無刷同步電動機智能勵磁系統研究

李 輝，楊永立，鄒 縉

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

同步電機由于具有功率因數高，運行效率高的優點，在工業領域得到廣泛運用。其勵磁系統是同步電機正常工作時的核心部件。無刷勵磁同步電動機具有應用范圍廣，可以在存在易燃易爆氣體環境中使用，運行可靠，日常維護量小，轉速高等優點。

PID控制器是同步電動機勵磁控制系統的基本控制方式，PID控制具有結構簡單，參數易于調整，適應性強等優點，這種調節方式比較成熟，應用的比較多。但由于同步電動機勵磁系統是一個非線性時變系統，其數學模型不好確定，它的模型會因環境和運行條件而變，因此這種方法無法從根本上解決動態品質和穩態精度的問題。模糊控制具有不依賴對象的數學模型，魯棒性強的特點，在某些領域有良好的控制效果，將PID控制與模糊控制結合起來構成模糊PID控制器。偏差控制能減小被控量的波動，具有穩定性好，響應快的優點，所以本文將利用模糊PID控制和偏差控制來調節功率因數，采用MATLAB對勵磁系統進行建模仿真[1-2]。

1 勵磁系統的概述

無刷勵磁的原理如圖l所示。交流勵磁機為同步發電機，定子為勵磁繞組，轉子為電樞繞組。此電樞繞組與旋轉整流器、同步電動機轉子一起旋轉，電樞繞組產生三相交流電經旋轉整流器整流給同步電動機轉子勵磁，從而實現無刷勵磁。

勵磁系統性能的好壞直接影響到電機及電力系統運行的可靠性、安全性和穩定性。同步電動機的勵磁裝置主要有3個方面的作用：1）完成同步機的異步啟動并牽入同步運行；2）在牽入同步以后勵磁電流的調節控制；3）監控系統故障，確保同步機安全運行。同步電機在正常運行過程中會受到各種各樣的擾動，就會引起電機失步，造成生產中斷和設備損壞的嚴重事故。勵磁裝置能檢測同步機的失步，識別后判斷是報警還是再整步運行，既保障設備的安全性，又保持運行連續性。同樣，勵磁裝置在正常運行過程中，自身也會受到各種干擾，造成可控整流器缺相或失控、滅磁晶閘管誤導通、熔斷器故障、勵磁電流超限等故障。當出現上述故障，勵磁裝置識別后報警或跳閘，以保證勵磁裝置的安全運行。

2 無刷勵磁系統主回路設計

圖1 無刷勵磁原理圖Fig.1 Block diagram of brushless excitation

主回路電氣原理圖如圖2所示。主回路完成對交流勵磁機發出的交流電的整流工作。硅整流器采用三相全波整流電路，免去觸發電路，并用大功率晶閘管KQ1管作同步無觸點開關。當同步電動機定子繞組接通三相交流電源后，電動機內產生一個旋轉磁場，轉子在感應力矩作用下旋轉起來。當電機異步啟動時，控制模塊控制KQ2導通，將電阻RF接入同步電機轉子回路，使同步電機轉矩特性得到改善，使其異步啟動轉矩對稱。在此對稱轉矩的作用下，電動機平穩的加速到接近旋轉磁場的轉速[3]。當S=0.05時，控制模塊里的轉差檢測投勵單元通過控制KQ1的導通來準確的投勵。當同步電機正常運行時，電阻RF由于長時間帶電引起不必要的發熱，控制模塊為保護電阻會控制起動可控硅KQ2關斷。在運行過程中若檢測電路檢測到同步電機轉子回路有過電壓時，控制模塊又會重新將電阻RF接入轉子回路消除過電壓。

圖2 主電路原理Fig.2 Diagram of main circuit

3 同步電動機勵磁系統模型

3.1 模糊PID控制器設計

在同步電動機的功率因數調節中，模糊控制器的輸入為功率因數的偏差E和功率因數偏差變化率Ec，控制器的輸出變量為PID控制器的參數[4]Kp，Ki，Kd。模糊控制器偏差輸入E為功率因數給定和反饋的差值，功率因數又有超前和滯后之分，而同步電動機一般工作在超前狀態，功率因數一般在0.8～1之間。仿真時我們取得是功率因數角φ，所以E 的論域取為[－90°，90°]，模糊子集為{負大，負中，負小，負零，零，正零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，NZ，ZO，PZ，PS，PM，PB}；Ec的論域為[－400°/s，400°/s]，模糊子集{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，輸出變量論域為[－6，6]，確定其模糊控制規則表，該模糊控制器采用zadeh推理，最大－最小合成算法和加權平均解模糊法[5]。

表1 模糊控制規則表Tab.1 Rules table of the fuzzy control

3.2 同步電動機無刷勵磁原理圖設計

同步電動機功率因數調節系統原理圖設計圖如圖3所示，當同步電動機起動時，靜態勵磁裝置里的滑差檢測電路檢測同步電動機的滑差率S，當S=0.1時，系統投全壓。當S=0.05時，系統順極性投勵。同步電動機被平穩的拖入同步運行狀態后，靜態勵磁裝置里的檢測電路不斷檢測線電壓和相電流，計算出實際的功率因數值，將功率因數的給定值與實際值的差作為模糊PID控制器的輸入信號，控制器的輸出量疊加到給定的勵磁電流（由給定的功率因數計算得來）上修正勵磁電流。這個修正量與檢測的勵磁電流的差作為勵磁電流PI控制器的輸入信號，再根據控制器輸出信號來改變脈沖觸發器的控制角，進而控制三相橋式整流器的輸出，改變交流勵磁機勵磁電流的值。由于交流勵磁機的轉子與同步電動機的轉子同軸，當同步電動機旋轉時，交流勵磁機電樞繞組產生三相交流電經整流器整流后供給同步電動機勵磁繞組，同步電動機轉子勵磁電流的調節可以通過控制交流勵磁機定子的勵磁電流來實現[6]，從而達到調節功率因數的目的。

圖3 無刷同步電動機功率因數調節系統原理圖Fig.3 Block diagram of regulating power factor of brushless synchronous motor

這種控制方法相比模糊PID控制而言增加了偏差控制，即前饋加反饋的控制方法。這里勵磁電流環給定包含兩部分：第一部分是根據勵磁電流和功率因數之間的關系計算出來的，是前饋部分；由于模型的不準確，計算的勵磁電流給定也是不完全準確的，需要加以修正，這由閉環部分完成，即功率因數閉環輸出一個修正量疊加到前饋環節上，使功率因數閉環無差。其優點是閉環輸出的范圍即調整量相對較小，因此系統響應較快；第二個優點是系統可靠性提高：即使閉環部分出錯，勵磁電流給定也不會大范圍變化。第二部分是反饋部分即從同步電動機檢測的勵磁電流。

4 仿真實驗

針對上面的情況利用MATLAB/Simulink對該勵磁控制系統進行了建模仿真，如圖4所示。

圖4 勵磁系統仿真模型Fig.4 Simulation model of excitation system

仿真實驗同步電動機參數為：視在功率PN=112 kW，額定電壓Un=380 V，頻率fn=50 Hz，定子阻抗Rs=0.26Ω，定子漏感L=1.14 mH，磁場阻抗Rf=0.13Ω，磁場電感L=2.1 mH，d軸和q 軸感抗 Lmd，Lmq分別為 13.7 mH，11 mH，阻抗 Rkd，Rkq分別為0.022 4 Ω，0.02 Ω，漏感 L1kd，L1kq分別為 1.4 mH，1 mH，轉動慣量系數 J=24.9 kg·m2，摩擦系數為 F=0，極對數為 p=2。圖中cosa/If模塊是由公式1將cosφ轉換成If。仿真實驗時功率因數給定為0.93。

式中IM為電樞電流，Xd，Xq分別為同步電動機同步電抗，If為勵磁電流。同步電動機負載為60 kW時如圖5所示，PIDFUZZY曲線為模糊PID偏差控制曲線，另一條為常規PID控制曲線。圖6所示為負載變化到90 kW時的曲線圖。

由圖5的仿真曲線可以看出模糊PID偏差控制相比常規PID控制能較快跟蹤給定，模糊PID偏差控制在t=2時刻達到穩態，而常規PID控制器在t=3時刻達到穩定，前者較后者要快1 s。由圖6的仿真曲線可以看出，在t=22.5時刻將負載由60 kW變到90 kW，在突加負載擾動時模糊PID偏差控制偏離給定值的幅度比常規PID控制要小得多，而且能提前約1 s消除偏差。

圖5 同步電動機功率因數仿真圖Fig.5 Power factor simulation diagram of synchronous motor

圖6 同步電動機功率因數仿真圖Fig.6 Power factor simulation diagram of synchronous motor

5 結束語

文中基于同步電動機無刷勵磁原理，針對常規PID控制的缺陷，設計了模糊PID控制及偏差控制，建立了同步電動機勵磁系統模型并進行了仿真。仿真實驗證明該方法在同步電動機無刷勵磁功率因數調節中具有較好的快速性和穩定性，系統的魯棒性較好。控制效果明顯優于PID控制。新設計的同步電動機無刷勵磁系統已在武鋼一熱軋廠試用，勵磁系統效果很好，抗干擾能力強，達到了使無刷同步電動機穩定運行的目的。

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