基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的大功率感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法*

曾 佳， 范 波,2， 張 帆， 王 珂， 徐 翔

(1. 河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

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基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的大功率感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法*

曾 佳1， 范 波1,2， 張 帆1， 王 珂1， 徐 翔1

(1. 河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

針對(duì)大功率感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大沖擊電流，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢，造成電網(wǎng)、電機(jī)和開(kāi)關(guān)器件的損害等問(wèn)題，分析其起動(dòng)電流過(guò)大的主要原因，提出一種基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法，通過(guò)預(yù)勵(lì)磁對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行設(shè)定，使電機(jī)起動(dòng)前提前建立勵(lì)磁磁場(chǎng)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中利用磁鏈誤差補(bǔ)償來(lái)保持磁鏈的穩(wěn)定，偏差解耦可以很好地保證對(duì)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的控制。仿真結(jié)果表明，該方法能夠使旋轉(zhuǎn)磁鏈快速穩(wěn)定地建立，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的良好解耦效果，能有效地減小起動(dòng)電流，對(duì)尖峰電流的抑制效果明顯，并且轉(zhuǎn)矩有較快的響應(yīng)速度。

大功率感應(yīng)電機(jī)； 磁鏈補(bǔ)償； 偏差解耦； 直流預(yù)勵(lì)磁

0 引 言

目前，感應(yīng)電機(jī)由于諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)是其能否穩(wěn)定運(yùn)行的首要前提，變頻調(diào)速起動(dòng)控制問(wèn)題逐漸成為業(yè)界研究的重要內(nèi)容之一。在電機(jī)的起動(dòng)性能指標(biāo)中，一般都希望起動(dòng)過(guò)程中有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，確保機(jī)械的正常運(yùn)行；同時(shí)起動(dòng)電流應(yīng)盡可能小，避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是大功率感應(yīng)電機(jī)容量大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大，當(dāng)外加電壓不當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電流；同時(shí)系統(tǒng)要克服較大的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，但是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)卻較慢。

現(xiàn)階段感應(yīng)電機(jī)的主要起動(dòng)方式有直接起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)、Y-△降壓起動(dòng)、軟起動(dòng)、變頻起動(dòng)等。一般大功率感應(yīng)電機(jī)采用變頻起動(dòng)的方式，但是其起動(dòng)性能指標(biāo)還是達(dá)不到理想的要求[2-6]。有試驗(yàn)研究表明，在160kW的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的起動(dòng)尖峰電流高達(dá)600A，但是其空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電流只有124A[7]。過(guò)大的沖擊電流會(huì)使電機(jī)本身過(guò)熱，影響壽命，對(duì)變頻器開(kāi)關(guān)造成損害；同時(shí)還會(huì)因?yàn)楣╇娮儔浩鞯娜萘肯拗埔蛩兀斐呻娋W(wǎng)電壓下降，影響周圍設(shè)備的正常使用，甚至使電機(jī)自身不能起動(dòng)；再者，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)并不是很快。

近年來(lái)以矢量控制為理論基礎(chǔ)的多種研究方法都被用來(lái)提高電機(jī)的起動(dòng)性能。文獻(xiàn)[8]基于恒壓頻比(VVVF)控制方式，雖然其調(diào)速性能良好，但起動(dòng)性能并沒(méi)有顯著提升。文獻(xiàn)[9]提出了交直流預(yù)勵(lì)磁的起動(dòng)方法，但其主要應(yīng)用于三電平逆變器電路。文獻(xiàn)[10]中感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測(cè)磁鏈控制(Model Flux Prediction Control, MPC)的原理簡(jiǎn)單，不受非線性和多變量等的約束，但在磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際研究中需要多次試驗(yàn)和仿真來(lái)確定最終的權(quán)重系數(shù)。

本文提出一種基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法。該方法在d-q同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下，利用磁鏈補(bǔ)償來(lái)實(shí)時(shí)對(duì)磁鏈幅值進(jìn)行控制，保證幅值穩(wěn)定；偏差解耦實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的良好動(dòng)態(tài)解耦效果。另外，通過(guò)預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法減小起動(dòng)電流，抑制尖峰電流的產(chǎn)生且能產(chǎn)生較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。該方法通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可行性。

1 感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)電流過(guò)大原因

1.1 磁鏈幅值的波動(dòng)

在電機(jī)的矢量控制中，大多數(shù)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向，即通過(guò)定子電流的分解來(lái)分別控制磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩。但是其定向的精確性主要受電機(jī)參數(shù)的影響，由于在實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)的參數(shù)經(jīng)常隨著頻率、溫度和磁路的飽和程度發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)定向的不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。

當(dāng)磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)時(shí)，磁鏈初相角θ0≠0°，此時(shí)磁鏈與d軸將不能保持完全的同步重合，其在q軸的投影分量也就不為0。由于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，磁鏈幅值發(fā)生波動(dòng)[11]，將會(huì)造成實(shí)際的勵(lì)磁電流與給定的勵(lì)磁電流不相等，系統(tǒng)達(dá)不到最優(yōu)勵(lì)磁[12]。由矢量合成可知，合成的定子電流超過(guò)期望值而出現(xiàn)起動(dòng)電流過(guò)大現(xiàn)象[13]，如圖1所示。

圖1 磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)造成的影響

1.2 電機(jī)系統(tǒng)的相互耦合

感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性、高階、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的d-q旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下，感應(yīng)電機(jī)的模型為

(1)

式中：σ=1-(Lm2/LrLs)為電機(jī)漏感系數(shù)。

由式(1)可看出，d、q軸電壓由阻抗壓降、反電動(dòng)勢(shì)和d、q軸電流相互產(chǎn)生的交叉耦合電壓共同決定，即子系統(tǒng)是相互耦合著的；并且交叉耦合電壓項(xiàng)ω1σLsis成為感應(yīng)電機(jī)相互耦合的主要因素，會(huì)使實(shí)際電流輸出值不能很好地對(duì)電流給定值進(jìn)行跟蹤，也就降低了電流環(huán)的帶寬[14]，直接影響著電機(jī)的起動(dòng)性能。

如果解耦方法不當(dāng)將影響系統(tǒng)的解耦效果，會(huì)使d、q軸的電壓usd、usq與期望值存在偏差，導(dǎo)致電壓矢量us出現(xiàn)超調(diào)，表現(xiàn)為感應(yīng)電機(jī)電流出現(xiàn)超調(diào)，即出現(xiàn)起動(dòng)尖峰電流。

2 磁鏈幅值補(bǔ)償

在d-q同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的感應(yīng)電機(jī)的電壓方程為

(2)

假設(shè)在理想情況下，定子電壓矢量定向準(zhǔn)確，系統(tǒng)在控制下能夠保證磁鏈穩(wěn)定，則由式(2)可得

(3)

故由式(3)可得d-q同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下定子電壓的表達(dá)式為

(4)

在上述控制系統(tǒng)中以電壓為指令，磁鏈的幅值為前饋給定常量，就可以實(shí)現(xiàn)電流實(shí)時(shí)的跟蹤控制[15]。

實(shí)際在定子電壓矢量控制的系統(tǒng)中，將定子電流分解為isd和isq。對(duì)二者分別控制，如果保持isd不變，則磁鏈的幅值恒定。但由于電機(jī)在低頻段運(yùn)行時(shí)，定子電阻上消耗了大部分的定子端電壓，使得勵(lì)磁電壓降低，磁鏈幅值會(huì)減小而波動(dòng)；同時(shí)當(dāng)isq通過(guò)電流閉環(huán)反饋控制時(shí)，即電流控制器的輸出為q軸的電壓指令，與理想情況下q軸電壓指令為零有一定偏差。這時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向電壓矢量，且系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)磁鏈幅值進(jìn)行誤差補(bǔ)償，就不能保證磁鏈幅值穩(wěn)定，最終導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程中定子電流過(guò)流。

因此，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了保證定子磁鏈幅值穩(wěn)定，需要引入磁鏈幅值誤差補(bǔ)償，即根據(jù)電流的反饋值估算出定子磁鏈幅值，由式(3)和式(4)可得磁鏈幅值的關(guān)系式：

(5)

由壓頻比的關(guān)系可以得出合成三相電壓矢量的幅值為

usd=|us|=ksf1

(6)

其中定子磁鏈的幅值誤差補(bǔ)償為

(7)

式中：ka、kb——比例系數(shù)；

Δe——誤差補(bǔ)償信號(hào)，且Δe=ψs/ψs。

由式(5)可知磁鏈幅值不僅受d軸電流影響，還受q軸電流的影響，加入磁鏈幅值誤差補(bǔ)償是確保磁鏈穩(wěn)定的前提，但由式(1)可知，還沒(méi)有對(duì)勵(lì)磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)進(jìn)行完全解耦。

3 偏差解耦

前饋解耦與反饋解耦對(duì)電機(jī)的參數(shù)有較強(qiáng)依賴性，并且在較低的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)也不能完全解耦[16]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全解耦，利用不變性原理引入偏差解耦，即在電流給定值和電流反饋值的偏差處引入解耦支路來(lái)消除交叉耦合電壓的耦合，達(dá)到完全解耦的目的。由式(1)及解耦控制原理可得偏差解耦控制原理圖，如圖2所示。

圖2 偏差解耦控制原理圖

圖2中電流控制器PI的傳遞函數(shù)為PI=kp+ki/p,K1、K2為引入的偏差支路傳遞函數(shù)。由完全解耦的條件可知，電機(jī)d軸實(shí)時(shí)電流isd只與給定電流值isd*有關(guān)，不受q軸給定電流值isq*控制。經(jīng)過(guò)最終推導(dǎo)化簡(jiǎn)可得K1的表達(dá)式：

(8)

同理可得K2的表達(dá)式：

(9)

由圖2及K1、K2的表達(dá)式可得偏差解耦電壓Δusd、Δusq如下：

(10)

(11)

將K1、K2帶入圖2即可得偏差解耦的原理圖。相比于反饋解耦和前饋解耦等，偏差解耦沒(méi)有解耦電壓計(jì)算時(shí)定子電流的延遲，同時(shí)其電流是根據(jù)所需要的解耦電流來(lái)提供的，對(duì)易變的電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的魯棒性。當(dāng)耦合傳遞函數(shù)的參數(shù)變化靈敏度越小時(shí)，魯棒性越強(qiáng)[17]，總體解耦效果更好。

圖3為偏差解耦單位輸入響應(yīng)曲線。由圖3可看出，勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流相互獨(dú)立，電機(jī)系統(tǒng)的解耦性能良好。

圖3 偏差解耦單位輸入響應(yīng)曲線

4 直流預(yù)勵(lì)磁

針對(duì)電機(jī)起動(dòng)控制時(shí)磁鏈幅值的波動(dòng)以及整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合，導(dǎo)致起動(dòng)電流過(guò)大的情況，本文提出基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法。其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

直流預(yù)勵(lì)磁[18-19]的具體實(shí)施方法如下： 首先設(shè)置勵(lì)磁電流的大小，并加入電流限幅環(huán)節(jié)，通過(guò)矢量控制，定子電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。當(dāng)勵(lì)磁電流超過(guò)設(shè)置幅值上限時(shí)，定子電壓切換到零矢量，即定子電壓不作用，勵(lì)磁電流維持最大值；當(dāng)勵(lì)磁電流低于設(shè)置幅值下限時(shí)，定子電壓切換到某一固定非零矢量，即增大勵(lì)磁電流。如此重復(fù)工作在電流限幅區(qū)間中，也就是通過(guò)PWM直流斬波的方法來(lái)控制勵(lì)磁電流的大小，其目的是在電機(jī)起動(dòng)前建立適當(dāng)幅值、固定方向的磁鏈，然后控制電機(jī)的起動(dòng)。其中勵(lì)磁電流的控制方式如下：

(12)

由前文所述可知，電機(jī)在低頻起動(dòng)時(shí)，定子端作用的電壓矢量下降是因?yàn)樾∈噶康念l繁出現(xiàn)，故在預(yù)勵(lì)磁控制時(shí)主要使用大矢量和零矢量，并以某一固定的占空比出現(xiàn)。

整個(gè)控制系統(tǒng)中通過(guò)磁鏈補(bǔ)償來(lái)實(shí)時(shí)對(duì)磁鏈幅值進(jìn)行控制，抑制磁鏈的波動(dòng)，偏差解耦實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的完全解耦，能夠單獨(dú)控制勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩，最終通過(guò)預(yù)勵(lì)磁控制來(lái)減小起動(dòng)電流。

對(duì)于勵(lì)磁電流幅值的設(shè)置，由矢量控制的理論可知：

(13)

系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，對(duì)于某一固定的轉(zhuǎn)矩Te*，電機(jī)定子電流為[20]

(14)

(15)

一般勵(lì)磁電流大小設(shè)置的限幅區(qū)間為給定值isd*的95%～105%。

由式(14)可知，勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流相等時(shí)定子電流最小(MTPA原則)，預(yù)勵(lì)磁時(shí)已經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)矩電流大小進(jìn)行控制，而對(duì)于轉(zhuǎn)矩電流的控制，經(jīng)過(guò)偏差解耦的作用，可以通過(guò)PWM單獨(dú)控制轉(zhuǎn)矩電流以斜坡函數(shù)增大與勵(lì)磁電流相等。達(dá)到上述要求時(shí)，電機(jī)起動(dòng)可以確保定子電流最小，減小尖峰電流。

轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)，文獻(xiàn)[11]中當(dāng)電機(jī)起動(dòng)瞬間控制電壓矢量與勵(lì)磁電流正交，即電壓矢量與磁鏈重合，能產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩變化率，但此時(shí)電壓矢量突變，磁鏈幅值會(huì)有波動(dòng)，而磁鏈誤差的補(bǔ)償能很好地保證磁鏈幅值的穩(wěn)定，維持起動(dòng)電流的平滑穩(wěn)定，以及轉(zhuǎn)矩的較快響應(yīng)。

5 仿真及結(jié)果分析

在上述研究的基礎(chǔ)上，在Simulink中搭建上述控制方法的直流預(yù)勵(lì)磁的仿真模型。電機(jī)參數(shù)如下：UN=380V，PN=80kW，fN=50Hz，np=2，Rs=0.315Ω，Rr=0.118Ω，Lm=1.43mH，Ls=3.37mH，Lr=3.55mH。

未采用預(yù)勵(lì)磁控制電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的仿真波形如圖5所示。

圖5 直接起動(dòng)仿真波形

從圖5(a)可看出，電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，電流的峰值接近380A，有尖峰電流產(chǎn)生且電流出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。由圖5(b)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈建立過(guò)程中磁鏈幅值波動(dòng)較大，跟蹤較差，建立時(shí)間較長(zhǎng)。由圖5(c)可知，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度較慢，t=0.3s時(shí)轉(zhuǎn)矩約為220N·m，且未達(dá)到穩(wěn)定。

基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)仿真波形如圖6所示。

圖6 預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)仿真波形

從圖6(a)可看出，預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的大小實(shí)現(xiàn)跟蹤較好，解耦效果良好，且上升比較平滑。由圖6(b)可知，預(yù)勵(lì)磁期間，三相電流為直流電，起動(dòng)時(shí)最大電流只有約270A，無(wú)尖峰電流的出現(xiàn)，電流平滑上升。由圖6(c)可知，電機(jī)起動(dòng)前建立的磁鏈?zhǔn)蛊饎?dòng)過(guò)程中磁鏈波動(dòng)更小，避免了超調(diào)與振蕩，通過(guò)磁鏈補(bǔ)償其軌跡更趨近于圓形。由圖6(d)可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨轉(zhuǎn)矩電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，t=0.3s時(shí)轉(zhuǎn)矩約為500N·m，接近穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)大功率感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)電流過(guò)大等問(wèn)題，分析其主要原因，提出了基于磁鏈補(bǔ)償偏差解耦的感應(yīng)電機(jī)直流預(yù)勵(lì)磁起動(dòng)方法。在磁鏈補(bǔ)償和偏差解耦的基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)勵(lì)磁完成勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了磁鏈幅值的穩(wěn)定，以及勵(lì)磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦，整個(gè)過(guò)程中電流平滑上升，起動(dòng)尖峰電流的抑制效果明顯，并且轉(zhuǎn)矩能夠快速響應(yīng)。該方法對(duì)提高大功率、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制性能有一定實(shí)際意義。

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High Power Induction Motor DC Pre-Excitation Start Method Based on Flux Compensation and Deviation Decoupling*

ZENGJia1,FANBo1，2,ZHANGFan1,WANGKe1,XUXiang1

(1. College of Information Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China；2. Citic Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

With the analysis of the problems caused by the high-power induction motor start, including the large impact current, the small output torque, and the damage to the power grid、motor and switch device, a scheme on induction motor DC pre-excitation start based on flux compensation and deviation decoupling was proposed. Before the induction motor start set the excitation current and the torque current by pre-excitation, which established a magnetic field in advance, in the whole dynamic process utilizing flux error compensation to maintain a stable flux, deviation decoupling could be a good guarantee for the excitation and torque control. The simulation results showed that this scheme could made the rotating magnetic chain establish fast and steady, which achieved a good decoupling effect of the whole control system, could effectively reduce the start current, the effect of suppressing peak current was obvious and the output torque responsed quickly.

high power induction motor； flux compensation； deviation decoupling； DC pre-excitation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1404512)

曾 佳(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)。

范 波(1975—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笕萘抗β首儞Q與高壓交流調(diào)速系統(tǒng)等。

TM 346

A

1673-6540(2016)10- 0057- 06

2016-03-29