且大小恒定；3）设开关管频率（fs）远大于电机输出三相交流电频率（fo），且在开关周期内输出电压保持不变。

电路的工作原理为：以Ua＞Ub＞Uc时进行分析，对于三相不可控整流桥，二极管D1，D6ON，其他二极管OFF。

当fs远大于fo时，默认在开关管Q 开关的单周期内，Boost电路的输入电压基本保持不变，有UGO=Uac。由此，在单周期内可以用Boost DC-DC电路原理讨论电路工作原理。

开关管导通状态，电路等效电路图如图3 所示，电流流过Q，并通过电感La，Lc线性增长。

图3 开关管开通时电流路径Fig.3 Current path when switch tube is opened

开关管关断状态，D0导通，等效电路如图4所示，电流通过二极管D0续流，向输出侧流动，电源功率和电感L 储能向负载和电容C 转移，给C充电。

图4 开关管关断时电流路径Fig.4 Current path when switch tube is closed

此后Q又导通，开始另一个开关周期。

由以上分析可以发现，在每个开关周期，电路可以等效为如图5 所示的Boost DC-DC 结构图。其分析方式和Boost电路相似。

图5 等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram

3 电路参数设计

无电感调压电路的分析和Boost DC-DC 变换器相似，所以其元器件参数设计也可以参照Boost型电路进行［6］。

本文将选用现有500 W 高速永磁同步发电机为实验对象，实验测得该发电机转速为60 000 r/min 时的三相电压频率为1 kHz，输出线电压有效值为14.5 V。系统的技术指标为：输入电压Uac=10～36 V，输出电压Uo=48 V，最小输出电流Iomin=2 A，输出功率Po=500 W，电压纹波0.5%，开关管频率fs＝43 kHz。

参考Boost电路，临界电流为

由式（1）可知，当D越接近1/3 时，IOB越大。令最小负载电流Iomin大于临界负载电流，得

取L=21 μH，即La=Lb=Lc=10.5 μH。

式中：Rmin为最小负载电阻；fs为开关频率。

由式（3）、式（4）得到fc=1/RC=0.544 kHz,C≥400 μF。

由于电路结构中不含有前级滤波电容C0，且电机三相输入电压纹波较大，输出滤波电容C应该足够大才能满足输出平稳要求，取C=1 100 μF。

4 实验验证

本实验框图如图6所示。实验平台为2台高速永磁同步电机对拖，其中一个为电动机，作为另一台电机（发电机）的原动机，电动机由控制器控制；发电机额定功率为500 W，最高转速为108 000 r/min，后面接无电感调压器。

图6 实验框图Fig.6 The diagram of experiment

图7 显示了不同负载情况下的驱动波形、输出电压和UC3842电流输入波形。

图7 不同情况下的驱动、输出电压和芯片输入电流波形Fig.7 Driving，output voltage and input current waveforms of chip under different conditions

图7中空载情况下可以看出输出电压虽然有些许纹波，但比较平稳，同时在负载3 Ω时电感不断续，满足要求。虽然在负载3 Ω时输出电压有所下降，但电压变化率很小。

图8和图9分别为不同输入电压时调压器输出电流—效率（Io—η）曲线以及外特性曲线。

图8 不同输入电压时的Io—η曲线Fig.8 Curves of Io—ηof different input voltage

图9 外特性曲线Fig.9 Curves of external characteristic

由图8、图9可以看出，当输入电压较高时总体外特性较硬，在输入电压大于24 V时系统效率能保持83%以上。同时我们可以得到以下2个结论：

1）在相同负载情况下，输入电压越高，系统效率越高，外特性越硬；

2）在输入电压相同下，负载越重，效率越低，输出电压下降也较多，负载效应较为严重。

其中结论1）是由于在相同输出功率情况下，输入电压低导致输入电流增加，使得前级损耗大大增加，效率也会下降，反之亦然；结论2）是在保持输入电压不变情况下，闭环的输出电压变化很小，负载加重，导致输出电流增加，负载损耗以及采样电阻等损耗增加，效率也随之下降。

实验结果表明该无电感调压器工作性能稳定，且PMSG内置电感完全满足实验需求。用直流电桥测得发电机的内部电感为16.17 μH，但是其内置电感实际大小能否满足所有无电感调压器的需求还需要进一步论证。

图10是在电机输入线电压有效值30.2 V，负载电阻为24.2 Ω时的采样电阻上的电压（电流）变化情况。

图10 R=24.2 Ω时采样电阻电压值Fig.10 Voltage sampling of R=24.2 Ω

通过图10我们可以推算电机内部的电感：当采样电阻为0.05 Ω，转速为60 000 r/min 时，电机的输入线电压Uac=30.2 V，当Q为ON时，有

通过测得的电流增量ΔiL和时间增量Δt，计算得到L=23.6 μH。

可以看出实际测得的电感值大于用直流电桥直接测得的电感值，且大于设计值，说明是符合要求的，也证明了该电路的可行性。

由于本实验所用电机是高速PMSM，体积较小，其内置电感也比较小，一般低速PMSM 内置电感较大，可达mH 数量级，都能满足Boost 电路的需求。

此外该方案使用的是电机内部的电枢反应电抗［7］，除了使用直流电桥类仪表测得一个粗略的参数，目前还没有成熟的方法对其进行检测。所以为了获得更好的系统性能，调压系统设计可以和电机设计结合起来。

图2 拓扑只能实现能量单向流动，适用于功率因数较高的发电机；而对于功率因数较低的发电机，可以采用如图11所示的具有能量双向流动的拓扑。通过DSP等数字控制芯片对其进行SPWM/SVPWM 控制，从而矫正因为大电感而导致发电机产生的电动势与输出电流之间的相位差。此外本文讨论的无电感调压器拓扑也可以应用在两相电路结构。

图11 具有双向运行能力的无电感调压器Fig.11 Non inductive voltage regulator with capacity of bidirectional operation

5 结论

相较于其他电机结构，永磁同步电机具有功率密度大的优点，并且在相同功率等级情况下结构体积也小于一般发电机（凸极式电机、开关磁阻电机、混合励磁电机等）。为了进一步减小永磁同步发电机对应的调压器的体积重量，本文提出将PMSG 的内置电感代替Boost 直流变换器储能电感的结构，从而大大减小了调压结构的大小。

通过理论分析验证了无电感调压系统的可行性，而实验结果更论证了其性能的稳定性和实用性，而相比于传统的三相桥整流电路，该拓扑在保证效率的情况下体积和重量都大大减小，增加了系统的功率密度，说明这是一种值得研究和推广的电路拓扑结构。

［1］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1997．

［2］Mueller M A.Electrical Generators for Direct Drive Wave Energy Converters［J］.In Proc.Inst.Elect.Eng.Generation，Transmission and Distribution，2002，149（4）：446-456.

［3］Ran L，Tavner P，Mueller M，et al.Power Conversion and Control for a Low Speed，Permanent Magnet，Direct-drive，Wave Energy Converter［C］//3rd IET Int.Conf.Power Electron，Machines and Drives，（PEMD2006）.January 2006：17-21.

［4］Nie Z，Clifton P C J，McMahon R A.Wave Energy Emulator and AC/DC Rectifiers for Direct Drive Wave Energy Converters［C］//4th IET Int.Conf.Power Electron，Machines and Drives，（PEMD2008）.2008：71-75.

［5］聂赞相，肖曦，康庆.直驱海浪发电机的电力模拟与控制［C］//2012 台达电力电子新技术研讨会论文集，江苏同里：台达环境与教育基金会，2012：175-180．

［6］陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术［M］．北京：高等教育出版社，2004．

［7］汤蕴璆.电机学［M］．北京：机械工业出版社，2007．