六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究

李 拓，李亞民，杜慶楠，崔占奇

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六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究

李 拓1，李亞民2，杜慶楠1，崔占奇1

（1. 河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

在基于六脈波雙變量交交變頻基礎(chǔ)上，為了避免電機(jī)在軟啟動過程中由變頻段（低于50HZ）向工頻（50 HZ）調(diào)壓段切換時因頻率極差較大而導(dǎo)致的機(jī)械特性變軟，提高電機(jī)起動至共頻段轉(zhuǎn)速的控制性能，抑制由37.5 HZ向50 HZ切換時引起的瞬時沖擊電流，以滿足工業(yè)控制對調(diào)速精度的要求。通過采用增量式PID控制算法對調(diào)壓時間常數(shù)進(jìn)行控制，將調(diào)壓時間常數(shù)偏移量作為控制量形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。大量的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明在閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，幾乎可以無靜差的穩(wěn)定運(yùn)行于1400 r/min，實(shí)現(xiàn)了由變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過度。

六脈波雙變量；交交變頻；工頻調(diào)壓；閉環(huán)

0 引言

交流電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、礦山傳輸、國防工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。特別是三相異步電動機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高、價格低廉、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)中[1-2]。然而電動機(jī)的起動性能卻一直不理想，尤其是當(dāng)異步電動機(jī)在額定電壓下直接起動時，起動電流可達(dá)額定電流的4~7倍，重載時可達(dá)額定電流的10倍以上[3-4]，雖然電機(jī)起動過程很短，但是過大的起動電流會造成較大的線路壓降和損耗，此時會嚴(yán)重影響周圍其他電氣設(shè)備，且瞬間較大的起動電流也會使電動機(jī)繞組發(fā)熱，降低繞組絕緣性能，縮短電動機(jī)的使用壽命，并會產(chǎn)生較大的能量損耗，造成電能的浪費(fèi)，此外直接起動時也常伴隨有較大的機(jī)械沖擊，危害電機(jī)的軸承。由于電機(jī)直接起動時的種種不利因素，在生產(chǎn)實(shí)際中，只有容量較小的電機(jī)才允許直接進(jìn)行起動[5-6]。

利用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)進(jìn)行軟起動，不僅能有效降低起動電流，而且還能提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)獲得較為理想的起動性能。六脈波雙變量交交變頻器不僅具有通用變頻器所具有的優(yōu)點(diǎn)，而且與同等容量的通用變頻器相比性價比較高，且在3分頻以上具有較寬的頻率輸出范圍，對這些頻率下的波形加以改造和利用，可有效改善電機(jī)的軟起動性能。

為對電機(jī)進(jìn)行全范圍軟起動控制，在工頻段（50 Hz）本文對六脈波交交變頻器工頻調(diào)壓策略進(jìn)行研究，同時為限制變頻段向調(diào)壓段切換時由于級差較大而引起的電流沖擊[7]，在工頻段加入調(diào)壓閉環(huán)控制策略，以實(shí)現(xiàn)變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過渡。

1 解析模型

1.1 六脈波交交變頻工頻調(diào)壓模型研究

圖1所示為六脈波交交變頻器功率變換電路的結(jié)構(gòu)圖（U相），其中1~12為晶閘管編號，也即晶閘管控制字，A~F為6相輸入電源。從圖中可以看出，交交變頻器晶閘管主電路每相由6組反并聯(lián)的晶閘管組成，因而可實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動，結(jié)合電力電子技術(shù)知識可知，六脈波交交變頻器主電路結(jié)構(gòu)包含三相交流調(diào)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而在調(diào)速過程中無需其他切換裝置即可由變頻段切換至工頻段進(jìn)行調(diào)壓軟起。根據(jù)交交變頻器晶閘管功率變換電路的結(jié)構(gòu)，共可將其分為6組交流調(diào)壓電路，每組調(diào)壓電路所包含晶閘管的編號如表1所示。

圖1 六脈波交交變頻器晶閘管模塊結(jié)構(gòu)圖（U相）

表1 工頻調(diào)壓電路晶閘管控制字

Tab.1 Thyristor number of voltage regulation circuit

在程序中根據(jù)高頻段向工頻段過渡時對應(yīng)分頻下的晶閘管控制字，可相應(yīng)的選取工頻條件下晶閘管調(diào)壓電路的組別，并按以上規(guī)則對調(diào)壓電路中晶閘管的通斷進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)六脈波交交變頻器工頻段調(diào)壓調(diào)速功能。

1.2 工頻調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速特性分析

由圖2可知，開環(huán)情況下，起始時刻負(fù)載TL2穩(wěn)定運(yùn)行在B點(diǎn)，由于擾動某一時刻負(fù)載增大至TL3，則根據(jù)調(diào)壓特性，曲線此時轉(zhuǎn)速將會下降至E點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速降落較大，即開環(huán)情況下隨著電壓的降低，電機(jī)的機(jī)械特性變軟，調(diào)壓深度過深時，較小的擾動也會造成轉(zhuǎn)速的波動。而生產(chǎn)實(shí)際中常希望電機(jī)能夠起動至給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，此時就需在調(diào)壓過程中加入閉環(huán)調(diào)節(jié)[10]。

圖2 工頻調(diào)壓閉環(huán)特性

以圖2為例來對工頻段調(diào)壓閉環(huán)的特性進(jìn)行分析。假如某一時刻下電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在B點(diǎn)，此時負(fù)載為TL2，當(dāng)負(fù)載由于擾動由TL2增大至TL3時，通過閉環(huán)控制，可使電壓由U2升高至U3，以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在C點(diǎn)。同樣，假如某一時刻下電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在B點(diǎn)，電機(jī)負(fù)載為TL2，當(dāng)負(fù)載由于擾動由TL2減小至TL1時，通過閉環(huán)控制，可使電壓由U2降低至U1，以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)。將A、B、C、F、G連起來即為A點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)工頻調(diào)壓閉環(huán)特性。當(dāng)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時[11]，也可通過調(diào)壓閉環(huán)對電機(jī)的端電壓進(jìn)行控制，進(jìn)而使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速。

1.3 工頻調(diào)壓閉環(huán)控制策略探討

圖3 交交變頻器工頻調(diào)壓閉環(huán)原理圖

由圖3可知，本文通過PID控制器來對調(diào)壓時間常數(shù)進(jìn)行控制，從而達(dá)到閉環(huán)調(diào)壓的目的。其中PID控制器采用增量式PID控制算法，其算法公式如式2所示。

2 仿真驗(yàn)證

如圖4所示8N.m負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)速給定突變時的閉環(huán)控制效果，首先使電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為1200 r/min條件下起動，可以看出經(jīng)過0.8s電機(jī)即起動至給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，在2.5s時將給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，經(jīng)過0.5s電機(jī)轉(zhuǎn)速由1200 r/min迅速過渡至1400 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，從圖4中的轉(zhuǎn)速波形可以看出，采用調(diào)壓閉環(huán)控制后，電機(jī)對給定轉(zhuǎn)速的響應(yīng)較為迅速，在閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程中超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時幾乎無靜差。

為進(jìn)行一步說明工頻調(diào)壓閉環(huán)的抗干擾性能，這里將對負(fù)載突變時的閉環(huán)控制效果進(jìn)行仿真分析，如圖5所示。

如圖5所示為閉環(huán)條件下，負(fù)載突變時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形，由圖可知，起始時刻給定轉(zhuǎn)速為1300 r/min，電機(jī)帶動8 N.m的負(fù)荷經(jīng)過0.9 s起動至1300 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，在2.5s時電機(jī)負(fù)載由8 N.m突加至15 N.m，并在3.6s再由15N.m突減至8 N.m，由圖5中電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形可以看出，在負(fù)載突加、突減的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動很小，一直維持在1300 r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，由此可以看出在工頻段采用閉環(huán)控制策略后，系統(tǒng)有著較好的抗干擾性能。

圖4 給定轉(zhuǎn)速突變時閉環(huán)控制效果

圖5 負(fù)載突變時閉環(huán)控制效果

電機(jī)的軟起動過程中，在高頻段采用變頻與調(diào)壓相結(jié)合的控制策略，為了說明由變頻段切換至工頻調(diào)壓段的控制效果，這里對8 N.m負(fù)載條件下，電機(jī)由37.5 Hz切換至50 Hz條件下的過渡過程進(jìn)行仿真相應(yīng)的分析，如圖6所示。

由圖6可知，起始時刻，電機(jī)帶動8 N.m負(fù)載在37.5 Hz條件下起動并穩(wěn)定運(yùn)行于1100 r/min的轉(zhuǎn)速下，在2.5 s時，電機(jī)由37.5 Hz條件下向50 Hz工頻條件下過渡，在工頻調(diào)壓閉環(huán)的作用下，經(jīng)過0.3 s電機(jī)由1100 r/min過渡至1300 r/min的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，在4.5 s時給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，經(jīng)過0.2 s電機(jī)由1300 r/min過渡至1400 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行?？梢钥闯?，由變頻段向調(diào)壓段過渡過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，且在工頻調(diào)壓閉環(huán)的作用下，電機(jī)可根據(jù)需要過渡至相應(yīng)的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 37.5 Hz向50 Hz過渡時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略的性能，在試驗(yàn)中首先使電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min的條件下起動，工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略下電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形

如下圖所示：

圖7 給定轉(zhuǎn)速1400 r/min時電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

從圖7可以看出，電機(jī)經(jīng)過0.7 s起動到1400 r/min并穩(wěn)定運(yùn)行，在閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，能夠穩(wěn)定運(yùn)行于1400 r/min，且穩(wěn)定運(yùn)行時幾乎無靜差。

如圖8所示，為工頻段下給定轉(zhuǎn)速突變時電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形，首先使電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為1200 r/min的條件下起動，在閉環(huán)控制的作用下，經(jīng)過1.2 s電機(jī)起動至1200 r/min左右穩(wěn)定運(yùn)行，然后在t=14.5 s時，將給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，可以看出在閉環(huán)控制作用下[16]，電機(jī)能夠迅速對給定轉(zhuǎn)度的變化做出反應(yīng)，經(jīng)過0.5 s左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速由1200 r/min過渡至1400 r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，可以看出工頻段的調(diào)壓閉環(huán)對電機(jī)轉(zhuǎn)速有著較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。

圖8 給定轉(zhuǎn)速突變時電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形

為對電機(jī)由高頻段向工頻段過渡時工頻調(diào)壓閉環(huán)的調(diào)節(jié)能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，如圖9所示為實(shí)驗(yàn)中由變頻段向工頻調(diào)壓段過渡時的轉(zhuǎn)速波形，選擇的過渡頻段為37.5 Hz，切換過程中，通過調(diào)壓閉環(huán)來控制電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 37.5 HZ向50 HZ過渡時的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

由圖9可知，首先使電機(jī)在37.5 Hz、235 V條件下起動，經(jīng)過0.5 s電機(jī)起動至1100 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，在t=10.8 s時，向變頻器發(fā)出頻率切換指令，使電機(jī)由23.5 Hz條件下向50 Hz條件下過渡，在閉環(huán)控制的作用下，先使電機(jī)工頻條件下穩(wěn)定運(yùn)行在1200 r/min的轉(zhuǎn)速下，逐步改變給定轉(zhuǎn)速，使電機(jī)由1200 r/min逐步切換至1300 r/min，并最終穩(wěn)定運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速1400 r/min附近。通過實(shí)驗(yàn)分析，可知六脈波交交變頻器可方便的實(shí)現(xiàn)變頻與調(diào)壓的相結(jié)合，且在高頻段通過設(shè)置調(diào)壓閉環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)變頻段向調(diào)壓段切換時的軟過渡，通過調(diào)壓閉環(huán)的作用可使電機(jī)起動至額定轉(zhuǎn)速附近穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文采用增量式PID控制算法對調(diào)壓時間常數(shù)進(jìn)行控制，將調(diào)壓時間常數(shù)偏移量作為控制量形成閉環(huán)，給出了采用增量式PID控制算法的PID控制器的物理模型，適用于從過度頻段37.5 HZ到工頻段50 HZ過渡過程中的軟啟動。并通過對工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略進(jìn)行了相應(yīng)大量的仿真與實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果均表明：通過閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過渡。

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Study on 6-pulse Double-Variable Cross-Frequency Control Power Frequency Regulator Closed-loop

LI Tuo1, LI Ya-min2, DU Qing-nan1, CUI Zhan-qi1

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University Jiaozuo 454000 China; 2. Zhengzhou Institute of Science and Technology Zhengzhou 450064 China)

Based on the six-pulse bivariate cross-converter based on, in order to avoid the motor in the soft start process from the variable frequency band (below 50 HZ) to the power frequency (50 HZ) voltage regulator section when the frequency difference caused by the larger The mechanical properties are softened, which improves the control performance of the motor starting to the common-band rotation speed, and suppresses the instantaneous inrush current caused when switching from 37.5 HZ to 50 HZ, so as to meet the requirements of the industrial control on the speed regulation accuracy. Through the use of incremental PID control algorithm to control the time constant of pressure regulation, the pressure control time constant offset is used as a control quantity to form a closed loop, and closed-loop adjustment is realized. A large number of simulation and experimental results show that under the effect of closed-loop regulation, the overshoot of the motor speed is small, and it can be operated with stability of almost no static difference at 1400 r/min, and the switching from the variable frequency band to the power frequency voltage regulation section is realized. Soft over.

Six-pulse bivariate; Cross-conversion; Power frequency regulation; Closed-loop

TM343

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.020

李拓(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：運(yùn)動驅(qū)動與控制；李亞民(1992-)，男，助教，主要研究方向：電力電子與電氣傳動；杜慶楠(1958-)，男，教授，主要研究方向：自動控制、電力電子技術(shù)與交直流調(diào)速；崔占奇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力拖動。

本文著錄格式：李拓，李亞民，杜慶楠，等. 六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究[J]. 軟件，2018，39（8）：94-99