基于磁鏈控制的異步電機(jī)V/F控制系統(tǒng)直流預(yù)勵磁起動方法

胡斯登 趙爭鳴 袁立強(qiáng) 王雪松

（清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 10084）

1 引言

起動性能是衡量變頻器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一[1]。20 世紀(jì)70年代矢量控制理論出現(xiàn)后，基于矢量控制理論的閉環(huán)控制很大程度地提高電機(jī)的起動性能，但是基于恒壓頻比控制模式（VVVF）的控制系統(tǒng)的起動性能并沒有顯著提高，相關(guān)研究文獻(xiàn)也很少[2-6,19]。與矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，VVVF 控制系統(tǒng)具有不依賴電機(jī)參數(shù)，不需要速度反饋，控制方法簡單，實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速的風(fēng)機(jī)與水泵等系統(tǒng)中[7]。如果能提高其起動性能則將擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。另一方面，在中大容量的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于開關(guān)頻率低、開關(guān)器件最小脈寬限制[8,9]以及電機(jī)參數(shù)辨識、死區(qū)補(bǔ)償困難等因素[10-12]，限制了閉環(huán)控制的優(yōu)勢，尤其是限制了電機(jī)起動過程中的控制性能。所以，高性能的異步電機(jī)的起動控制方法，對于變頻器-異步電機(jī)系統(tǒng)，尤其是大容量系統(tǒng)具有重要意義。

提高異步電機(jī)起動性能的關(guān)鍵是對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的有效控制。根據(jù)空間矢量理論，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)磁鏈與電流的叉積，只有控制電流和磁鏈的幅值與相角，才能得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩[13]。由于VVVF方式僅對電壓與電流標(biāo)量進(jìn)行控制，因此難以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩控制。另一方面，采用VVVF 方式直接起動電機(jī)時，電機(jī)內(nèi)部磁鏈與反電動勢幾乎為零，起始電壓矢量幾乎完全加在定子漏抗上，造成很大的勵磁涌流[14]，而實(shí)際與磁鏈正交的電流分量比例很低，這是傳統(tǒng)的VVVF 控制下異步電機(jī)起動電流大卻輸出轉(zhuǎn)矩低的主要原因。提高VVVF 控制下電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的一種有效途徑是采用直流預(yù)勵磁控制方法，即在電機(jī)起動前先建立固定方向與幅值的直流磁鏈，實(shí)驗(yàn)證明該方法對起動過程中的第1 尖峰電流抑制效果明顯[15,16]。但是文獻(xiàn)[15]中預(yù)先建立的磁鏈只能在起動過程的前幾個開關(guān)周期內(nèi)起作用，隨著磁鏈開始旋轉(zhuǎn)，預(yù)勵磁效果會迅速減弱，因此該方法對起動過程中后續(xù)出現(xiàn)的尖峰電流抑制效果有限。

本文在常規(guī)的直流預(yù)勵磁方式基礎(chǔ)上，提出一種基于磁鏈控制的異步電機(jī)系統(tǒng)V/F 控制系統(tǒng)直流預(yù)勵磁起動方案，起動過程中根據(jù)定子電流的無功分量反饋值修正輸出電壓，控制磁鏈以達(dá)到提高起動性能的目的。該方法能明顯降低整個起動過程中的尖峰電流，提高電流對稱性且實(shí)現(xiàn)簡單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在315kW 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

2 直流預(yù)勵磁的基本原理

直流預(yù)勵磁技術(shù)即指在電機(jī)起動前在機(jī)端施加直流電壓從而在電機(jī)內(nèi)部注入直流電流，建立固定方向的直流磁鏈[14]。

起動前進(jìn)行直流預(yù)勵磁時，轉(zhuǎn)子不動，控制定子電流幅值為I0，則定子磁鏈為

式中Ls—定子電感；

Lm—互感。

由圖1 所示的電流閉環(huán)系統(tǒng)，通過在PWM 控制周期內(nèi)采用斬波方式發(fā)出控制電壓，維持勵磁電流以Is1為中心上下小幅波動，當(dāng)控制勵磁電流達(dá)到穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)子電流Ir=0，因此有

圖1 直流預(yù)勵磁控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the pre-excitation control

當(dāng)預(yù)勵磁完畢，電機(jī)起動瞬間的矢量圖如圖2所示。其中Is1為勵磁電流矢量，Us2為起動瞬間的定子電壓矢量。

圖2 預(yù)勵磁完畢，電機(jī)起動瞬間矢量分布圖Fig.2 The vector scheme in excitation process and at the motor start moment

圖2 中預(yù)勵磁結(jié)束并切換到電機(jī)起動的瞬間，當(dāng)Δt足夠小時，認(rèn)為電機(jī)中的電流幾乎不變，即Is1=Is2（Is1為穩(wěn)態(tài)預(yù)勵磁電流矢量，Is2為起動瞬間勵磁電流矢量），此時磁鏈增量為

式中Us2—定子電壓矢量；

Rs—定子電阻。

在兩邊同時叉乘Is2有

由于

得到

式中pn—電機(jī)極對數(shù)。

在電機(jī)起動前通過直流預(yù)勵磁建立方向與幅值恒定的直流磁鏈，能有效防止起動過程中的勵磁涌流，而且根據(jù)式（6），若在電機(jī)起動瞬間發(fā)出與勵磁電流正交的電壓矢量，就能產(chǎn)生在相同電流情況下的最大轉(zhuǎn)矩變化率，從而提高起動性能。

3 起動過程中的磁鏈控制

常規(guī)的直流預(yù)勵磁方法發(fā)揮作用的一個重要前提是起動時定子磁鏈以及定子電流狀態(tài)與預(yù)勵磁中兩者的狀態(tài)需保持一致。即式（6）所能達(dá)到的電流抑制效果只能在起動過程的前幾個開關(guān)周期內(nèi)起作用，隨著定子磁鏈開始旋轉(zhuǎn)，式（6）中的正交關(guān)系將難以保證，因此預(yù)勵磁效果也將迅速減弱，文獻(xiàn)[15]中給出了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

若要拓寬預(yù)勵磁作用的有效區(qū)間，使其對起動過程內(nèi)的后續(xù)尖峰電流產(chǎn)生抑制效果，關(guān)鍵在于式（6）在整個起動過程中成立條件。

根據(jù)式（3）～式（5）得到式（6）的完整表達(dá)式為

根據(jù)定子電壓矢量的方向?qū)Χㄗ与娏鹘怦?，得到有功電流Isd與無功電流Isq。若在起動過程中無功電流Isq恒定，即dIsq/（dt）=0，則定子磁鏈幅值|ψs|基本穩(wěn)定，將式（8）按定子電壓定向坐標(biāo)系展開得到

式（9）中的第一項(xiàng)僅與輸入的定子電壓有關(guān)，第二項(xiàng)僅與有功電流的變化率有關(guān)。因此起動過程中轉(zhuǎn)矩變化率可以近似表示為

而電機(jī)開始起動的瞬間，電壓矢量方向與電流方向正交，Isq=Is1，dIsd/（dt）=0，代入式（10）得

與式（6）一致，因此可以認(rèn)為常規(guī)預(yù)勵磁方法是式（10）在起動瞬間的特例。

根據(jù)式（10）實(shí)現(xiàn)的起動控制方法不受類似式（6）中的前提條件的限制，其有效區(qū)間能覆蓋到整個起動過程中，而且轉(zhuǎn)矩增量直接與輸出電壓相關(guān)，控制響應(yīng)更快。

4 控制算法實(shí)現(xiàn)與參數(shù)設(shè)定

從前面的分析可知，dIsq/（dt）=0 是式（10）成立的前提。與磁場定向矢量控制等方法不同，VVVF 控制器中沒有電流閉環(huán)，難以實(shí)現(xiàn)快速與準(zhǔn)確的電流跟蹤控制，不過從電機(jī)的等效電路圖出發(fā)，仍可以找到解決方法[17]。圖3 給出了異步電機(jī)T-1型等效電路圖。

圖3 異步電機(jī)T-1 型等效電路圖Fig.3 Induction machine T-1 type equivalent circuit

通過對圖3的等效電路圖推導(dǎo)無功電流的表達(dá)式,省略高次項(xiàng)后進(jìn)行化簡得

上式說明，通過控制輸入電壓能有效控制無功電流，因此可以搭建一個無功電流的閉環(huán)回路調(diào)整電壓的幅值實(shí)現(xiàn)控制無功電流的目標(biāo)；當(dāng)近似認(rèn)為i1中的無功電流等于勵磁電流im時，該方法實(shí)現(xiàn)維持磁鏈穩(wěn)定的目的[2,18]。圖4 給出了相應(yīng)的控制框圖。最后電壓控制規(guī)律的表達(dá)式為

式中UN—額定電壓；

U0—起動電壓；

f0—起動頻率；

fN—額定頻率，一般為50Hz；

Uc—無功電流閉環(huán)輸出的修正電壓。

圖4 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Block of diagram of the proposed method

圖4 中根據(jù)定子電壓矢量的方向?qū)Χㄗ与娏鹘怦睿玫接泄﹄娏鱅sd與無功電流Isq。無功電流經(jīng)過帶阻濾波器與增益放大后加至電壓指令值，根據(jù)式（12）達(dá)到抑制無功電流波動的目的。帶阻濾波器下限頻率為5Hz，上限頻率為100Hz。這樣既可以保留無功電流波動部分又能濾除采樣信號中的高頻噪聲。因?yàn)镮sq穩(wěn)態(tài)時為直流量，因此帶通濾波器不會產(chǎn)生相位延遲。增益值k1越大，抑制效果越明顯，但k1過大會引起磁通飽和與系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

5 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合式（6）與式（10）及第3 節(jié)中的控制方案利用 Matlab/Simulink 工具進(jìn)行了幾種起動方式下變頻器-異步電機(jī)系統(tǒng)的仿真。不同起動方式相對應(yīng)的磁鏈軌跡如圖5 所示，圖5a 與5b 中的直線部分為預(yù)勵磁建立的直流磁鏈。比較可知，磁鏈控制的方法抑制了磁鏈幅值的波動，因而磁鏈軌跡更趨近圓形。

圖5 三種起動方式下的定子磁鏈軌跡Fig 5 Stator flux in three start-up methods

圖5b 與圖5c的比較表明，在磁鏈控制的基礎(chǔ)上，在電機(jī)起動前通過預(yù)勵磁建立磁鏈能使起動過程中磁鏈波動更小。因?yàn)槠饎忧笆┘拥闹绷鞔沛準(zhǔn)故剑?0）中磁鏈初始幅值為|ψs0|而不是0，從而縮短了起動時建立磁鏈的過程，避免了超調(diào)與振蕩，使磁鏈快速收斂至額定值。根據(jù)式（10）可知，磁鏈達(dá)到穩(wěn)定后，起動過程中轉(zhuǎn)矩的變化率僅與有功電流的變化率有關(guān)，因而轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快。

本文所提出的異步電機(jī)起動方法，可以適用于各種類型的電壓型變頻器，包括多電平大容量變頻器-異步電機(jī)系統(tǒng)。本研究在380V/315kW 等級的變頻器-異步電機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的空載起動實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)參數(shù)見下表。

表 315kW 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)Tab Parameters for 315kW ASD system

采用常規(guī)和改進(jìn)后的直流預(yù)勵磁控制下電機(jī)起動過程中無功電流控制效果如圖6 所示。圖中直流部分代表電機(jī)起動前的直流預(yù)勵磁階段。圖6 中看出，與傳統(tǒng)直流預(yù)勵磁控制相比，采用本文提出的方法后，起動過程中無功電流的波動被有效抑制，波形平穩(wěn)，根據(jù)式（10）由于轉(zhuǎn)矩控制更穩(wěn)定，因此電流的控制效果明顯改善。

圖6 起動過程中無功電流控制效果對比Fig.6 Comparison of reactive current in start-up process

相同起動曲線下，對比了四種起動方式實(shí)驗(yàn)效果，以了解各種方式的特點(diǎn)，在圖7b 中可以看出常規(guī)直流預(yù)勵磁起動在第1 尖峰電流后仍會不規(guī)律的出現(xiàn)幅值大于1 000A 電流尖峰。而圖7c，7d 中由于磁鏈穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩增量得到控制，從而抑制電機(jī)起動時的電流振蕩。圖8 表明，僅采用直流預(yù)勵磁可以降低約400A（0.5pu），僅采用磁鏈控制措施可以降低約660A（0.85pu），采用本文提出的方法，電流降低950A（1.23pu），可見兩者同時使用時，電流抑制效果最優(yōu)，與仿真的分析結(jié)果非常吻合。

圖7 四種起動方式起動效果對比圖Fig.7 Comparison of four start-up method

圖8 四種不同起動方式產(chǎn)生的最大電流值Fig.8 The maximum current of four start-up methods

圖9 所示為本文提出的算法在50Hz 帶滿載運(yùn)行時的實(shí)驗(yàn)波形。

圖9 50Hz 滿載實(shí)驗(yàn)Fig.9 Full load experiment in 50Hz

實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的電機(jī)起動方法能平滑過渡到較高頻率下電機(jī)帶滿載的正常運(yùn)行，不會產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

本文結(jié)合傳統(tǒng)的直流預(yù)勵磁方式提出一種適用于變頻器-異步電機(jī)系統(tǒng)VVVF 控制系統(tǒng)的起動方案，解決了中大容量通用變頻器起動電流過大的問題。本方法克服了常規(guī)直流預(yù)勵磁方法作用時間短，效果有限的問題，在整個起動過程控制電流穩(wěn)定且提高了電流對稱性，對尖峰電流抑制效果明顯。

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