電動機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制系統(tǒng)控制策略的研究

梁福波，郭文科，拜潤卿，梁琛

(國網(wǎng)甘肅省電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前，電動機(jī)作為機(jī)械設(shè)備的動力裝置應(yīng)用范圍非常廣泛。尤其是異步電動機(jī)在工礦、油田等行業(yè)是必不可少的拖動裝置，而這些企業(yè)耗能比較嚴(yán)重，為了滿足機(jī)電設(shè)備啟動和安全運(yùn)行的要求，電動機(jī)容量選擇須留有足夠余量，因而不可避免地存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，不需要調(diào)速的機(jī)械設(shè)備也比較多［1-4］。鼠籠型異步電機(jī)由于起動力矩很大，導(dǎo)致異步電機(jī)在許多場合都處于輕負(fù)載的狀態(tài)下工作，從而引起電動機(jī)負(fù)載率低，功率因數(shù)低，浪費(fèi)電能嚴(yán)重的問題［5-6］。據(jù)統(tǒng)計，在電動機(jī)系統(tǒng)中存在20% ～40%的情況是空載或輕載運(yùn)行，大量電能被浪費(fèi)。隨著半導(dǎo)體功率器件性能不斷完善、發(fā)展，性價比不斷提高，大范圍推廣先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)的硬件條件已經(jīng)具備［7-8］。隨著國家對于節(jié)能問題非常重視，尤其看重工礦、油田等行業(yè)的節(jié)電。近年來我國油田、工礦等企業(yè)的自動化水平在不斷提高，應(yīng)用了許多高新技術(shù)，基于電力電子技術(shù)的電動機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)已具備了應(yīng)用條件。

1 控制裝置結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償式交流電壓跟蹤控制裝置簡化原理圖如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分組成。主電路如圖2所示，由EPWM橋式逆變電路、橋式整流電路、輸出補(bǔ)償變壓器Tr和輸出交流濾波電路L、C組成。

圖1 電動機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制裝置簡化原理圖

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

EPWM橋式2-逆變電路T5～T8工作在橋式斬波器狀態(tài)。由它的EPWM工作方式、直流電源電壓波形和直流電容C值的大小及其功能來區(qū)分的。

補(bǔ)償式交流電壓跟蹤控制裝置的控制電路，是由采樣控制保護(hù)電路、EPWM波生成電路、整流逆變驅(qū)動電路等組成。

2 PWM逆變器控制策略研究

2.1 控制方式選擇

當(dāng)PWM逆變器作為電壓跟蹤控制裝置的主電路應(yīng)用時，逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償量，應(yīng)實(shí)時地跟蹤其基準(zhǔn)指令信號的變化，要求PWM逆變器有很好的實(shí)時性，因此裝置中采用了跟蹤型PWM控制方式，跟蹤型的共有特點(diǎn)是屬于閉環(huán)控制。較實(shí)用的跟蹤型PWM控制法有兩種［9-11］，既瞬時值滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。

三角波比較方式與傳統(tǒng)用三角波作為載波的SPWM控制方式不同，它不直接將指令信號與三角波進(jìn)行比較，而是將指令信號與補(bǔ)償量信號的誤差值，經(jīng)過放大器之后再與三角波進(jìn)行比較。放大器往往采用比例放大器或比例積分(PI)放大器。這樣組成的控制系統(tǒng)是基于把補(bǔ)償量的誤差值控制到最小來進(jìn)行設(shè)計的。但硬件設(shè)計相對復(fù)雜［12-14］。

在本控制裝置中，因?yàn)橄胍_(dá)到無級調(diào)節(jié)電壓跟蹤控制、帶任意負(fù)載跟蹤、功率因數(shù)高、諧波少、精度高的目標(biāo)，所以設(shè)計采用三角波比較方式，其中放大器設(shè)計成PID調(diào)節(jié)器作用。

2.2 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計研究

由于系統(tǒng)設(shè)計的是一個純電子電路單閉環(huán)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，電壓的無級調(diào)節(jié)，常用運(yùn)算放大器組成的PI(或滯后)，PD(或領(lǐng)先)，PID(或滯后-領(lǐng)先)三類調(diào)節(jié)。因?yàn)橐獛щ姍C(jī)負(fù)載，有很大的裕量變化，需要微分控制，所以設(shè)計中采用PID閉環(huán)控制方式對PWM脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.1 設(shè)計電路分析

在實(shí)際電路設(shè)計中，需要考慮信號干擾，脈沖幅度限制等問題，本系統(tǒng)中設(shè)計PID調(diào)節(jié)器如圖3所示。

由圖3可知，運(yùn)放反相輸入端，即點(diǎn)O，輸入給定信號電壓Ur和反饋信號Uf兩者進(jìn)行比較，其偏差量ΔU對反饋電容Cn進(jìn)行充電或放電，電阻R0和電容Cdn組成微分反饋可以防止超調(diào)，提高動態(tài)抗干擾性。同時反饋微分電路帶有濾波環(huán)節(jié)，防止純微分引入的干擾。電阻Rdn起到一定的限流作用?；鶞?zhǔn)輸入端設(shè)計R0/2和C0組成的給定濾波電路。Rb為補(bǔ)償電阻，以保證集成運(yùn)放輸入級差分放大電路的對稱性，其值為Rb的值等于R0與Rn并聯(lián)后的值。D1、D2為3 V穩(wěn)壓管，作為限幅電路對其輸出最大電壓進(jìn)行限幅，保證電器設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全。

圖3 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器電路設(shè)計

在此電路中由于是負(fù)反饋，可以應(yīng)用“虛短”“虛斷”的概念，所以對圖3中各支路電流(假定電流方向向右)，用拉氏變換表示為:

根據(jù)基爾霍夫電流定律，虛地點(diǎn)O的電流平衡方程為:

即:

上式中τn=RnCn—PI調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時間參數(shù);

τdn=R0Cdn—微分時間常數(shù);

Todn=RdnCdn—微分濾波時間常數(shù);

T0=R0C0/4—電流濾波時間常數(shù)

則式(6)為:

設(shè)系統(tǒng)被控環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為G(S)，則系統(tǒng)動態(tài)框圖如圖4。

圖4中當(dāng)Uf=0時圖示為比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

式中Kn=Rn/R0，進(jìn)一步簡化:

圖4 系統(tǒng)動態(tài)框圖

式中 τn=RnCn，Ki=Kn/τn

Kn為比例放大作用，Ki相當(dāng)于以Kn為積分的增益系數(shù)的積分作用，二者合成比例積分控制。

2.2.2 參數(shù)整定與仿真

本文設(shè)計一個合理的自動控制器，需要對各電阻電容進(jìn)行合理選擇。設(shè)計中采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法確定PID參數(shù)，把比例、積分、微分參數(shù)確定在一定范圍內(nèi)，然后使用試湊法測出最優(yōu)參數(shù)搭配。

由于采用的是純電子電路設(shè)計方法，使用Multisim電子電路設(shè)計仿真軟件，在仿真設(shè)計中搭建完成全部設(shè)計電路進(jìn)行仿真調(diào)試。

參照類似系統(tǒng)，經(jīng)過一定理論分析與計算，估算出近似值，然后在實(shí)際調(diào)試中進(jìn)行必要的修正。以正補(bǔ)償為例仿真圖如圖5所示。

圖5 PID調(diào)節(jié)器輸出仿真曲線

從圖5中可以看出反饋中濾波環(huán)節(jié)對改變微分作用的強(qiáng)弱有一定的影響。在系統(tǒng)中更看重跟蹤電壓的穩(wěn)定性，所以要求超調(diào)比較小，在圖(c)中上升速度相對緩慢，但其達(dá)到穩(wěn)定時間比較快速約2.2 ms，完全符合設(shè)計要求。

在電路仿真輸出中，只是獲得了一個相對較理想的結(jié)果，把數(shù)據(jù)確定于一定范圍內(nèi)，實(shí)際安裝焊接的數(shù)據(jù)可以在實(shí)際裝置中進(jìn)行調(diào)試。

3 結(jié)束語

由于電動機(jī)的廣泛應(yīng)用，電動機(jī)節(jié)能裝置的研究已經(jīng)日趨成熟，本文主要研究了補(bǔ)償式交流電壓跟蹤控制系統(tǒng)控制策略，選用三角波比較控制方式，設(shè)計了本裝置使用的PWM三角波閉環(huán)控制方式。控制環(huán)節(jié)的關(guān)鍵PID調(diào)節(jié)器設(shè)計，設(shè)計了PID調(diào)節(jié)器電路及其S域計算，并通過試湊法和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法對PID參數(shù)進(jìn)行整定。通過對控制方式及PID調(diào)節(jié)器設(shè)計的研究論證，從電路仿真輸出結(jié)果看，完全符合設(shè)計的要求。

［1］劉春，韓如成，張守玉.無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報，2004，25(1):30-33.

［2］李秀卿，盛文利.異步電動機(jī)電子節(jié)能器［J］.華北電力技術(shù)，1999，29(8):28-30.

［3］孫向東，任碧瑩，鐘彥儒.恒定功率因數(shù)節(jié)能方法在VVVF變頻調(diào)速器中的應(yīng)用［J］.電氣傳動，2003，20(2):8-10.

［4］于勵鵬，朱榮花，龐元俊.電動機(jī)負(fù)載調(diào)節(jié)裝置的研究與應(yīng)用［J］.工礦自動化，2006，30(4):9-11.

［5］禹成七，于洪軍，閻增奎，等.電動機(jī)功率因數(shù)控制器的研究與設(shè)計［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，1998，25(4):36-41.

［6］王廣林，敬淑義，李志杰，等.感應(yīng)電動機(jī)隨動功率因數(shù)法節(jié)電控制的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2003，21(1):5-6.

［7］徐方逸.三相交流異步電動機(jī)節(jié)電運(yùn)行的新方法-最小輸入功率法［C］.第四屆中國交流電機(jī)調(diào)速傳動學(xué)術(shù)會議論文集，1995.

［8］孫云蓮，陳允平.不均勻負(fù)荷異步電動機(jī)最優(yōu)節(jié)能調(diào)壓研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，2000，33(3):73-76.

［9］李東倉，呂振肅，楊磊.串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出IGBT逆變器研究［J］.電力電子技術(shù)，2000，20(2):16-18.

［10］READ J C.The calculation of rectifier and converter performance characteristics［J］.Journal IEF，1945，92(11):495-590.

［11］SUTTICHAI SAETIE，DAVID A，TORREY.Fuzzy logic control of a space-vector PWM current regulator for three-phase power converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，13(3):419-426.

［12］馬振國，李鵬，趙保利，等.DVR電壓波形跟蹤無差拍控制方法［J］.電力自動化設(shè)備學(xué)報.2005，35(3):33-36.

［13］KAMPAM FAND HABETLER T G.Combined deadbeat control of a serier-parallel converter combination used as a universal power filter［J］.Transactions on Power Electronics，1998，13(1):160-168.

［14］HAMASAKL S and KAWAMURA A.Improvement of current regulation ofline-current-detection-type active filter based on deadbeat control［J］.Transactionson Industry Applications，2003，39(2):536-541.