基于ACS800-104LC的大電機試驗平臺

王銳 李帆 康樂

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢430064）

0 引言

在電機行業，傳統的電機試驗方式十分復雜，且試驗效果不是十分理想，工作效率低。隨著變頻技術的發展，變頻器功能越來越完善，接口更加友好，為電機試驗系統的設計提供了良好的技術條件，本文設計的綜合性通用電機試驗平臺采用變頻調速技術、有源整流技術及公共直流母線能量回饋方式；監控系統采用以PLC為核心的工業控制網絡技術對系統設備協調控制及組態，實現試驗需求。與傳統的試驗方法相比較，具有試驗精度高、通用、節能、網側功率因數高、諧波含量少的優點。

1 試驗平臺簡介

本電機實驗平臺是采用ACS800LC功率模塊（R8i模塊），為大電機試驗而設計的綜合性試驗平臺。能滿足5 MW功率以下等級的發電機，電動機的出廠試驗、型式試驗的需求。與傳統的試驗方法相比較，能量回饋，具有節能和提高輸入側和輸出側功率因數的作用[1,2]。如圖1所示：其中R8i模塊是一個四象限脈沖變流器，四象限脈沖變流器可以向中間直流回路供電，也可以將中間直流回路的能量回饋電網。適用于輸出功率為200 kW以上的傳動單元，可以單獨使用，也可以并聯使用。每個R8i模塊既可以將輸入的三相交流電變為直流電向傳動單元中間直流回路供電。進而中間直流回路向驅動電機的逆變器供電，中間直流回路可以只接入一個逆變器（單傳動），也可以接入多個逆變器（多傳動）。

1.1 被試發電機試驗

根據發電機的輸出電壓，調節好低壓轉接柜里的短接母排，在預充電完成后，在公共直流母線上建立起穩定的直流電壓；啟動逆變單元1、2，驅動原動機M1、M2，使其運行轉速到一定的轉速上，使得被試發電機在這轉速點上，發出其額定頻率電壓和一定的輸出電壓；同時調節陪試同步電機，使其工作在與被試發電機相同的同步轉速狀態；再啟動逆變單元3、4，使其工作在較小能量回饋狀態。加負載：調節逆變單元3、4的轉矩，增加其回饋功率，增加陪試電機的輸出軸功率。調節逆變單元1、2，使其驅動的電動機M1、M2轉速穩定在一定的轉速上。

圖1 試驗平臺主回路拓撲圖

1.2 被試電動機試驗

同被試發電機試驗一樣：啟動逆變單元3、4，驅動陪試電動機M3、M4，使其運行轉速到確定的轉速上，通過聯軸器使得陪試電機工作在相應的額定轉速上，發出額定工頻的電壓。調節陪試電機的輸出電壓達到一個值，再啟動被試電動機，使其運轉起來，再調節陪試電機的勵磁電流，使被試異步電動機工作在接近同步轉速狀態。加負載：調節逆變單元1、2的輸出轉矩，增加其回饋功率，即增加被試電動機的輸出軸功率。調節逆變單元3、4，使其驅動的電動機M3、M4轉速穩定在相應的轉速上。

2 直接轉矩控制（DTC）原理

直接轉矩控制（DTC）變頻調速技術是近幾年來繼矢量控制變頻調速技術之后發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，進而確定電磁轉矩，將磁鏈幅值和電磁轉矩的計算值與給定值比較，把誤差分別送入磁鏈控制單元和轉矩控制單元，兩者的輸出信號與磁通角共同作為控制逆變器的開關信號，驅動逆變器產生三相電壓作用電機。直接轉矩控制技術采用空間電壓矢量的分析方法，直接在定子坐標系計算和控制交流電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能，在很多程度上解決了矢量控制中存在的問題。直接轉矩控制有如下特點：

a) 直接轉矩控制只控制電動機的定子側的參數，所以控制效果不受轉子回路參數變化的影響；

b) 直接轉矩控制的控制運算均在定子靜止坐標系中進行，大大簡化了信號的處理過程，提高了控制運算的速度；

c) 直接轉矩控制采用轉矩閉環直接控制電動機的電磁轉矩，所以并不過于追求圓磁鏈軌跡和正弦波電流，只追求轉矩控制的快速性和準確性；

d) 直接轉矩控制系統即直接控制轉矩，又直接控制定子磁鏈，其控制方式采用閉環兩位控制（Bang-Bang控制）。

2.1 異步電動機的模型

為了便于分析異步電機的數學模型，必須進行一些假定，以抽象出所謂的理想電機來。這些假定是：（1）氣隙均勻；（2）磁路線性；（3）定、轉子三相繞組對稱，其有效導體沿氣隙空間作正弦分布；（4）忽略磁場諧波，即設磁場正弦分布。三相異步電動機的物理模型如圖2所示。

圖2 三相異步電動機的物理模型

圖2中，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，以A軸為參考坐標系；轉子繞組軸線a、b、c隨轉子旋轉，轉子a軸和定子A軸間的電角度θ為空間角位移變量。

2.2 電壓方程

電壓方程為：

式中：

uA、uB、uC、ua、ub、uc——定子轉子相電壓的瞬時值；

iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子轉子相電流的瞬時值；

ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc——定子轉子繞組的全磁鏈；

2.3 轉矩方程

電磁轉矩可由能量守恒定律導出。根據能量轉換原理，在多相繞組電機中，其磁場儲能為：

根據能量守恒定律導出。在異步電機運行時，其電磁力矩 Te等于電流不變時磁場儲能對機械角位移θm的偏導數。即

式中：Pn為電機的磁級數；θr為電角位移，θr=pnθm

式中：Msr——定轉子之間的互感運動方程：

式中：TL——負載阻力矩；J——機組的轉動慣量；D——與轉速成正比的阻轉矩阻尼系數[3]。

3 逆變器的工作原理及控制方法

R8i模塊的DTC系統的工作原理如圖3，不同于傳統交流傳動控制器，DTC是將交流電機的轉矩作為主要的控制參數，而不是電流。在DTC控制下的交流電機，電流是保證電機達到需要的轉矩結果的保障。在DTC中，高速數字信號處理器與軟件模型相結合，自動采集電機的參數并以足夠的精度直接計算電機的轉矩和定子磁通。模型的運算速率為25 μs，即電機轉矩的狀態每分鐘更改 40000次，沒有單獨的電壓和頻率控制的PWM 調制器，所有的開關器件的選擇由電機的電磁狀態決定。

直接轉矩控制采用電壓型逆變器，對于逆變器的開關信號的形成采用空間電壓矢量調制方法，空間電壓矢量調制方法是以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機所產生的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，并它們比較的結果決定逆變器的開關狀態。如圖4所示的位于同一橋臂的功率管的導通狀態是相反的，當位于同一橋臂上面的功率管式導通，小橋臂的功率管一定是關斷的。在直接轉矩控制中，逆變器有6個開關的8種組合輸出的不同電壓矢量u（ i = 0，1，2，…，7）。這些不同的電壓狀態分成兩類：一類是零電壓矢量；一類是工作電壓矢量。忽略定子電阻壓降，定子磁鏈的運動方向基本沿u進行的，因此合理選擇電壓矢量的施加順序使得u的運行軌跡形成六邊形，為便于控制將磁鏈旋轉軌跡分成6個扇區，根據磁鏈幅值和電磁轉矩的計算值與給定值比較得出的誤差，并結合定子磁鏈所在區域從開關表中選擇合適的電壓矢量控制逆變器的開關狀態[4]。

圖3 直接轉矩控制方法原理框圖

圖4 電壓型逆變器

4 結論

本試驗平臺運用了ABB公司最新的直接轉矩控制和四象限運行原理，實現了電機的高性能控制，該電機試驗平臺功能齊全，性能好，功率等級和效率高，大大節約電機消耗的能量，實現節能減排。試驗臺在某電機廠開始運行以來，先后做了多個型號的電機試驗：其中逆變單元1和逆變單元2對拖，逆變單元1電動，逆變單元2回饋；逆變單元1和逆變單元2共同拖動發電機直接回饋電網；逆變單元1和逆變單元2共同拖動發電機，再通過同步電機逆變單元3和逆變單元4回饋電網。其中包括2.5 MW同步發電機：（1）當逆變單元3加負載電流1060 A，力矩-3.5%，逆變單元4電流1064 A，力矩-3.5%；逆變單元1負載電流1023 A，力矩2.1%，逆變單元4電流1023 A，力矩2.3%，此時電機轉速1000 rpm；（2）當逆變單元3負載電流1130 A，力矩-20%，逆變單元4電流1140 A，力矩-19.99%；逆變單元1負載電流1210 A，力矩26.53%，逆變單元2流1212 A，力矩26.55%，電機轉速1000 rpm；（3）當逆變單元3負載電流1356 A，力矩-35%，逆變單元4電流1360 A，力矩-36%；逆變單元1負載電流1500 A，力矩42.92%，逆變單元2流1493 A，力矩42.69%，電機轉速1000 rpm；回饋效果明顯，工作效率高。

[1]康樂. 能量回饋式電機試驗平臺的系統研究[J].通訊電源技術, 2010, 27(2)： 9-10.

[2]姬凱. 變頻器在通用大容量電機試驗系統的應用[J].變頻器世界, 2009, 12：82-85.

[3]方東. 交流異步電機直接轉矩控制的研究[J]. 南京工業職業技術學院學報, 2009, 9(4)： 1-2.

[4]鄭曉芳. 直接轉矩控制技術在電梯門機系統中的應用探討[J]. 華東交通大學學報, 2010, 27(3)： 68-69.

[5]王兆安, 黃俊. 電力電子技術（第四版）[M]. 北京：機械工業出版社, 2005.

[6]許實章. 電機學（第三版）[M].北京： 機械工業出版社, 1995.