大型同步電機(jī)靜止變頻器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究

摘要：針對(duì)大型同步電機(jī)靜止變頻器起動(dòng)過程中的電流控制難題，在對(duì)同步電機(jī)起動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩分析的基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案，在靜止變頻器控制系統(tǒng)中引入轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過程的電流控制及到達(dá)同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)速無靜差。通過在鼓風(fēng)站實(shí)際應(yīng)用證明，采用本控制方法可以有效解決大型同步電機(jī)靜止變頻器的起動(dòng)問題，為靜止變頻器控制策略提供了可靠的理論及實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：靜止變頻器；大型同步電機(jī)；雙閉環(huán)控制；電磁轉(zhuǎn)矩

1、引言

隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；椒サ募涌?，作為工業(yè)裝置原動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量也日益擴(kuò)大。大型電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)電動(dòng)機(jī)向大容量方向發(fā)展起到了推波助瀾的作用。各種起動(dòng)技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用都有力地促使企業(yè)采用大型電機(jī)作為重型工業(yè)的原動(dòng)力。大型同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式中，靜止變頻器（SFC）起動(dòng)方式具有軟起動(dòng)性能，對(duì)電網(wǎng)干擾小，速度上升平滑，自動(dòng)化、可靠性程序高等特點(diǎn)。其原理是利用晶閘管變頻裝置產(chǎn)生頻率由零到額定頻率值的交流電源，同步地將機(jī)組拖動(dòng)起動(dòng)，當(dāng)機(jī)組逐漸升至額定轉(zhuǎn)速，滿足同期條件時(shí)，將機(jī)組并入電網(wǎng)，同時(shí)切除變頻裝置。變頻器的控制系統(tǒng)，是整個(gè)變頻器的核心，控制策略成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。本文研究的是雙閉環(huán)控制方式在靜止變頻器中的應(yīng)用。

2、同步電動(dòng)機(jī)靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)模型及電磁轉(zhuǎn)矩分析

圖1為靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路，R∑為主回路等效電阻，包括濾波電抗器電阻、電樞繞組兩相的電阻以及晶閘管正向壓降的等效電阻等；Ud為整流橋輸出直流電壓uD穩(wěn)態(tài)平均值；E為反電勢(shì)折算到逆變器直流側(cè)的直流電勢(shì)e穩(wěn)態(tài)平均值。

（1）整流橋的傳遞函數(shù)

根據(jù)整流橋的輸出電壓表達(dá)式可得整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

式中，TS為整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；KS為三相整流橋放大系數(shù)。

考慮換相重疊角后，三相整流橋的輸出直流電壓Ud與交流側(cè)相電壓有效值Us間的關(guān)系可用下式表示：

由于通常情況下整流橋換相重疊角μs比較小，Us為交流側(cè)相電壓有效值。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，直流母線電壓Ud可通過上式計(jì)算并之后處理得到，因此，整流橋放大系數(shù)可取KS=1[2]。

（2）自控式同步電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)

系統(tǒng)正常工作時(shí)，除晶閘管換流階段，逆變橋上下橋臂各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，電流流經(jīng)同步電動(dòng)機(jī)兩相定子電樞繞組。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，電樞繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，Eb，Ec，設(shè)其有效值為E。分析直流回路，穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變橋輸入側(cè)、輸出側(cè)電壓折算關(guān)系滿足：

式中γ為逆變超前角，μ為逆變橋晶閘管換相重疊角，其大小可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變橋輸入側(cè)、輸出側(cè)電流折算關(guān)系滿足：

式中，I為流入電機(jī)定子電流的有效值。

在忽略逆變橋及平波電抗器的損耗情況下，電機(jī)輸入功率可表達(dá)成：

圖2為定子繞組內(nèi)阻不作考慮的自控式同步電動(dòng)機(jī)相量圖，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)的電樞反電動(dòng)勢(shì)E與空載時(shí)E0之間存在一個(gè)相位差δ（稱為功率角）。

由此可推導(dǎo)出自控式變頻起動(dòng)過程中，同步電機(jī)要實(shí)現(xiàn)逆變橋的換流，電流需超前于電壓一定相位，電機(jī)呈容性工作狀態(tài)。

根據(jù)圖2中相量關(guān)系可知，電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表達(dá)式：

式中Ce為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，在考慮換流重疊角的情況下，負(fù)載換流同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算主要有兩部分組成：由勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和由電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩、計(jì)算過程復(fù)雜。一般情況下，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的值比較小，通常忽略不計(jì)，此時(shí)同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式具有直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式相似的形式：

根據(jù)相量關(guān)系，可以得到電機(jī)相電勢(shì)E與空載電勢(shì)E0的關(guān)系，結(jié)合近似處理后的電磁轉(zhuǎn)矩公式，相應(yīng)得到：

通常情況下，雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及抗擾性能良好，進(jìn)行調(diào)節(jié)器分析及設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略換相角μ、μs，以及反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的影響，并令γ0=60°。

3、靜止變頻起動(dòng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成分析

根據(jù)上一節(jié)分析，保持轉(zhuǎn)子磁通及空載換流超前角γ0不變，通過控制直流母線電流ID即可控制加速啟動(dòng)過程所需的電磁轉(zhuǎn)矩。與直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)類似，要實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過程的電流控制及到達(dá)同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)速無靜差，需引入轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)環(huán)節(jié)是通過機(jī)端電壓過零點(diǎn)檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置區(qū)間的判斷。將轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)，與直流電流反饋值比較后得到誤差信號(hào)，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出為晶閘管觸發(fā)移相信號(hào)。采用恒定逆變超前角γ0控制保證逆變器的可靠換流，其中，同步電機(jī)定子電流的頻率和相位由逆變器輸出決定。

4、雙閉環(huán)控制在實(shí)際中的應(yīng)用

采用交-直-交方式。包括降壓變壓器，整流晶閘管直流平波電抗器、逆變晶閘管，升壓變壓器，同步并網(wǎng)裝置，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)等部分，形成Y-△兩條回路。變頻起動(dòng)經(jīng)歷靜止轉(zhuǎn)子起動(dòng)，低速起動(dòng)，高速起動(dòng)，同期調(diào)節(jié)，并網(wǎng)等5個(gè)過程。Y-△回路均采用雙閉環(huán)控制，根據(jù)啟動(dòng)前給定的起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線，調(diào)節(jié)輸出頻率，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將電機(jī)代入全速[5]。

試驗(yàn)平臺(tái)采用40000kW同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定電壓為10kV，額定勵(lì)磁電流為150A。綠線為△路電網(wǎng)側(cè)AB線電壓；黃線為△路逆變側(cè)UV線電壓，為Y路直流側(cè)電流，藍(lán)線為△路直流側(cè)電流。

直流側(cè)電流曲線，其中綠色為電機(jī)轉(zhuǎn)速，藍(lán)色為△回路直流側(cè)電流曲線，紅色為Y器路直流側(cè)電流曲線，可以觀察家出兩條回路在啟動(dòng)過程中大小基本一致，電機(jī)轉(zhuǎn)速斜線上升，到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)成功并網(wǎng)，將電機(jī)同步帶入工頻運(yùn)行。

5、結(jié)論

本文針對(duì)大型同步電機(jī)靜止變頻器控制方式進(jìn)行分析，介紹了大型同步電機(jī)靜止變頻器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。通過分析同步電機(jī)起動(dòng)過程的電磁轉(zhuǎn)矩，引入轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過程的電流控制及到達(dá)同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)速無靜差。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以論證，且在武漢鋼鐵集團(tuán)二號(hào)鼓風(fēng)站等現(xiàn)場(chǎng)采用該方法起動(dòng)中都獲得成功，為靜止變頻器控制策略提供了可靠的理論及實(shí)踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余龍海.開關(guān)變壓器軟起動(dòng)技術(shù)分析：[J].《電氣技術(shù)》2008中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)

[2]李鵬，李崇堅(jiān)，朱春毅.負(fù)載換流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的換流分析[C].全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2010年年會(huì).青島.2010.

作者簡(jiǎn)介：

胡德洪、男、1968年4月出生，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，副教授職稱，襄陽市學(xué)科帶頭人。為襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與電子信息工程系教師。主要從事電工電子及計(jì)算機(jī)類教學(xué)及管理。主持或參與省級(jí)課題四個(gè)，發(fā)表專業(yè)和教改論文十余篇，指導(dǎo)學(xué)生參加國(guó)家級(jí)技能大賽獲一等獎(jiǎng)一次，獲實(shí)用新型專利二項(xiàng)。多次榮獲市級(jí)以上“優(yōu)秀教師”稱號(hào)。endprint