發(fā)電廠用異步電機(jī)雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)研究

張厚升，于蘭蘭，杜欽君，朱勝杰

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

異步電機(jī)的節(jié)能、高效運(yùn)行是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略［1］，具有復(fù)雜性和緊迫性?；\型異步電動(dòng)機(jī)在各類發(fā)電廠中具有非常重要的作用，例如一次風(fēng)機(jī)用異步電機(jī)、送風(fēng)機(jī)電機(jī)、磨煤機(jī)電機(jī)等，異步電機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、成本較低、結(jié)構(gòu)簡單和制造容易等特點(diǎn)，因此異步電機(jī)的高效、節(jié)能運(yùn)行關(guān)系到發(fā)電廠相關(guān)的生產(chǎn)過程，同時(shí)也關(guān)系到發(fā)電廠生產(chǎn)的業(yè)績。

對(duì)于異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，目前在發(fā)電廠中主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、泵類等系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)速運(yùn)行方面，但是這種節(jié)能控制技術(shù)主要采用基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的變壓變頻調(diào)速模式。目前我國發(fā)電廠的各類異步電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率相對(duì)國外較低，而且耗電量巨大［2］，這就使得異步電機(jī)的節(jié)能、高效運(yùn)行成為研究熱點(diǎn)。研究了一種發(fā)電廠用異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)速運(yùn)行，為了改善動(dòng)態(tài)性能，引入轉(zhuǎn)矩控制方式。采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制和三相電流滯環(huán)PWM控制策略，能讓電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機(jī)能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1 轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的原理分析

矢量控制是截至目前三相異步電機(jī)交流調(diào)速最先進(jìn)、性能最好的控制方式，通常將含有矢量變換控制的三相異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)。實(shí)際上，在控制的過程中，仍然是以建立的等效直流電動(dòng)機(jī)模型為控制對(duì)象，并按照轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確的定向與控制，這樣就能讓三相異步電動(dòng)獲得優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能［2］。

對(duì)于傳統(tǒng)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制雖然能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)因轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)引起的電磁轉(zhuǎn)矩的變化，但是這種調(diào)節(jié)只有當(dāng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化以后才能起抗擾作用，為了改善動(dòng)態(tài)性能，本文基于傳統(tǒng)控制策略引入了轉(zhuǎn)矩控制方式。

所提出的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中主電路部分采用交-直-交三相PWM逆變器作為變頻主電路，逆變器的控制器采用三相電流滯環(huán)PWM控制策略。在控制系統(tǒng)中，采用了3個(gè)PI調(diào)節(jié)器，和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比［3-5］，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）之后增加了一個(gè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，在能有效控制轉(zhuǎn)速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的無靜差控制［6-7］。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，可以通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）及時(shí)調(diào)整電流轉(zhuǎn)矩分量給定值，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化的影響，盡可能不影響或者少影響異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子磁鏈擾動(dòng)作用點(diǎn)位于轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)，所以可以通過轉(zhuǎn)矩反饋來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)的抑制[8]，而不需要再通過轉(zhuǎn)速環(huán)來實(shí)現(xiàn)磁鏈波動(dòng)的抑制。ASR的限幅輸出值是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入給定值，而轉(zhuǎn)矩的另一路輸入信號(hào)，即轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)Te來源于矢量控制方程［9－11］

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)；Lm為兩相坐標(biāo)系上同軸定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感值；ist為異步電機(jī)經(jīng)3s／2r（三相靜止坐標(biāo)系／兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）變換后得到的定子電流的轉(zhuǎn)矩分量；Ψr為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈；Lr為兩相坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子繞組的自感值。

圖1中的磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）用于對(duì)異步電機(jī)定子磁鏈的控制，并設(shè)置了相應(yīng)的電流變換和磁鏈觀測環(huán)節(jié)，磁鏈按照矢量控制方程式（2）來進(jìn)行計(jì)算與控制。

式中：Tr為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，Tr＝Lm／Rr，其中Rr為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子一相繞組電阻值；ism為異步電機(jī)經(jīng)3s／2r變換后得到的定子電流的勵(lì)磁分 量［10-11］。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率滿足

式中：ωs為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率；ω1為定子頻率；ω為轉(zhuǎn)子角速度。通過矢量控制方程（3）可以計(jì)算出異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率ωs和定子頻率ω1，且ω1=ω+ωs。

ATR和ApsiR的輸出分別是異步電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量給定值i*st和勵(lì)磁分量的給定值i*sm，給定值i*st和i*sm經(jīng)過2r／3s變換后得到三相定子電流的給定值i*sa、i*sb和i*sc，通過三相電流滯環(huán)跟蹤PWM控制逆變器之后就可以控制異步電機(jī)的三相定子電流［10］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速控制，進(jìn)而能有效地拖動(dòng)電廠風(fēng)機(jī)或者其他相關(guān)負(fù)載運(yùn)行。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2 電流滯環(huán)PWM控制器原理分析

電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)可以使PWM逆變器的輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤給定電流的波形變化而近似呈現(xiàn)正弦波，是一種PWM控制方式。常用的電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)一般采用滯環(huán)控制［11］，即：當(dāng)逆變器實(shí)際的輸出電流值與給定電流值（參考電流信號(hào)，一般為正弦波）的偏差超過某一個(gè)數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)改變逆變器的工作狀態(tài)，使PWM逆變器的輸出電流減小或者增加，進(jìn)而能將實(shí)際的輸出電流值與給定電流值的偏差控制在一定誤差范圍內(nèi)，下面以單相（或者單橋臂）為例進(jìn)行說明，其工作原理如圖2（a）所示。

圖2 滯環(huán)控制原理

圖2 （a）中開關(guān)管VT1和開關(guān)管VT2組成PWM逆變器的一相橋臂，L是其感性負(fù)載，實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流i并與參考電流給定值i*進(jìn)行比較，將電流偏差信號(hào)Δi=i*-i送入滯環(huán)控制器H1和H2，當(dāng)偏差信號(hào)超過滯環(huán)控制器的環(huán)寬ΔI時(shí)，則改變PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)，且當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于電感儲(chǔ)能，電路中的負(fù)載電流增加，開關(guān)管VT2導(dǎo)通時(shí)，電路中的負(fù)載電流減小。其脈沖驅(qū)動(dòng)波形和電流波形如圖2（b）所示，在t1時(shí)刻，開關(guān)管VT1導(dǎo)通，電路中的負(fù)載電流 i開始增加，直至 t2時(shí)刻，i＞i*+ΔI，開關(guān)管VT1關(guān)斷而開關(guān)管VT2導(dǎo)通，電路中的負(fù)載電流i開始下降，至 t3時(shí)刻，i＜i*-ΔI，開關(guān)管 VT2 關(guān)斷而開關(guān)管VT1導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，PWM逆變器實(shí)際的輸出電流值i將跟隨給定正弦電流值i*而做鋸齒形變化，滯環(huán)控制器的環(huán)寬2ΔI決定了鋸齒形變化的范圍，而且環(huán)寬2ΔI越小，PWM逆變器輸出電流的跟蹤效果越好，但是相應(yīng)PWM逆變器的開關(guān)頻率也就越高，開關(guān)損耗相應(yīng)也會(huì)增加，所以，在電流跟蹤型滯環(huán)PWM控制逆變器中選擇合適的環(huán)寬2ΔI非常重要。

3 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置

所建立的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表1所示。圖3中電流跟蹤控制環(huán)節(jié)采用三相電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)，環(huán)寬設(shè)為0.95。圖3中，逆變器模塊采用IGBT／Diode，其他參數(shù)取默認(rèn)值，Current model是電流變換與磁鏈觀測仿真模型，其電路模型如圖4所示，圖中從Demux上出來3個(gè)物理量ism、ist和i0，由于不需要 0軸的物理量 i0，所以將其封鎖，ism即為d軸的勵(lì)磁電流分量，乘以Lm=0.069 3 H，再乘以 1／（Trs+1），就得到轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr，在函數(shù)模塊Fcn1中，0.069 3是Lm的數(shù)值，u(1)是 ist信號(hào)，u（2）是 Ψr信號(hào)，0.087 4 是 Tr的數(shù)值，由于 u（2）是轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)，它是一個(gè)變量，為了防止在仿真過程中出現(xiàn)傳遞函數(shù)分母為0而使仿真過程終止，在分母中專門加了一個(gè)很小的數(shù)值0.001。Fcn1模塊的輸出就是轉(zhuǎn)差頻率ωs，同轉(zhuǎn)速信號(hào)相加，就成為定子頻率信號(hào)ω1，對(duì)其積分后，即可得到旋轉(zhuǎn)相位角信號(hào)。進(jìn)而可以設(shè)置sin和cos信號(hào)。

為了抑制電磁轉(zhuǎn)矩Te和電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的相互耦合，在圖3所示仿真模型中設(shè)置了函數(shù)模塊Fcn，其中2是極對(duì)數(shù)，0.069 3是Lm的數(shù)值，u（1）是轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)，u（2）是ist信號(hào)，它的輸出就是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)Te。

圖3 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 電流變換與磁鏈觀測仿真模型

由于從電機(jī)檢測端m出來的轉(zhuǎn)速信號(hào)單位為弧度，采用 Gain 模塊并取值為 60／（2π）=9.55，將其變換為轉(zhuǎn)速信號(hào)，連接至ASR的輸入端口，ASR、ATR和ApsiR均采用帶飽和限幅的PI調(diào)節(jié)器，并分別對(duì)其積分環(huán)節(jié)和PI環(huán)節(jié)的輸出進(jìn)行限幅，限幅值如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

假設(shè)三相異步電機(jī)空載狀態(tài)下啟動(dòng)，并令轉(zhuǎn)速給定值n*=1 400 r／min，系統(tǒng)空載啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定后，在0.6 s電機(jī)加載60 N·m，系統(tǒng)的仿真波形如圖5所示。

表1 系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)

圖 5（a）、圖 5（b）和圖 5（c）分別給出了三相異步電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩的仿真波形。圖5（d）、圖5（e）和圖5（f）分別給出了三相異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中3個(gè)PI調(diào)節(jié)器即：ASR、ATR和ApsiR的輸出仿真波形。從圖（a）中可以看出，三相異步電機(jī)在矢量控制和滯環(huán)電流跟蹤控制的作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)上升。在到達(dá)0.35 s時(shí)，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升至給定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了輸出對(duì)輸入的無靜差跟蹤。而且在0.6 s電機(jī)加載55 N·m（額定負(fù)載為60 N·m）時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速略有下降，但能基本維持在1 400 r／min左右，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。

圖5 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的仿真波形

由圖 5（d）、圖 5（e）和圖 5（f）可知，在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）和磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）均處于飽和限幅狀態(tài)，它們的輸出值均為相應(yīng)的飽和限幅值，由此可以保證三相異步電機(jī)定子電流的電磁轉(zhuǎn)矩Te和勵(lì)磁電流分量都保持為最大值且恒定不變。所以，系統(tǒng)在經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系（2r／3s）的變換后，得到的三相滯環(huán)電流控制PWM逆變器的定子電流給定值和比較平穩(wěn)，如圖5（g）所示，從而能保證異步電機(jī)在啟動(dòng)過程中，電機(jī)的三相定子電流基本保持不變，如圖 5（b）所示為 A相電流，圖 5（h）為三相定子電流，由此可見，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒流升速啟動(dòng)。從圖5（c）所示異步電機(jī)啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩波形來看，在異步電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，說明磁鏈參數(shù)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖6和圖7分別是矢量控制三相異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈軌跡和靜特性 （閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系）的仿真波形，在啟動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)磁鏈呈現(xiàn)螺旋增加狀態(tài)，而且這種螺旋增加的過程相對(duì)比較均勻、光滑，但是受到磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）PI調(diào)節(jié)參數(shù)的影響，磁鏈增加的過程比較漫長，從而使圖7所示異步電機(jī)機(jī)械特性曲線中的恒轉(zhuǎn)矩升速階段（AB段）相對(duì)偏小。

圖6 異步電機(jī)的定子磁鏈仿真軌跡

圖7 異步電機(jī)的機(jī)械特性仿真曲線

3 結(jié)語

研究一種電廠用異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在分析其主控電路結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，以單相橋臂為例，分析了三相電流滯環(huán)PWM控制策略。建立帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)照系統(tǒng)原理框圖，分析了各個(gè)主要仿真模塊及其參數(shù)的設(shè)置。仿真結(jié)果表明：

1）異步電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)，能夠有效抑制負(fù)載的擾動(dòng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流升速過程，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后能保證電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行。

2）由于同時(shí)采用了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制和三相電流滯環(huán)PWM控制策略，在保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，還能保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機(jī)能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩和比較光滑的圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡。

3）由于采用了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，和傳統(tǒng)的矢量控制相比，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器能對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4）靜特性曲線也較好地說明了系統(tǒng)的抗干擾能力。

5）系統(tǒng)的不足之處在于：當(dāng)異步電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，說明磁鏈參數(shù)還可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。