異步電機高頻電壓穿越控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 ?要： 異步電機在高頻電壓作用下輸出偏差較大、功率飽和度差，為了提高異步電機高頻電壓穿越控制能力，提出基于零相移濾波和電機動態(tài)頻率響應(yīng)特性分析的異步電機高頻電壓穿越控制方法。構(gòu)建異步電機高頻電壓穿越的交流頻率和直流電壓參數(shù)分析模型，采用直流型分布式電源輸出轉(zhuǎn)換控制的方法進行異步電機高頻電壓輸出特征檢測，建立異步電機高頻電壓穿越的間歇性波動控制模型，采用零相移濾波方法進行控制過程的干擾抑制，根據(jù)電機的動態(tài)頻率響應(yīng)進行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)，結(jié)合交直流混合微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)異步電機高頻電壓穿越控制系統(tǒng)設(shè)計。測試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性較好，功率響應(yīng)飽和度較高，提高了電機的輸出效能。

關(guān)鍵詞： 異步電機; 高頻電壓; 穿越控制; 系統(tǒng)設(shè)計; 干擾抑制; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN876?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0060?03

Design of high?frequency voltage ride?through control system for asynchronous motor

ZENG Fanzheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract： In allusion to the problem that the output deviation of asynchronous motor is large and the power saturation is poor under the action of high?frequency voltage， a asynchronous motor high?frequency voltage ride?through control method based on the zero phase?shift filter and the dynamic frequency response characteristic analysis of the motor is proposed to improve the high?frequency voltage ride?through control of the asynchronous motor. The alternating current frequency and the direct current （DC） voltage parameter analysis model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor are constructed. The DC distributed power supply output conversion control method is used to detect the high?frequency voltage output characteristic of the asynchronous motor， and establish the intermittent fluctuation control model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor. The zero phase?shift filter method is used to perform the interference suppression in the control process， the interference suppression and the feedback adjustment are carried out according to the dynamic frequency response of the motor， and the design of high?frequency voltage ride?through control system of the asynchronous motor is realized by combing with the AC/DC hybrid microgrid control structure. The testing results show that the output steady?state and power respond saturation of the high frequency voltage ride?through control of asynchronous motor is better in this system， which improves the output efficiency of the motor.

Keywords： asynchronous motor; high?frequency voltage; ride?through control; system design; intermittent fluctuation; system testing

0 ?引 ?言

異步電機作為主流發(fā)電裝置，在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，但異步電機在高頻電壓穿越過程中受到高頻電壓的干擾，導(dǎo)致負(fù)荷增大且輸出飽和度不高，降低了電機的輸出功率。因此提高異步電機高頻電壓穿越穩(wěn)定性的研究備受重視[1]。

對異步電機的高頻電壓穿越控制方法主要有：功率因素調(diào)節(jié)方法、PID控制方法和模糊虛擬控制方法等[2]，但傳統(tǒng)方法采用負(fù)荷的波動性調(diào)節(jié)方法進行異步電機的輸出控制，高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性不好[3]。針對上述問題，本文提出基于零相移濾波和電機動態(tài)頻率響應(yīng)特性分析的異步電機高頻電壓穿越控制方法，對電機控制約束參量分析，然后進行參數(shù)優(yōu)化模擬，結(jié)合硬件設(shè)計方法實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計，并通過仿真實驗進行性能驗證。

1 ?系統(tǒng)總體構(gòu)架

首先進行系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計：在MCU控制單元進行異步電機高頻電壓穿越的遠(yuǎn)程控制，構(gòu)建異步電機高頻電壓穿越參數(shù)的智能檢測平臺，設(shè)計接口程序?qū)崿F(xiàn)人機交互，設(shè)計控制算法進行異步電機高頻電壓穿越過程的可靠性控制，建立異步電機高頻電壓穿越的參數(shù)分析模型[4]，采用參數(shù)自適應(yīng)尋優(yōu)方法進行異步電機高頻電壓穿越控制的參數(shù)模擬，以輸出功耗和效率為控制約束參量，進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)。

根據(jù)上述設(shè)計原理，構(gòu)建異步電機高頻電壓穿越控制系統(tǒng)的主控模塊，基于IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)下Bus總線，進行異步電機高頻電壓穿越集成智能監(jiān)測，在嵌入式處理器中進行電機組在線控制，構(gòu)建時鐘電路，進行異步電機高頻電壓穿越的中斷控制，在固化的ROM中進行信息采集和電機參數(shù)的自整定性調(diào)節(jié)[5]，得到系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

2 ?控制算法設(shè)計

2.1 ?控制約束參量分析

進行電機控制算法設(shè)計，假設(shè)異步電機的電壓相量[k1]和阻尼繞組系數(shù)[kβ]，引入異步電機的機械運動方程，得到異步電機高頻電壓穿越約束參量為：

[Tem=πkfkck1kβBrlmlslw（2rr+2lg+lw）Jculnrr+lg+lwrr-lm] （1）

[k1=1-10.9[rr（βp（lg+lw））]2+1] ? ? ? （2）

[kβ=α（β，kc）kc] （3）

求得異步電機交流一次調(diào)頻下垂功率損耗為：

[Ploss=I2p（Rp+Rcp+2RIGBT）+I2s（Rs+Rcs+2Rdon）] （4）

采用直流型分布式電源輸出轉(zhuǎn)換控制的方法進行異步電機高頻電壓輸出特征檢測，得到異步電機的傳輸效率：

[η=I2sReqPloss+I2sReq] （5）

通過控制相角差實現(xiàn)交直流母線接口變換，經(jīng)過電壓?電流雙閉環(huán)跟蹤控制后優(yōu)化參數(shù)結(jié)果：

[Fm=Brlmμ0μr1] ? （6）

式中：異步電機電壓、電流環(huán)的磁導(dǎo)率[μ0=4π×10-7] H/m，[μr1]和[μr2]為異步電機的虛擬轉(zhuǎn)子角頻率和磁導(dǎo)率。構(gòu)建控制約束參量模型，根據(jù)參數(shù)辨識結(jié)果進行控制算法的優(yōu)化設(shè)計[6]。

2.2 ?電壓穿越控制律優(yōu)化

建立異步電機高頻電壓穿越的間歇性波動控制模型，采用零相移濾波方法進行控制過程的干擾抑制[7]，針對異步電機的單極性特點，得到異步電機的變頻約束參量為：

[Δv（l）=LQΔf（l）+LJf（l）+LE[Δf（l）-Δf（l-1）]] （7）

式中：[LQ]表示異步電機零相移濾波輸出電流;[LJ=LQUUJ]是負(fù)荷波動頻率;[LE=LQUEU]是異步電機高頻電壓穿越控制的微分參數(shù)?；谪?fù)荷功頻特性調(diào)節(jié)方法，得到異步電機的動態(tài)功率波動參數(shù)為：

[Z1=Zm+Req+ZsZp（Zm+Req+Zs）+（Req+Zs）Zm] （8）

根據(jù)電機調(diào)頻參數(shù)和負(fù)荷功頻特性進行異步電機控制的輸出參數(shù)反饋調(diào)節(jié)，得到的功率增益為：

[GV=ReqZ3·Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12] ? （9）

采用零相移濾波方法進行控制過程干擾抑制，根據(jù)電機的動態(tài)頻率響應(yīng)進行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)[8]，得到電機的優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)為：

[x1=f1（x1，x1，x2，x2）+b11u1+b12u2x2=f2（x1，x1，x2，x2）+b21u1+b22u2y1=x1y2=x2] （10）

式中：[yi]是第[i]通道的高頻電壓穿越調(diào)節(jié)器參數(shù);[fi（x1，x1，x2，x2）]是動態(tài)耦合的參數(shù)[，i=1，2];[bij]是間歇性波動控制系數(shù)，幅值和相角的聯(lián)合特征分量為[bij（x，x，t）]。根據(jù)電機的動態(tài)頻率響應(yīng)進行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)，得到優(yōu)化控制參數(shù)分布矩陣為：

[B（x，x，t）=b11（x，x，t）b12（x，x，t）b21（x，x，t）b22（x，x，t）] ? （11）

根據(jù)電機的動態(tài)頻率響應(yīng)實現(xiàn)異步電機高頻電壓穿越控制[9]，控制律微分方程為：

[x1=f1（x1，x1，…，xm，xm）+U1x2=f2（x2，x2，…，xm，xm）+U2y1=x1y2=x2] （12）

根據(jù)上述公式，實現(xiàn)電壓穿越控制律優(yōu)化設(shè)計。

3 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)

在上述算法基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，設(shè)計包括功率放大、功率測試、低頻轉(zhuǎn)換和輸出接口等模塊，異步電機高頻電壓穿越控制信息采集的多通道數(shù)據(jù)記錄動態(tài)范圍設(shè)定為-10～10 dB，基于IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)下BUS總線，進行異步電機高頻電壓穿越集成智能控制[10]，采用ADSP?BF537BBC?5A實現(xiàn)異步電機高頻電壓穿越控制的總線設(shè)計，得到的硬件設(shè)計如圖2所示。

4 ?實驗測試分析

實驗中取異步電機的輸出最大功率值為600 kW，目標(biāo)功率為450 kW，交流頻率為24 kHz，異步電機的直流電壓最大波動約為16 V，異步電機在高頻電壓穿越時的轉(zhuǎn)矩輸出為12 N·m，模式切換頻率為1.58 kg/m2。電機控制的約束變量分布見表1。

由表1參數(shù)辨識結(jié)果得知，采用該系統(tǒng)進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)態(tài)性較好，功率響應(yīng)飽和度較高，提高了電機的輸出效能。根據(jù)上述結(jié)果進行穿越控制測試，得到控制性能曲線如圖3所示。

由圖3可知，本文設(shè)計系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性較好，收斂性較強。

5 ?結(jié) ?語

本文構(gòu)建異步電機高頻電壓穿越的控制約束參量模型，根據(jù)參數(shù)辨識結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計控制算法。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計的異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性較好，輸出增益較高，具有較好的實際應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展空間。

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作者簡介：曾繁政（1983—），男，廣西梧州人，碩士，副教授，高級實驗師，研究方向為智能控制、實驗教學(xué)等。