發電廠用異步電機雙閉環矢量控制系統研究

張厚升，于蘭蘭，杜欽君，朱勝杰

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

0 引言

異步電機的節能、高效運行是我國經濟發展與社會發展的一項重要戰略［1］，具有復雜性和緊迫性?；\型異步電動機在各類發電廠中具有非常重要的作用，例如一次風機用異步電機、送風機電機、磨煤機電機等，異步電機具有環境適應力強、成本較低、結構簡單和制造容易等特點，因此異步電機的高效、節能運行關系到發電廠相關的生產過程，同時也關系到發電廠生產的業績。

對于異步電機的驅動控制技術，目前在發電廠中主要體現在風機、泵類等系統的節能調速運行方面，但是這種節能控制技術主要采用基于異步電機穩態數學模型的變壓變頻調速模式。目前我國發電廠的各類異步電機的實際運行效率相對國外較低，而且耗電量巨大［2］，這就使得異步電機的節能、高效運行成為研究熱點。研究了一種發電廠用異步電機的轉速、磁鏈雙閉環矢量控制系統，能夠實現電機的穩速運行，為了改善動態性能，引入轉矩控制方式。采用轉矩內環控制和三相電流滯環PWM控制策略，能讓電機在穩態運行時，保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實現異步電機輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機能產生恒定的電磁轉矩。

1 轉速磁鏈雙閉環矢量控制系統的原理分析

矢量控制是截至目前三相異步電機交流調速最先進、性能最好的控制方式，通常將含有矢量變換控制的三相異步電動機的控制系統統稱為矢量控制系統。實際上，在控制的過程中，仍然是以建立的等效直流電動機模型為控制對象，并按照轉子磁鏈進行準確的定向與控制，這樣就能讓三相異步電動獲得優良的靜態和動態性能［2］。

對于傳統的按轉子磁鏈定向的矢量控制系統，轉速閉環控制雖然能夠通過調節電流轉矩分量，實現因轉子磁鏈波動引起的電磁轉矩的變化，但是這種調節只有當異步電機的轉速發生變化以后才能起抗擾作用，為了改善動態性能，本文基于傳統控制策略引入了轉矩控制方式。

所提出的帶轉矩內環的轉速、磁鏈雙閉環矢量控制系統如圖1所示。圖1中主電路部分采用交-直-交三相PWM逆變器作為變頻主電路，逆變器的控制器采用三相電流滯環PWM控制策略。在控制系統中，采用了3個PI調節器，和傳統控制系統相比［3-5］，在轉速調節器（ASR）之后增加了一個轉矩控制內環，在能有效控制轉速的同時，實現對三相異步電機電磁轉矩的無靜差控制［6-7］。當轉子磁鏈發生波動時，可以通過轉矩調節器（ATR）及時調整電流轉矩分量給定值，以抵消轉子磁鏈變化的影響，盡可能不影響或者少影響異步電機的轉速。由于轉子磁鏈擾動作用點位于轉矩環內，所以可以通過轉矩反饋來實現對轉子磁鏈波動的抑制[8]，而不需要再通過轉速環來實現磁鏈波動的抑制。ASR的限幅輸出值是轉矩調節器的輸入給定值，而轉矩的另一路輸入信號，即轉矩反饋信號Te來源于矢量控制方程［9－11］

式中：Te為電磁轉矩；np為極對數；Lm為兩相坐標系上同軸定、轉子繞組間的互感值；ist為異步電機經3s／2r（三相靜止坐標系／兩相旋轉坐標系）變換后得到的定子電流的轉矩分量；Ψr為異步電機轉子磁鏈；Lr為兩相坐標系上轉子繞組的自感值。

圖1中的磁鏈調節器（ApsiR）用于對異步電機定子磁鏈的控制，并設置了相應的電流變換和磁鏈觀測環節，磁鏈按照矢量控制方程式（2）來進行計算與控制。

式中：Tr為異步電機轉子電磁時間常數，Tr＝Lm／Rr，其中Rr為折算到定子側的轉子一相繞組電阻值；ism為異步電機經3s／2r變換后得到的定子電流的勵磁分 量［10-11］。

異步電機的轉差角頻率滿足

式中：ωs為異步電機的轉差角頻率；ω1為定子頻率；ω為轉子角速度。通過矢量控制方程（3）可以計算出異步電機的轉差角頻率ωs和定子頻率ω1，且ω1=ω+ωs。

ATR和ApsiR的輸出分別是異步電機定子電流的轉矩分量給定值i*st和勵磁分量的給定值i*sm，給定值i*st和i*sm經過2r／3s變換后得到三相定子電流的給定值i*sa、i*sb和i*sc，通過三相電流滯環跟蹤PWM控制逆變器之后就可以控制異步電機的三相定子電流［10］，從而實現對異步電機的調速控制，進而能有效地拖動電廠風機或者其他相關負載運行。

圖1 控制系統原理

2 電流滯環PWM控制器原理分析

電流滯環PWM控制技術可以使PWM逆變器的輸出電流實時跟蹤給定電流的波形變化而近似呈現正弦波，是一種PWM控制方式。常用的電流滯環PWM控制技術一般采用滯環控制［11］，即：當逆變器實際的輸出電流值與給定電流值（參考電流信號，一般為正弦波）的偏差超過某一個數值時，系統改變逆變器的工作狀態，使PWM逆變器的輸出電流減小或者增加，進而能將實際的輸出電流值與給定電流值的偏差控制在一定誤差范圍內，下面以單相（或者單橋臂）為例進行說明，其工作原理如圖2（a）所示。

圖2 滯環控制原理

圖2 （a）中開關管VT1和開關管VT2組成PWM逆變器的一相橋臂，L是其感性負載，實時檢測負載電流i并與參考電流給定值i*進行比較，將電流偏差信號Δi=i*-i送入滯環控制器H1和H2，當偏差信號超過滯環控制器的環寬ΔI時，則改變PWM逆變器的開關狀態，且當開關管VT1導通時，相當于電感儲能，電路中的負載電流增加，開關管VT2導通時，電路中的負載電流減小。其脈沖驅動波形和電流波形如圖2（b）所示，在t1時刻，開關管VT1導通，電路中的負載電流 i開始增加，直至 t2時刻，i＞i*+ΔI，開關管VT1關斷而開關管VT2導通，電路中的負載電流i開始下降，至 t3時刻，i＜i*-ΔI，開關管 VT2 關斷而開關管VT1導通。如此周而復始，PWM逆變器實際的輸出電流值i將跟隨給定正弦電流值i*而做鋸齒形變化，滯環控制器的環寬2ΔI決定了鋸齒形變化的范圍，而且環寬2ΔI越小，PWM逆變器輸出電流的跟蹤效果越好，但是相應PWM逆變器的開關頻率也就越高，開關損耗相應也會增加，所以，在電流跟蹤型滯環PWM控制逆變器中選擇合適的環寬2ΔI非常重要。

3 系統建模與參數設置

所建立的帶轉矩內環轉速、磁鏈雙閉環三相異步電動機矢量控制系統如圖3所示。系統的主要仿真參數如表1所示。圖3中電流跟蹤控制環節采用三相電流滯環PWM控制技術，環寬設為0.95。圖3中，逆變器模塊采用IGBT／Diode，其他參數取默認值，Current model是電流變換與磁鏈觀測仿真模型，其電路模型如圖4所示，圖中從Demux上出來3個物理量ism、ist和i0，由于不需要 0軸的物理量 i0，所以將其封鎖，ism即為d軸的勵磁電流分量，乘以Lm=0.069 3 H，再乘以 1／（Trs+1），就得到轉子磁鏈 Ψr，在函數模塊Fcn1中，0.069 3是Lm的數值，u(1)是 ist信號，u（2）是 Ψr信號，0.087 4 是 Tr的數值，由于 u（2）是轉子磁鏈信號，它是一個變量，為了防止在仿真過程中出現傳遞函數分母為0而使仿真過程終止，在分母中專門加了一個很小的數值0.001。Fcn1模塊的輸出就是轉差頻率ωs，同轉速信號相加，就成為定子頻率信號ω1，對其積分后，即可得到旋轉相位角信號。進而可以設置sin和cos信號。

為了抑制電磁轉矩Te和電機轉子磁鏈的相互耦合，在圖3所示仿真模型中設置了函數模塊Fcn，其中2是極對數，0.069 3是Lm的數值，u（1）是轉子磁鏈信號，u（2）是ist信號，它的輸出就是異步電機的轉矩輸出信號Te。

圖3 帶轉矩內環的轉速磁鏈雙閉環三相異步電動機矢量控制系統仿真模型

圖4 電流變換與磁鏈觀測仿真模型

由于從電機檢測端m出來的轉速信號單位為弧度，采用 Gain 模塊并取值為 60／（2π）=9.55，將其變換為轉速信號，連接至ASR的輸入端口，ASR、ATR和ApsiR均采用帶飽和限幅的PI調節器，并分別對其積分環節和PI環節的輸出進行限幅，限幅值如表1所示。

4 系統仿真驗證

假設三相異步電機空載狀態下啟動，并令轉速給定值n*=1 400 r／min，系統空載啟動并達到穩定后，在0.6 s電機加載60 N·m，系統的仿真波形如圖5所示。

表1 系統的主要仿真參數

圖 5（a）、圖 5（b）和圖 5（c）分別給出了三相異步電機的實時轉速、電流和轉矩的仿真波形。圖5（d）、圖5（e）和圖5（f）分別給出了三相異步電機矢量控制系統中3個PI調節器即：ASR、ATR和ApsiR的輸出仿真波形。從圖（a）中可以看出，三相異步電機在矢量控制和滯環電流跟蹤控制的作用下，電機的轉速能夠實現平穩上升。在到達0.35 s時，三相異步電機的轉速上升至給定轉速，實現了輸出對輸入的無靜差跟蹤。而且在0.6 s電機加載55 N·m（額定負載為60 N·m）時，電機的轉速略有下降，但能基本維持在1 400 r／min左右，實現了轉速的無靜差調節。

圖5 異步電機轉速磁鏈雙閉環矢量控制系統的仿真波形

由圖 5（d）、圖 5（e）和圖 5（f）可知，在啟動過程中，轉速調節器（ASR）、轉矩調節器（ATR）和磁鏈調節器（ApsiR）均處于飽和限幅狀態，它們的輸出值均為相應的飽和限幅值，由此可以保證三相異步電機定子電流的電磁轉矩Te和勵磁電流分量都保持為最大值且恒定不變。所以，系統在經過兩相旋轉坐標系到三相靜止坐標系（2r／3s）的變換后，得到的三相滯環電流控制PWM逆變器的定子電流給定值和比較平穩，如圖5（g）所示，從而能保證異步電機在啟動過程中，電機的三相定子電流基本保持不變，如圖 5（b）所示為 A相電流，圖 5（h）為三相定子電流，由此可見，系統實現了恒流升速啟動。從圖5（c）所示異步電機啟動過程中的轉矩波形來看，在異步電機空載啟動時的轉矩波動較大，說明磁鏈參數還有進一步優化的空間。

圖6和圖7分別是矢量控制三相異步電動機的定子磁鏈軌跡和靜特性 （閉環系統中轉速與轉轉矩的關系）的仿真波形，在啟動時，異步電機磁鏈呈現螺旋增加狀態，而且這種螺旋增加的過程相對比較均勻、光滑，但是受到磁鏈調節器（ApsiR）PI調節參數的影響，磁鏈增加的過程比較漫長，從而使圖7所示異步電機機械特性曲線中的恒轉矩升速階段（AB段）相對偏小。

圖6 異步電機的定子磁鏈仿真軌跡

圖7 異步電機的機械特性仿真曲線

3 結語

研究一種電廠用異步電機轉速、磁鏈雙閉環矢量控制系統，在分析其主控電路結構與工作原理的基礎上，以單相橋臂為例，分析了三相電流滯環PWM控制策略。建立帶轉矩內環的轉速、磁鏈雙閉環異步電機矢量控制系統的仿真模型，對照系統原理框圖，分析了各個主要仿真模塊及其參數的設置。仿真結果表明：

1）異步電機帶載運行時，能夠有效抑制負載的擾動，而且能夠實現恒流升速過程，進入穩態后能保證電機穩速運行。

2）由于同時采用了轉矩內環控制和三相電流滯環PWM控制策略，在保證電機平穩運行的同時，還能保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實現異步電機輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機能產生恒定的電磁轉矩和比較光滑的圓形旋轉磁場軌跡。

3）由于采用了轉矩閉環控制，和傳統的矢量控制相比，轉矩調節器能對轉子磁鏈的波動起及時抗擾作用，有效改善系統的動態性能。

4）靜特性曲線也較好地說明了系統的抗干擾能力。

5）系統的不足之處在于：當異步電機空載起動時的轉矩波動較大，說明磁鏈參數還可以進一步進行優化。