王銳 李帆 康樂(lè)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢430064）

0 引言

在電機(jī)行業(yè)，傳統(tǒng)的電機(jī)試驗(yàn)方式十分復(fù)雜，且試驗(yàn)效果不是十分理想，工作效率低。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器功能越來(lái)越完善，接口更加友好，為電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好的技術(shù)條件，本文設(shè)計(jì)的綜合性通用電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)采用變頻調(diào)速技術(shù)、有源整流技術(shù)及公共直流母線能量回饋方式；監(jiān)控系統(tǒng)采用以PLC為核心的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備協(xié)調(diào)控制及組態(tài)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)需求。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比較，具有試驗(yàn)精度高、通用、節(jié)能、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、諧波含量少的優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是采用ACS800LC功率模塊（R8i模塊），為大電機(jī)試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的綜合性試驗(yàn)平臺(tái)。能滿足5 MW功率以下等級(jí)的發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)、型式試驗(yàn)的需求。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比較，能量回饋，具有節(jié)能和提高輸入側(cè)和輸出側(cè)功率因數(shù)的作用[1,2]。如圖1所示：其中R8i模塊是一個(gè)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(wǎng)。適用于輸出功率為200 kW以上的傳動(dòng)單元，可以單獨(dú)使用，也可以并聯(lián)使用。每個(gè)R8i模塊既可以將輸入的三相交流電變?yōu)橹绷麟娤騻鲃?dòng)單元中間直流回路供電。進(jìn)而中間直流回路向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器供電，中間直流回路可以只接入一個(gè)逆變器（單傳動(dòng)），也可以接入多個(gè)逆變器（多傳動(dòng)）。

1.1 被試發(fā)電機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，調(diào)節(jié)好低壓轉(zhuǎn)接柜里的短接母排，在預(yù)充電完成后，在公共直流母線上建立起穩(wěn)定的直流電壓；啟動(dòng)逆變單元1、2，驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)M1、M2，使其運(yùn)行轉(zhuǎn)速到一定的轉(zhuǎn)速上，使得被試發(fā)電機(jī)在這轉(zhuǎn)速點(diǎn)上，發(fā)出其額定頻率電壓和一定的輸出電壓；同時(shí)調(diào)節(jié)陪試同步電機(jī)，使其工作在與被試發(fā)電機(jī)相同的同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)；再啟動(dòng)逆變單元3、4，使其工作在較小能量回饋狀態(tài)。加負(fù)載：調(diào)節(jié)逆變單元3、4的轉(zhuǎn)矩，增加其回饋功率，增加陪試電機(jī)的輸出軸功率。調(diào)節(jié)逆變單元1、2，使其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速上。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)主回路拓?fù)鋱D

1.2 被試電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

同被試發(fā)電機(jī)試驗(yàn)一樣：?jiǎn)?dòng)逆變單元3、4，驅(qū)動(dòng)陪試電動(dòng)機(jī)M3、M4，使其運(yùn)行轉(zhuǎn)速到確定的轉(zhuǎn)速上，通過(guò)聯(lián)軸器使得陪試電機(jī)工作在相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速上，發(fā)出額定工頻的電壓。調(diào)節(jié)陪試電機(jī)的輸出電壓達(dá)到一個(gè)值，再啟動(dòng)被試電動(dòng)機(jī)，使其運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，再調(diào)節(jié)陪試電機(jī)的勵(lì)磁電流，使被試異步電動(dòng)機(jī)工作在接近同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)。加負(fù)載：調(diào)節(jié)逆變單元1、2的輸出轉(zhuǎn)矩，增加其回饋功率，即增加被試電動(dòng)機(jī)的輸出軸功率。調(diào)節(jié)逆變單元3、4，使其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M3、M4轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速上。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）原理

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻調(diào)速技術(shù)是近幾年來(lái)繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而確定電磁轉(zhuǎn)矩，將磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算值與給定值比較，把誤差分別送入磁鏈控制單元和轉(zhuǎn)矩控制單元，兩者的輸出信號(hào)與磁通角共同作為控制逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器產(chǎn)生三相電壓作用電機(jī)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間電壓矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算和控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，在很多程度上解決了矢量控制中存在的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制有如下特點(diǎn)：

a) 直接轉(zhuǎn)矩控制只控制電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)的參數(shù)，所以控制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變化的影響；

b) 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制運(yùn)算均在定子靜止坐標(biāo)系中進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)的處理過(guò)程，提高了控制運(yùn)算的速度；

c) 直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，所以并不過(guò)于追求圓磁鏈軌跡和正弦波電流，只追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準(zhǔn)確性；

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

2.1 異步電動(dòng)機(jī)的模型

為了便于分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，必須進(jìn)行一些假定，以抽象出所謂的理想電機(jī)來(lái)。這些假定是：（1）氣隙均勻；（2）磁路線性；（3）定、轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱(chēng)，其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布；（4）忽略磁場(chǎng)諧波，即設(shè)磁場(chǎng)正弦分布。三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型如圖2所示。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)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(biāo)系；轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；

iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；

ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc——定子轉(zhuǎn)子繞組的全磁鏈；

2.3 轉(zhuǎn)矩方程

電磁轉(zhuǎn)矩可由能量守恒定律導(dǎo)出。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，在多相繞組電機(jī)中，其磁場(chǎng)儲(chǔ)能為：

根據(jù)能量守恒定律導(dǎo)出。在異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其電磁力矩 Te等于電流不變時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì)機(jī)械角位移θm的偏導(dǎo)數(shù)。即

式中：Pn為電機(jī)的磁級(jí)數(shù)；θr為電角位移，θr=pnθm

式中：Msr——定轉(zhuǎn)子之間的互感運(yùn)動(dòng)方程：

式中：TL——負(fù)載阻力矩；J——機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D——與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)[3]。

3 逆變器的工作原理及控制方法

R8i模塊的DTC系統(tǒng)的工作原理如圖3，不同于傳統(tǒng)交流傳動(dòng)控制器，DTC是將交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為主要的控制參數(shù)，而不是電流。在DTC控制下的交流電機(jī)，電流是保證電機(jī)達(dá)到需要的轉(zhuǎn)矩結(jié)果的保障。在DTC中，高速數(shù)字信號(hào)處理器與軟件模型相結(jié)合，自動(dòng)采集電機(jī)的參數(shù)并以足夠的精度直接計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁通。模型的運(yùn)算速率為25 μs，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)每分鐘更改 40000次，沒(méi)有單獨(dú)的電壓和頻率控制的PWM 調(diào)制器，所有的開(kāi)關(guān)器件的選擇由電機(jī)的電磁狀態(tài)決定。

直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓型逆變器，對(duì)于逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)的形成采用空間電壓矢量調(diào)制方法，空間電壓矢量調(diào)制方法是以三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如圖4所示的位于同一橋臂的功率管的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的，當(dāng)位于同一橋臂上面的功率管式導(dǎo)通，小橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，逆變器有6個(gè)開(kāi)關(guān)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(tài)分成兩類(lèi)：一類(lèi)是零電壓矢量；一類(lèi)是工作電壓矢量。忽略定子電阻壓降，定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向基本沿u進(jìn)行的，因此合理選擇電壓矢量的施加順序使得u的運(yùn)行軌跡形成六邊形，為便于控制將磁鏈旋轉(zhuǎn)軌跡分成6個(gè)扇區(qū)，根據(jù)磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算值與給定值比較得出的誤差，并結(jié)合定子磁鏈所在區(qū)域從開(kāi)關(guān)表中選擇合適的電壓矢量控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)[4]。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制方法原理框圖

圖4 電壓型逆變器

4 結(jié)論

本試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用了ABB公司最新的直接轉(zhuǎn)矩控制和四象限運(yùn)行原理，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高性能控制，該電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)功能齊全，性能好，功率等級(jí)和效率高，大大節(jié)約電機(jī)消耗的能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。試驗(yàn)臺(tái)在某電機(jī)廠開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，先后做了多個(gè)型號(hào)的電機(jī)試驗(yàn)：其中逆變單元1和逆變單元2對(duì)拖，逆變單元1電動(dòng)，逆變單元2回饋；逆變單元1和逆變單元2共同拖動(dòng)發(fā)電機(jī)直接回饋電網(wǎng)；逆變單元1和逆變單元2共同拖動(dòng)發(fā)電機(jī)，再通過(guò)同步電機(jī)逆變單元3和逆變單元4回饋電網(wǎng)。其中包括2.5 MW同步發(fā)電機(jī)：（1）當(dāng)逆變單元3加負(fù)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(fù)載電流1023 A，力矩2.1%，逆變單元4電流1023 A，力矩2.3%，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 rpm；（2）當(dāng)逆變單元3負(fù)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(fù)載電流1210 A，力矩26.53%，逆變單元2流1212 A，力矩26.55%，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 rpm；（3）當(dāng)逆變單元3負(fù)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(fù)載電流1500 A，力矩42.92%，逆變單元2流1493 A，力矩42.69%，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 rpm；回饋效果明顯，工作效率高。

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