六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究

李 拓，李亞民，杜慶楠，崔占奇

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六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究

李 拓1，李亞民2，杜慶楠1，崔占奇1

（1. 河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000；2. 鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

在基于六脈波雙變量交交變頻基礎上，為了避免電機在軟啟動過程中由變頻段（低于50HZ）向工頻（50 HZ）調(diào)壓段切換時因頻率極差較大而導致的機械特性變軟，提高電機起動至共頻段轉(zhuǎn)速的控制性能，抑制由37.5 HZ向50 HZ切換時引起的瞬時沖擊電流，以滿足工業(yè)控制對調(diào)速精度的要求。通過采用增量式PID控制算法對調(diào)壓時間常數(shù)進行控制，將調(diào)壓時間常數(shù)偏移量作為控制量形成閉環(huán)，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。大量的仿真與實驗結果均表明在閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用下，電機轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，幾乎可以無靜差的穩(wěn)定運行于1400 r/min，實現(xiàn)了由變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過度。

六脈波雙變量；交交變頻；工頻調(diào)壓；閉環(huán)

0 引言

交流電機作為機電能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機構，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、礦山傳輸、國防工業(yè)、交通運輸?shù)榷鄠€領域。特別是三相異步電動機因其具有結構簡單、運行可靠、效率較高、價格低廉、維護方便等諸多優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用到各個行業(yè)中[1-2]。然而電動機的起動性能卻一直不理想，尤其是當異步電動機在額定電壓下直接起動時，起動電流可達額定電流的4~7倍，重載時可達額定電流的10倍以上[3-4]，雖然電機起動過程很短，但是過大的起動電流會造成較大的線路壓降和損耗，此時會嚴重影響周圍其他電氣設備，且瞬間較大的起動電流也會使電動機繞組發(fā)熱，降低繞組絕緣性能，縮短電動機的使用壽命，并會產(chǎn)生較大的能量損耗，造成電能的浪費，此外直接起動時也常伴隨有較大的機械沖擊，危害電機的軸承。由于電機直接起動時的種種不利因素，在生產(chǎn)實際中，只有容量較小的電機才允許直接進行起動[5-6]。

利用變頻器驅(qū)動異步電動機進行軟起動，不僅能有效降低起動電流，而且還能提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，使電機獲得較為理想的起動性能。六脈波雙變量交交變頻器不僅具有通用變頻器所具有的優(yōu)點，而且與同等容量的通用變頻器相比性價比較高，且在3分頻以上具有較寬的頻率輸出范圍，對這些頻率下的波形加以改造和利用，可有效改善電機的軟起動性能。

為對電機進行全范圍軟起動控制，在工頻段（50 Hz）本文對六脈波交交變頻器工頻調(diào)壓策略進行研究，同時為限制變頻段向調(diào)壓段切換時由于級差較大而引起的電流沖擊[7]，在工頻段加入調(diào)壓閉環(huán)控制策略，以實現(xiàn)變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過渡。

1 解析模型

1.1 六脈波交交變頻工頻調(diào)壓模型研究

圖1所示為六脈波交交變頻器功率變換電路的結構圖（U相），其中1~12為晶閘管編號，也即晶閘管控制字，A~F為6相輸入電源。從圖中可以看出，交交變頻器晶閘管主電路每相由6組反并聯(lián)的晶閘管組成，因而可實現(xiàn)電流的雙向流動，結合電力電子技術知識可知，六脈波交交變頻器主電路結構包含三相交流調(diào)壓電路拓撲結構，因而在調(diào)速過程中無需其他切換裝置即可由變頻段切換至工頻段進行調(diào)壓軟起。根據(jù)交交變頻器晶閘管功率變換電路的結構，共可將其分為6組交流調(diào)壓電路，每組調(diào)壓電路所包含晶閘管的編號如表1所示。

圖1 六脈波交交變頻器晶閘管模塊結構圖（U相）

表1 工頻調(diào)壓電路晶閘管控制字

Tab.1 Thyristor number of voltage regulation circuit

在程序中根據(jù)高頻段向工頻段過渡時對應分頻下的晶閘管控制字，可相應的選取工頻條件下晶閘管調(diào)壓電路的組別，并按以上規(guī)則對調(diào)壓電路中晶閘管的通斷進行控制，從而實現(xiàn)六脈波交交變頻器工頻段調(diào)壓調(diào)速功能。

1.2 工頻調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速特性分析

由圖2可知，開環(huán)情況下，起始時刻負載TL2穩(wěn)定運行在B點，由于擾動某一時刻負載增大至TL3，則根據(jù)調(diào)壓特性，曲線此時轉(zhuǎn)速將會下降至E點穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速降落較大，即開環(huán)情況下隨著電壓的降低，電機的機械特性變軟，調(diào)壓深度過深時，較小的擾動也會造成轉(zhuǎn)速的波動。而生產(chǎn)實際中常希望電機能夠起動至給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，此時就需在調(diào)壓過程中加入閉環(huán)調(diào)節(jié)[10]。

圖2 工頻調(diào)壓閉環(huán)特性

以圖2為例來對工頻段調(diào)壓閉環(huán)的特性進行分析。假如某一時刻下電機穩(wěn)定運行在B點，此時負載為TL2，當負載由于擾動由TL2增大至TL3時，通過閉環(huán)控制，可使電壓由U2升高至U3，以使電機穩(wěn)定運行在C點。同樣，假如某一時刻下電機穩(wěn)定運行在B點，電機負載為TL2，當負載由于擾動由TL2減小至TL1時，通過閉環(huán)控制，可使電壓由U2降低至U1，以使電機穩(wěn)定運行在A點。將A、B、C、F、G連起來即為A點對應轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)工頻調(diào)壓閉環(huán)特性。當電機的給定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時[11]，也可通過調(diào)壓閉環(huán)對電機的端電壓進行控制，進而使電機穩(wěn)定運行在給定轉(zhuǎn)速。

1.3 工頻調(diào)壓閉環(huán)控制策略探討

圖3 交交變頻器工頻調(diào)壓閉環(huán)原理圖

由圖3可知，本文通過PID控制器來對調(diào)壓時間常數(shù)進行控制，從而達到閉環(huán)調(diào)壓的目的。其中PID控制器采用增量式PID控制算法，其算法公式如式2所示。

2 仿真驗證

如圖4所示8N.m負載條件下，轉(zhuǎn)速給定突變時的閉環(huán)控制效果，首先使電機在給定轉(zhuǎn)速為1200 r/min條件下起動，可以看出經(jīng)過0.8s電機即起動至給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，在2.5s時將給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，經(jīng)過0.5s電機轉(zhuǎn)速由1200 r/min迅速過渡至1400 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，從圖4中的轉(zhuǎn)速波形可以看出，采用調(diào)壓閉環(huán)控制后，電機對給定轉(zhuǎn)速的響應較為迅速，在閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程中超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)運行時幾乎無靜差。

為進行一步說明工頻調(diào)壓閉環(huán)的抗干擾性能，這里將對負載突變時的閉環(huán)控制效果進行仿真分析，如圖5所示。

如圖5所示為閉環(huán)條件下，負載突變時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形，由圖可知，起始時刻給定轉(zhuǎn)速為1300 r/min，電機帶動8 N.m的負荷經(jīng)過0.9 s起動至1300 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，在2.5s時電機負載由8 N.m突加至15 N.m，并在3.6s再由15N.m突減至8 N.m，由圖5中電機的轉(zhuǎn)速波形可以看出，在負載突加、突減的過程中，電機的轉(zhuǎn)速波動很小，一直維持在1300 r/min的轉(zhuǎn)速下運行，由此可以看出在工頻段采用閉環(huán)控制策略后，系統(tǒng)有著較好的抗干擾性能。

圖4 給定轉(zhuǎn)速突變時閉環(huán)控制效果

圖5 負載突變時閉環(huán)控制效果

電機的軟起動過程中，在高頻段采用變頻與調(diào)壓相結合的控制策略，為了說明由變頻段切換至工頻調(diào)壓段的控制效果，這里對8 N.m負載條件下，電機由37.5 Hz切換至50 Hz條件下的過渡過程進行仿真相應的分析，如圖6所示。

由圖6可知，起始時刻，電機帶動8 N.m負載在37.5 Hz條件下起動并穩(wěn)定運行于1100 r/min的轉(zhuǎn)速下，在2.5 s時，電機由37.5 Hz條件下向50 Hz工頻條件下過渡，在工頻調(diào)壓閉環(huán)的作用下，經(jīng)過0.3 s電機由1100 r/min過渡至1300 r/min的條件下穩(wěn)定運行，在4.5 s時給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，經(jīng)過0.2 s電機由1300 r/min過渡至1400 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行?？梢钥闯?，由變頻段向調(diào)壓段過渡過程中電機的轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，且在工頻調(diào)壓閉環(huán)的作用下，電機可根據(jù)需要過渡至相應的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。

圖6 37.5 Hz向50 Hz過渡時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形

3 實驗驗證

為驗證工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略的性能，在試驗中首先使電機在給定轉(zhuǎn)速為1400 r/min的條件下起動，工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略下電機的轉(zhuǎn)速波形

如下圖所示：

圖7 給定轉(zhuǎn)速1400 r/min時電機轉(zhuǎn)速波形

從圖7可以看出，電機經(jīng)過0.7 s起動到1400 r/min并穩(wěn)定運行，在閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用下，電機轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，能夠穩(wěn)定運行于1400 r/min，且穩(wěn)定運行時幾乎無靜差。

如圖8所示，為工頻段下給定轉(zhuǎn)速突變時電機的轉(zhuǎn)速波形，首先使電機在給定轉(zhuǎn)速為1200 r/min的條件下起動，在閉環(huán)控制的作用下，經(jīng)過1.2 s電機起動至1200 r/min左右穩(wěn)定運行，然后在t=14.5 s時，將給定轉(zhuǎn)速切換至1400 r/min，可以看出在閉環(huán)控制作用下[16]，電機能夠迅速對給定轉(zhuǎn)度的變化做出反應，經(jīng)過0.5 s左右，電機轉(zhuǎn)速由1200 r/min過渡至1400 r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，可以看出工頻段的調(diào)壓閉環(huán)對電機轉(zhuǎn)速有著較強的調(diào)節(jié)能力。

圖8 給定轉(zhuǎn)速突變時電機的轉(zhuǎn)速波形

為對電機由高頻段向工頻段過渡時工頻調(diào)壓閉環(huán)的調(diào)節(jié)能力進行實驗分析，如圖9所示為實驗中由變頻段向工頻調(diào)壓段過渡時的轉(zhuǎn)速波形，選擇的過渡頻段為37.5 Hz，切換過程中，通過調(diào)壓閉環(huán)來控制電機在給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。

圖9 37.5 HZ向50 HZ過渡時的電機轉(zhuǎn)速波形

由圖9可知，首先使電機在37.5 Hz、235 V條件下起動，經(jīng)過0.5 s電機起動至1100 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，在t=10.8 s時，向變頻器發(fā)出頻率切換指令，使電機由23.5 Hz條件下向50 Hz條件下過渡，在閉環(huán)控制的作用下，先使電機工頻條件下穩(wěn)定運行在1200 r/min的轉(zhuǎn)速下，逐步改變給定轉(zhuǎn)速，使電機由1200 r/min逐步切換至1300 r/min，并最終穩(wěn)定運行在額定轉(zhuǎn)速1400 r/min附近。通過實驗分析，可知六脈波交交變頻器可方便的實現(xiàn)變頻與調(diào)壓的相結合，且在高頻段通過設置調(diào)壓閉環(huán)，可以實現(xiàn)變頻段向調(diào)壓段切換時的軟過渡，通過調(diào)壓閉環(huán)的作用可使電機起動至額定轉(zhuǎn)速附近穩(wěn)定運行。

4 結論

本文采用增量式PID控制算法對調(diào)壓時間常數(shù)進行控制，將調(diào)壓時間常數(shù)偏移量作為控制量形成閉環(huán)，給出了采用增量式PID控制算法的PID控制器的物理模型，適用于從過度頻段37.5 HZ到工頻段50 HZ過渡過程中的軟啟動。并通過對工頻段調(diào)壓閉環(huán)控制策略進行了相應大量的仿真與實驗分析，結果均表明：通過閉環(huán)控制可實現(xiàn)變頻段向工頻調(diào)壓段切換時的軟過渡。

[1] 李良鈺. 交流調(diào)速技術概述與發(fā)展方向[J]. 機械制造與自化, 2008(3): 154-156.

[2] 肖倩華, 廖世海. 現(xiàn)代交流調(diào)速技術的應用和發(fā)展[J]. 科技場, 2005(6): 114-116.

[3] 林輝. 異步電動機的軟起動技術[J]. 電機技術, 2010(3): 32-34.

[4] 龐元俊, 于勵鵬, 王佳. 電動機軟起動技術與應用[J]. 礦山機械, 2007(11): 127-129.

[5] 冒海峰, 朱桂平. 異步電動機軟起動技術探討[J]. 硫磷設計與粉體工程, 2004(3): 34-38+53.

[6] 姚劍. 軟起動技術在電機控制中的應用[J]. 中國設備工程, 2002(7): 21-22.

[7] 曾聰, 楊世祥, 譚理武, 等. 電動機軟起動技術及應用[J]. 電氣開關, 2005(6): 25-27.

[8] 杜慶楠, 王新, 陳立香. 相控變流器和變頻器雙變量控制理論的研究[J]. 煤炭學報, 2000(S1): 154-157.

[9] 周衛(wèi)平, 楊宣訪, 師維, 等. 三相三線有源電力濾波器新型控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(10): 55-60.

[10] 熊家祚, 張能, 翟黨國, 等. 大規(guī)模電力電子設備接入的電力系統(tǒng)混合仿真接口技術綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(10): 152-161.

[11] 翟保豫, 馬濤, 李開鑫. 220 kV變壓器中性點間隙過電壓保護與中性點間隙距離的配合分析[J]. 電氣技術, 2018, 19(4): 54-57.

[12] 李華, 方曉春, 林飛, 等. 異步牽引電機方波單電流閉環(huán)控制策略及其參數(shù)魯棒性分析[J]. 電工技術學報, 2018, 33(9): 2034-2043.

[13] 李拓, 杜慶楠. 基于TMS320F28335的三相感應電機矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 軟件, 2018, 39(3): 130-135.

Study on 6-pulse Double-Variable Cross-Frequency Control Power Frequency Regulator Closed-loop

LI Tuo1, LI Ya-min2, DU Qing-nan1, CUI Zhan-qi1

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University Jiaozuo 454000 China; 2. Zhengzhou Institute of Science and Technology Zhengzhou 450064 China)

Based on the six-pulse bivariate cross-converter based on, in order to avoid the motor in the soft start process from the variable frequency band (below 50 HZ) to the power frequency (50 HZ) voltage regulator section when the frequency difference caused by the larger The mechanical properties are softened, which improves the control performance of the motor starting to the common-band rotation speed, and suppresses the instantaneous inrush current caused when switching from 37.5 HZ to 50 HZ, so as to meet the requirements of the industrial control on the speed regulation accuracy. Through the use of incremental PID control algorithm to control the time constant of pressure regulation, the pressure control time constant offset is used as a control quantity to form a closed loop, and closed-loop adjustment is realized. A large number of simulation and experimental results show that under the effect of closed-loop regulation, the overshoot of the motor speed is small, and it can be operated with stability of almost no static difference at 1400 r/min, and the switching from the variable frequency band to the power frequency voltage regulation section is realized. Soft over.

Six-pulse bivariate; Cross-conversion; Power frequency regulation; Closed-loop

TM343

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.020

李拓(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：運動驅(qū)動與控制；李亞民(1992-)，男，助教，主要研究方向：電力電子與電氣傳動；杜慶楠(1958-)，男，教授，主要研究方向：自動控制、電力電子技術與交直流調(diào)速；崔占奇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力拖動。

本文著錄格式：李拓，李亞民，杜慶楠，等. 六脈波雙變量交交變頻工頻調(diào)壓閉環(huán)研究[J]. 軟件，2018，39（8）：94-99