基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了解決傳統(tǒng)大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)因變頻速度較快而經(jīng)常出現(xiàn)電力故障的問題，提出并設(shè)計了一種基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)引用DPS控制芯片設(shè)計變頻器，并將變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)定為一拖二形式，其余應(yīng)用原系統(tǒng)硬件。設(shè)定電機各狀態(tài)反饋控制模塊，使用同步變頻技術(shù)完成系統(tǒng)變頻切換。將以上硬件與軟件相結(jié)合，完成基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)設(shè)計。通過分析系統(tǒng)測試結(jié)果可知，所設(shè)計系統(tǒng)的電壓變化與原系統(tǒng)的電壓變化相比較為平緩，說明所設(shè)計系統(tǒng)的切換效果更佳，對大功率電機的保護(hù)性能更好。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)反饋控制;大功率電機;變頻切換;DPS控制芯片

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷提升，大功率電機的使用頻率也逐步上升。在電機使用過程中，對電機進(jìn)行變頻切換至關(guān)重要。有效使用變頻切換功能可提高電機的使用壽命，降低電機出現(xiàn)故障的概率，變頻切換技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[1]。變頻切換通過引入狀態(tài)反饋控制技術(shù)實現(xiàn)電機的勻速變頻，狀態(tài)反饋控制是體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論特色的一種控制方式[2]，是指將系統(tǒng)的每一狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，反饋到輸入端并與參考輸入相加，其和作為被控系統(tǒng)的控制信號。采用此技術(shù)可有效提升大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)對電機控制的精度與可靠度。本文設(shè)計了基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)，為了保證此次設(shè)計的有效性，在完成系統(tǒng)設(shè)計后，構(gòu)建了系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，對所設(shè)計系統(tǒng)的性能特征進(jìn)行了驗證。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在變頻切換系統(tǒng)的硬件優(yōu)化設(shè)計過程中，主要對變頻器進(jìn)行了設(shè)計。在傳統(tǒng)的變頻切換系統(tǒng)中，采用的變頻器結(jié)構(gòu)多為一臺變頻器拖動一臺電機的形式[3]。此次硬件優(yōu)化設(shè)計中，將變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)定為一拖二的形式，變頻切換系統(tǒng)變頻器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

大多數(shù)一拖二結(jié)構(gòu)中包含電源柜（QF1，QF2）、變頻器（1#，2#）、自動旁路柜（QF11，QF12，QF13，QF21，QF22，QF23），其數(shù)量均設(shè)定為2套。但這種結(jié)構(gòu)所占空間較大，成本較高。因而在此次設(shè)計中，將一拖二結(jié)構(gòu)設(shè)定為圖1所示的形式，包含3臺電源柜（QF1，QF2，QF）、1臺高壓變頻器以及2臺一拖二切換柜（1QF，2QF）。電源柜為電機提供相應(yīng)的電源以及保護(hù)，并對電機的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。在此次硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，變頻器的選用直接影響系統(tǒng)性能，因此將對變頻器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對原有大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)在使用時，電壓變換過快的問題，在此次設(shè)計中應(yīng)用狀態(tài)反饋控制技術(shù)對系統(tǒng)中的軟件部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.1? ? 設(shè)定電機各狀態(tài)反饋控制模塊

通過研究大功率電機可知，采用狀態(tài)反饋控制技術(shù)時，首先需要設(shè)定電機各狀態(tài)變量[4]，設(shè)定電機共有3種狀態(tài)，分別為l1、l2、l3，則電機在變頻切換系統(tǒng)控制下的狀態(tài)方程可以表示為：

采用式（8）對電機的狀態(tài)進(jìn)行控制，并將此公式引用至系統(tǒng)的控制模塊中，提升系統(tǒng)對電機的控制能力。

2.2? ? 實現(xiàn)大功率電機高壓變頻穩(wěn)定切換

在系統(tǒng)中增加上述模塊，提升系統(tǒng)切換時的控制能力。為確保增加上述模塊后，系統(tǒng)可完成變頻切換工作，采用同步切換控制原理優(yōu)化原有的切換模塊。

在此切換模塊中，設(shè)定先投后切以及先切后投兩種形式，避免出現(xiàn)供電死區(qū)與電機中電流的極速下降。設(shè)定模塊的切換流程如圖2所示。

使用上述流程對模塊進(jìn)行變頻切換，在此次設(shè)計中，僅對原有系統(tǒng)中的不足進(jìn)行優(yōu)化，其他部分沿用原有模塊中的設(shè)置。將此模塊與上文中設(shè)計的狀態(tài)反饋控制模塊相連，使用上文中的模塊對此模塊進(jìn)行控制。通過此模塊可減小沖擊電流的產(chǎn)生，提升變頻切換時的穩(wěn)定性。

通過上述軟件設(shè)計與硬件的選用，完成切換系統(tǒng)的主體設(shè)計。至此，完成基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)設(shè)計。

3 系統(tǒng)性能測試

在此次測試中，采用MATLAB軟件對大功率電機的工作環(huán)境進(jìn)行三維模擬。此次測試中應(yīng)用的軟件型號為MATLAB7.0。為保證模擬結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，采用Simulink軟件對大功率電機中的電力電壓動態(tài)過程進(jìn)行重建。將上述兩個仿真軟件結(jié)合使用，對大功率電機的各個器件與子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果作為此次試驗的基礎(chǔ)。

3.1? ? 測試樣本

采用上述設(shè)定軟件對大功率電機進(jìn)行仿真處理，并作為此次測試的測試驗本。此次測試中，針對功率單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定。功率單元中包含三相電壓源、變壓器、整流橋、濾波電感、電容以及逆變器。

采用兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計系統(tǒng)，對上述測試樣本進(jìn)行變頻切換處理，為提升實驗結(jié)果的精準(zhǔn)度，設(shè)定變頻切換過程的時長，變頻切換過程參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上述設(shè)定，完成測試樣本的處理。在此次測試中，采用對比切換過程中電壓變換強度的方式，獲取兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行變頻切換時，電流瞬變情況的結(jié)果并與實際結(jié)果進(jìn)行對比，驗證3種系統(tǒng)的切換速度。

3.2? ? 測試結(jié)果

3.2.1? ? 電流瞬變對比

通過上述測試設(shè)計，完成系統(tǒng)測試，獲取兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計系統(tǒng)的電流瞬變情況對比結(jié)果，具體如圖3所示。

根據(jù)已有研究可知，電流的瞬間增加可能會引發(fā)大功率電機出現(xiàn)故障。通過上述測試結(jié)果可知，使用兩種對比系統(tǒng)時，變頻器的電流上升速度較快。

3.2.2? ? 切換速度對比

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)在降低切換速度方面的性能，對比3種系統(tǒng)下的切換速度。3種系統(tǒng)的切換速度對比結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，兩種對比系統(tǒng)的切換速度均高于所設(shè)計系統(tǒng)，在3種切換系統(tǒng)中，基于PLC系統(tǒng)的切換速度最快且變化幅度較大，容易使大功率電機發(fā)生故障，而基于單片機系統(tǒng)的切換速度雖然小于基于PLC系統(tǒng)，但是仍高于所設(shè)計系統(tǒng)。

3.2.3? ? 狀態(tài)反饋控制誤差對比

狀態(tài)反饋控制誤差可直接反映系統(tǒng)切換控制的性能，狀態(tài)反饋控制誤差越小，說明變頻切換系統(tǒng)的精度越高。3種方法的狀態(tài)反饋誤差對比結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，在相同的條件下，所設(shè)計系統(tǒng)的狀態(tài)控制反饋誤差最高不超過0.3。而基于PLC系統(tǒng)與基于單片機系統(tǒng)的控制誤差最高可達(dá)到0.92、0.39。因此，說明所設(shè)計系統(tǒng)的狀態(tài)控制準(zhǔn)確率更高，系統(tǒng)切換性能更好，充分證明了提出的基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)具有良好的性能。

3.2.4? ? 電壓穩(wěn)定性對比

設(shè)計大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)切換系統(tǒng)存在的電壓不穩(wěn)定問題，因此對比了3種切換系統(tǒng)下的大功率電機的電壓穩(wěn)定性，對比結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著電機工作時間的增加，在所設(shè)計系統(tǒng)控制下，電機的工作電壓一直保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，基本保持為10 kV的穩(wěn)定電壓。而基于單片機系統(tǒng)控制下，電機的工作電壓波動性較大，嚴(yán)重影響了電機的工作性能?；赑LC系統(tǒng)下，電機的工作電壓在10 kV附近波動，雖然波動幅度較小，但同樣不利于電機的工作，充分證明了提出的基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機高壓變頻切換系統(tǒng)具有良好的性能。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的大功率電機變頻切換領(lǐng)域受電子器件的限制，增加了穩(wěn)定變頻切換的難度。為此，本文引用狀態(tài)反饋技術(shù)，對變頻切換系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，通過系統(tǒng)測試結(jié)果分析可知，本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有切換穩(wěn)定度高的特征，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-04-01

作者簡介：龐曉麗（1981—），女，河北易縣人，工程師，從事中壓變頻器及配套開關(guān)柜的電氣研究工作。