交流感應電機的勵磁電流跟蹤方法

王東升 曾鈺琳

(1.東方電氣自動控制工程有限公司，四川618000；2.東方風電有限公司，四川618000)

交流感應電機的勵磁電流跟蹤方法

王東升1曾鈺琳2

(1.東方電氣自動控制工程有限公司，四川618000；2.東方風電有限公司，四川618000)

針對廣泛應用于風力發(fā)電機變槳伺服中的交流感應電機，由于風機中變槳伺服電機受風力負載隨機性的影響。風負載大小的變化會導致變槳交流感應電機的勵磁電流無法滿足系統(tǒng)的工作需求，不能使系統(tǒng)在期望的狀態(tài)下正常運行。在轉子磁場的定向矢量控制基礎上，提出一種根據轉矩電流估計外界負載，勵磁電流以此跟蹤負載變化，使電機的勵磁電流可以滿足實際工況需求，使電機在最佳狀態(tài)下運行。實驗結果驗證了該方法的有效性和實用性，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

交流感應電機；矢量控制；負載跟蹤；勵磁電流

三相交流變頻異步電機由于其制造工藝成熟、可靠性高、價格低廉以及優(yōu)越的性能在風機變槳伺服領域得到廣泛應用。風機現(xiàn)場工作的工況復雜，風的大小和方向變化具有很強的隨機性，對于風機的變槳伺服是很大的考驗[1]。所以在風力隨機變化的過程中，要求變槳伺服能夠保證交流異步電機在設定的轉速下穩(wěn)定工作。

傳統(tǒng)的矢量控制變頻調速通常采用恒磁通控制，即勵磁電流是人為給定的電機額定電流值，很難實現(xiàn)在當前工況下的最優(yōu)控制[2-3]。由于電機是感性負載，空載或輕載下，保證電機在最優(yōu)工作狀態(tài)的勵磁電流很小，若此時給定的勵磁電流很大，電機就會迅速發(fā)熱，發(fā)出嘈雜的勵磁聲[4-6]；當為額定負載甚至超過額定負載情況下，勵磁電流需求值要等于甚至大于額定電流值，若勵磁電流不足，電機將無法轉動或被直接拉停。

本文從風機變槳系統(tǒng)對變槳伺服性能指標要求出發(fā)，對傳統(tǒng)的勵磁電流給定方式進行改進，提出了一種勵磁電流跟蹤控制方法，勵磁電流能夠根據外界負載的變化進行自行調整，保證在負載工況變化下電機能穩(wěn)定運行。

1 交流異步電機控制策略

1.1 矢量控制原理

由異步電機磁鏈方程、電壓方程和轉矩方程可以看出：異步電機在d/q旋轉坐標系上的數學模型的非線性、多變量強耦合的性質并未改變。此動態(tài)模型是基于旋轉坐標系而建立的，雖然坐標系的旋轉速度已經定義，但坐標系的位置并沒有確定。為了進一步實現(xiàn)解耦，如果把軸的方向定位于轉子磁鏈的方向上，該矢量控制系統(tǒng)即是按轉子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)[1]。在轉子磁鏈定向的旋轉坐標系下，用M代替d軸，并且用T代替q軸，M軸為轉子總磁鏈的方向，則在M/T坐標系下的方程組為：

可以得到在M/T坐標下的電壓方程組為：

(2)

圖1 異步電機矢量控制系統(tǒng)結構圖Figure 1 Structure chart of vector control system of asynchronous machine

可以得到在M/T坐標下的磁鏈方程為：

由于Tr=Lr/Rr，轉子時間常數為常量，則Trp=0

故電機在M/T坐標下的磁鏈方程為：

得到在M/T坐標系下的轉矩方程為：

由公式(3)可以看出，在M/T坐標系下的轉子的磁鏈ψrm，僅由電流勵磁分量ism決定，而與電流中的轉矩分量ist無關；由公式(4)可以看出，在M/T坐標系下，如果保持電機轉子磁鏈ψrm恒定，那么電機的電磁轉矩Te僅受電機電流轉矩分量ist的影響，而與電流勵磁分量ism無關。

根據上述分析，可以得到：

帶入電機M/T坐標系下的轉矩方程式消去ist，得：

公式(7)說明，在保持轉子的磁鏈ψrm恒定情況下，通過控制電機的轉差頻率ωs，可以達到間接控制電機轉矩Te的目的[3]。

為驗證高通量測序的質量和測序篩選獲得差異miRNAs的表達情況，在27例AIS患者兩側椎旁肌組織中對測序結果中變化倍數最大的6個miRNA進行表達驗證，分別為凹側含量較高的miR-424、miR-433、miR-769和凸側含量較高miR-516、miR-517、miR-495。目標miRNA的相對表達量（ΔCt）=Ct目標miRNA表達量-CtU6。實時熒光定量PCR結果顯示僅miR-516、miR-517和miR-495的表達差異具有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05，圖2）。

由上述三相異步電機在M/T旋轉坐標系下的電壓、磁鏈和轉矩方程，可以得到伺服系統(tǒng)矢量控制結構圖如圖1所示[5]。圖1為位置、速度和電流三級閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置指令由上位機給定，位置的反饋量由電機內部光電編碼器獲得。位置調節(jié)器的輸出為速度環(huán)的給定，速度環(huán)的反饋也由光電編碼器獲得。速度調節(jié)器的輸出為轉矩電流的給定。在基頻以下時，勵磁電流可由通過轉子磁鏈計算，在基頻以上，則通過弱磁控制實現(xiàn)電流給定。

在電流閉環(huán)控制中，由于電機三相電流和為0，因此，只需要檢測兩相電流ia、ib，再經過CLARK變換，得到兩相靜止坐標系上的分量iа、iβ，通過PARK變換得到與轉子磁場同步的運動坐標系上的直流分量ism、ist，分別通過控制勵磁電流分量和轉矩電流分量達到電機的轉矩與磁通的獨立控制，兩個電流調節(jié)器的輸出為轉子磁場同步旋轉坐標系上的電壓分量Ustref、Usmref，通過PARK逆變換得到兩相靜止坐標系上電壓分量Usаref、Usβref，再經過SVPWM算法調制得出PWM信號驅動逆變橋工作。

轉子位置計算是進行定向控制的關鍵，在實際設計應用中，由定子勵磁電流分量和轉矩電路分量可以計算出電機運行時的轉差角頻率ωs，轉差角頻率ωs和與電機轉子角頻率ω之和便可以得到電機同步角頻率，對同步角頻率的積分即可得出磁場定向角θth。

1.2 傳統(tǒng)矢量控制存在的問題

傳統(tǒng)的矢量控制中，勵磁電流都是以固定值給定的，造成電機不能在隨機負載下穩(wěn)定運行。當空載時，若給定的勵磁電流很大，會出現(xiàn)極響的勵磁嘯叫聲，并且轉速會發(fā)生波動；當負載很大時，若給定的勵磁電流很小，由于電機的勵磁不夠，造成轉速無法達到當前設定的轉速。

針對上述問題，本文提出一種勵磁電流跟蹤的策略，使勵磁電流能夠根據實際負載的變化而進行調整，保證電機的穩(wěn)定運行。

2 勵磁電流跟蹤策略

外界負載的變化會對電機的電流、電壓等電參數造成相應的影響，矢量控制中最重要的電參數是勵磁電流Id和轉矩電流Iq。當對電機施加不同的轉矩時，調節(jié)勵磁電流使電機能夠以額定轉速穩(wěn)定運行，通過軟件示波器對轉矩電流進行測試，如表1所示。從表1中可以看出，隨著轉矩的增加，勵磁電流的需求也隨之增加，測量到的轉矩電流的范圍也增加。

表1 勵磁電流及轉矩電流對應表Table 1 Corresponding table of exciting current and torque current

2.2 勵磁電流跟蹤策略的設計

根據表1中的測量結果，可以看出隨著轉矩的增加，勵磁電流和轉矩電流基本成正比例關系，因此我們在控制程序中可以加入通過判斷檢測的轉矩電流范圍，選取相應的勵磁電流值。具體執(zhí)行流程為：驅動器對U、V、W三相電流反饋進行采樣，通過坐標變換將三相變?yōu)閮上?，即勵磁電流和轉矩電流，將轉矩電流分為(4～10，24～38，40～54，54～80，82～90，91～100)六個區(qū)間，根據之前得到的轉矩電流判斷當前的工況區(qū)間，并按照表格選擇對應的勵磁電流值，這樣就實現(xiàn)了在整個負載區(qū)間下的穩(wěn)定地自適應控制。

上述策略雖然能夠連續(xù)地適應外界負載的變化來調節(jié)驅動器的輸出，但存在一個問題：由于轉矩電流的判斷是一個區(qū)間，若采樣、變換得到的轉矩電流值恰好在兩個區(qū)間的中間切換點或者在其范圍沒有覆蓋到的值，就會造成勵磁電流值在兩個值之間來回擺動或瞬間沒有值，從而造成轉速的波動，甚至振蕩。

經過上述分析，將勵磁電流跟蹤策略進行優(yōu)化，即為了能夠使整個過程更加連續(xù)，將轉矩電流范圍進行修正，如表2所示。

由于表2中轉矩電流的區(qū)間都是連續(xù)的，那么可以用一條二次曲線對其進行擬合，設定曲線的最大值和最小值，可以更大程度地連續(xù)化勵磁電流跟蹤曲線。據此得到勵磁電流和轉矩電流對應的二次曲線方程為：

表2 勵磁電流及轉矩電流對應修正表Table 2 Correction chart of torque current relative to exciting current

將公式(8)編寫入程序的控制環(huán)中，即可實現(xiàn)勵磁電流跟蹤控制的策略。

3 實驗結果

將上述程序編寫完成，在自主研發(fā)驅動器平臺上進行實驗驗證，分別進行空載到額定轉矩的切換、額定轉矩到空載的切換實驗。實驗的波形如圖2、圖3所示。

從圖2和圖3中也可以看出，當切換負載時，轉矩電流Iq迅速變化，勵磁電流Id也隨之進行自適應變化，保證電機的正常穩(wěn)定運行。

圖2 空載切換到50 N·m時電流波形Figure 2 Current waveform when zero load switching to 50 N·m

圖3 50 N·m切換到空載時電流波形Figure 3 Current waveform when load 50 N·m switching to zero load

4 結論

通過上面的實驗波形可以看出，隨著負載的切換，轉矩電流發(fā)生變化，隨之勵磁電流也跟著變化，達到了勵磁電流跟蹤控制的效果。該策略的算法量小，不依賴電機參數，魯棒性強，而且該策略在實際工程中容易實現(xiàn)，對工程項目有很大的指導意義。

[1] 秦憶，周永鵬，鄧忠華，等. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢:華中理工大學出版社，1995.

[2] 盧志剛，吳杰，吳潮. 數字伺服控制系統(tǒng)與設計[M].科學出版社，2006.

[3] 范正曉. 電力傳動與自動控制系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

[4] 嚴彩忠. 中國自動化網伺服培訓教程[M].伺服控制，2007.

[5] 陳伯時. 電力拖動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[6] 董兵斌. S7-200 PLC在伺服電機位置控制中的應用：全國地方機械工程學會學術年會暨中國制造發(fā)展論壇[C]. 2015.

[7] 亢克松，方一鳴，夏天，等. 伺服電機驅動的連鑄結晶器振動位移系統(tǒng)模糊自整定PID控制[J]. 燕山大學學報，2015, 39(4):334-340.

[8] 朱衛(wèi)云，付東翔，葛懂林. 基于RBF神經網絡的永磁同步伺服電機控制系統(tǒng)[J]. 電子科技，2016，29(1):161-164.

[9] 劉樂，李智，方一鳴，等. 伺服電機驅動連鑄結晶器振動位移系統(tǒng)滑模控制[J]. 電機與控制學報，2016，20(12):101-108.

[10] 李抗，張蕾，李鵬飛，等. 交流永磁同步伺服電機的參數自整定模糊PI控制[J]. 西安工程大學學報, 2015(3):325-331.

[11] 李杏華，劉琦，王海亮，等. 基于交流電機電子模擬器的伺服系統(tǒng)檢測技術[J]. 納米技術與精密工程，2016，14(4):256-261.

[12] 趙莎. 伺服電機負載模擬系統(tǒng)控制策略研究[J]. 北京交通大學，2014.

編輯 陳秀娟

Tracking Method of Exciting Current for AC Induction Motor

WangDongsheng,ZengYulin

In view of the AC induction motor which is widely used in the variable pitch servo of wind turbine generator, because the variable pitch servo motor is affected by wind load randomness, the wind load changes will lead the exciting current of variable pitch AC induction motor fail to meet the work requirement of system, can't make the system work under the running condition of expectations. On the basis of directional vector control of rotor magnetic field to propose an external load torque estimated by the torque current, thus the exciting current could track the load change, making the exciting current satisfy the actural working demand and having the motor run under the best situation. The test result verifies the validity and practicability of this method and it improves the stability of system.

AC induction motor; vector control; load tracking; exciting current

2017—05—03

王東升(1983—)，男，研究生，工程師，國家一級建造師(機電)，研究方向為風力發(fā)電的控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控和智能維護。

TM315

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