徐立波，阮 毅，宗 劍，柳 巍

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

架線式交流電機(jī)車是礦山地面和井下廣泛使用的一種運(yùn)輸工具，通過(guò)機(jī)車受電弓獲取架設(shè)在運(yùn)輸軌道上的架空線電能[1]。交流電機(jī)車的母線電壓易受實(shí)際工況和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響:機(jī)車的受電弓與架空線屬于不可靠連接，跳弓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，母線電壓因供電中斷而出現(xiàn)欠壓;電機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，母線電壓因電機(jī)動(dòng)能回饋產(chǎn)生泵升電壓而導(dǎo)致過(guò)壓。

為盡可能避免電機(jī)車系統(tǒng)因母線電壓較大波動(dòng)觸發(fā)欠壓、過(guò)壓故障保護(hù)，造成控制中斷，需研究矢量控制策略下的母線電壓控制方法。文獻(xiàn)[2-5]針對(duì)母線電壓控制，提出了各種方法。文獻(xiàn)[2-3]提出在矢量控制轉(zhuǎn)矩環(huán)的給定值上增加附加轉(zhuǎn)矩以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)母線電壓控制的方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需在傳統(tǒng)的控制方案中加入前饋環(huán)節(jié)，但對(duì)前饋環(huán)節(jié)缺乏具體設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]提出了一種抑制母線電壓因暫時(shí)失電而發(fā)生欠壓保護(hù)的方案，即通過(guò)將電機(jī)從電動(dòng)模式切換至制動(dòng)模式，將電機(jī)動(dòng)能回饋至母線，維持母線電壓恒定。該方案需要在兩個(gè)模式間相互切換，切換過(guò)程中系統(tǒng)易產(chǎn)生波動(dòng)。文獻(xiàn)[5]提出了一種抑制母線電壓過(guò)高的策略，采用電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速時(shí)對(duì)母線電壓的精確控制。該方案需實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)回饋的功率，計(jì)算量較大。

本文提出在矢量控制轉(zhuǎn)矩電流給定值上加入一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的控制。提出的方案無(wú)需進(jìn)行模式切換，計(jì)算量小，前饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。MATLAB仿真驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 矢量控制系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)的矢量控制方案

傳統(tǒng)的矢量控制方案框圖如圖1所示[6]。方案采用按轉(zhuǎn)子磁鏈間接定向的有速度傳感器控制策略，以轉(zhuǎn)速作為外環(huán)，定子電流勵(lì)磁分量及轉(zhuǎn)矩分量作為內(nèi)環(huán)。如式(1)和式(2)所示，速度傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)速與計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差相加后得到電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，對(duì)同步轉(zhuǎn)速積分后得到用于坐標(biāo)變換的定向角。定子電流按定向角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換后，得到定子電流的勵(lì)磁分量isd和轉(zhuǎn)矩分量isq。如式(3)和式(4)所示，isd和isq分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr和電磁轉(zhuǎn)矩Te的控制。

圖1 傳統(tǒng)的矢量控制方案框圖

1.2 具有母線電壓控制的矢量控制方案

傳統(tǒng)的矢量控制方案中母線電壓不作為控制目標(biāo)。當(dāng)母線電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，采用故障保護(hù)的方式中斷控制。當(dāng)系統(tǒng)供電不穩(wěn)定時(shí)，或電機(jī)快速制動(dòng)造成顯著的泵升電壓時(shí)，系統(tǒng)極易引起欠壓和過(guò)壓故障保護(hù)，降低了系統(tǒng)可靠性。

本文提出具有母線電壓控制的矢量控制方案。控制框圖如圖2所示，在轉(zhuǎn)矩電流給定值上加入一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，抑制母線電壓的升高或降低。當(dāng)母線電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，前饋環(huán)節(jié)不起作用;當(dāng)母線電壓過(guò)低或過(guò)高時(shí)，如式(5)所示，前饋環(huán)節(jié)AUdR輸出值與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出值相加后作為定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值。前饋環(huán)節(jié)的加入改變了值，由式(4)可知，改變值將改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行狀態(tài)，繼而改變能量流動(dòng)大小和方向以控制母線電壓穩(wěn)定。

圖2 具有母線電壓控制的矢量控制框圖

2 母線電壓控制方法

2.1 母線電壓控制前饋環(huán)節(jié)

ud_n為母線電壓額定值，ud_min1和ud_max1分別對(duì)應(yīng)正常電壓值的下限和上限，ud_min2和ud_max2分別對(duì)應(yīng)引起欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的電壓值，ud_Ron和ud_Roff分別對(duì)應(yīng)開(kāi)放和關(guān)閉制動(dòng)電阻的電壓值。7個(gè)電壓值關(guān)系如式(6)所示:

前饋環(huán)節(jié)控制母線電壓值，以避免大幅偏離額定值產(chǎn)生欠壓或過(guò)壓保護(hù)。為了使控制效果更顯著，當(dāng)電壓值偏離越大，前饋環(huán)節(jié)的輸出也應(yīng)增加，且母線電壓允許與給定值存在一定的偏差，無(wú)須穩(wěn)態(tài)靜差為零，故選擇比例環(huán)節(jié)。

前饋環(huán)節(jié)的控制框圖如圖3所示，分為欠壓和過(guò)壓兩個(gè)模塊。前饋環(huán)節(jié)的輸入為母線電壓udc，與欠壓閾值ud_min1和過(guò)壓閾值ud_max1比較后得到輸出值。欠壓和過(guò)壓模塊的比例系數(shù)分別為K1和K2。當(dāng) ud_min1＜udc＜ud_max1時(shí)，表明母線電壓在正常范圍內(nèi)，輸出值為零;當(dāng)udc＜ud_min1時(shí)，欠壓模塊有輸出;當(dāng)udc＞ud_max1時(shí)，過(guò)壓模塊有輸出。對(duì)應(yīng)的關(guān)系式如式(7)所示:

圖3 前饋環(huán)節(jié)控制框圖

當(dāng)母線電壓出現(xiàn)欠壓或過(guò)壓使前饋環(huán)節(jié)參與控制后，給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差增加，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出快速達(dá)到飽和，前饋環(huán)節(jié)的最大輸出需完全抵消轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和值，并留有一定裕量。例如電機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)欠壓，前饋環(huán)節(jié)輸出的使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器正向飽和，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出為了使電機(jī)處于制動(dòng)模式，即據(jù)式(5)，則同時(shí)，系統(tǒng)處于欠壓和過(guò)壓情況下，允許的極限電壓分別為ud_min2和ud_max2，并考慮留有50%的電壓裕量，則有K1和K2的計(jì)算公式如式(8)和式(9)所示:

需要指出的是，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)模式下出現(xiàn)過(guò)壓或制動(dòng)模式下出現(xiàn)欠壓表明供電電源非正常，電壓控制對(duì)此無(wú)能為力，故不參與前饋控制。

2.2 越過(guò)暫時(shí)失電控制

越過(guò)暫時(shí)失電控制是當(dāng)母線電壓欠壓，即低于ud_min1時(shí)，通過(guò)電機(jī)減速，將部分動(dòng)能回饋至母線側(cè)，維持一個(gè)較低的母線電壓值，使控制電路繼續(xù)工作，待供電恢復(fù)后電機(jī)重新加速到原轉(zhuǎn)速。

以電機(jī)正向電動(dòng)運(yùn)行為例，圖4為發(fā)生短暫失電時(shí)母線電壓、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形。

圖4 發(fā)生短暫失電時(shí)母線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形

由圖4可知，當(dāng)t1時(shí)刻供電電源斷開(kāi)，母線電壓逐漸降低。t2時(shí)刻母線電壓達(dá)到欠壓值，前饋環(huán)節(jié)開(kāi)始作用，輸出的，其絕對(duì)值逐漸增加，使＜0。電機(jī)從電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換至制動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速下降，能量回饋至母線，維持母線電壓值高于欠壓保護(hù)值。當(dāng)t3時(shí)刻供電電壓恢復(fù)后，前饋環(huán)節(jié)迅速退出控制，電動(dòng)機(jī)重新加速至原轉(zhuǎn)速。

2.3 抑制過(guò)壓控制

礦用電機(jī)車架空線采用不可控整流橋供電。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)模式時(shí)，母線電壓易因電機(jī)動(dòng)能回饋而產(chǎn)生泵升電壓，繼而觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。因此直流母線上須有制動(dòng)回路，串接制動(dòng)電阻。當(dāng)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，制動(dòng)回路接通，制動(dòng)電阻消耗母線能量并降低母線電壓。一種方案是減小制動(dòng)電阻的阻值，快速消耗回饋動(dòng)能，減少過(guò)壓保護(hù)的發(fā)生，但制動(dòng)電阻阻值的選取受到器件限制，有時(shí)仍需采用抑制過(guò)壓控制，減少過(guò)壓保護(hù)的發(fā)生。抑制過(guò)壓控制的原理是當(dāng)電壓接近過(guò)壓保護(hù)值時(shí)，減小回饋至母線的能量，維持電壓低于過(guò)壓保護(hù)值。

以電機(jī)正向制動(dòng)運(yùn)行為例，圖5為制動(dòng)過(guò)程中母線電壓、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形。

圖5 制動(dòng)過(guò)程中母線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形

由圖5可知，t1時(shí)刻電機(jī)開(kāi)始制動(dòng)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，母線電壓逐漸升高。t2時(shí)刻母線電壓達(dá)到過(guò)壓值，前饋環(huán)節(jié)開(kāi)始作用，輸出的＞0，使絕對(duì)值減小，對(duì)應(yīng)制動(dòng)力矩減小，轉(zhuǎn)速下降趨緩，回饋母線能量減少，母線電壓不再上升。隨著電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速接近給定轉(zhuǎn)速，母線電壓下降，當(dāng)t3時(shí)刻母線電壓下降至正常值時(shí)，前饋環(huán)節(jié)退出控制，電動(dòng)機(jī)重新在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證越過(guò)暫時(shí)失電控制和抑制過(guò)壓控制的性能，使用MATLAB搭建了仿真平臺(tái)。仿真電機(jī)參數(shù)如下:PN=22 kW，UN=220 V，f=40 Hz，IN=82 A，n=590 r/min，Te=356 N·m，Rs=0.037 9 Ω，Rr=0.025 2 Ω，Ls=0.019 0 H，Lr=0.019 6 H，Lm=0.018 5 H，np=4，J=0.6，星型接法。電源采用220 V/50 Hz三相電源，對(duì)應(yīng)母線電壓為310 V，母線電容容量8 000 μF。

仿真試驗(yàn)包括兩個(gè)部分:(1)越過(guò)暫時(shí)失電控制仿真;(2)抑制過(guò)壓控制仿真。

3.1 越過(guò)暫時(shí)失電控制仿真

對(duì)于越過(guò)暫時(shí)失電控制仿真，設(shè)定正常母線電壓下限值ud_min1=264 V(85%額定電壓)，引起欠壓保護(hù)的母線電壓值ud_min2=232 V(75%額定電壓)。圖6(a)為采取越過(guò)暫時(shí)失電控制后的直流母線電壓波形，圖6(b)為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形，圖6(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉(zhuǎn)矩電流給定值的波形。由圖6可知，當(dāng)t=1 s時(shí)，帶0.25倍額定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行于500 r/min，并在t=1.1 s斷開(kāi)電源模擬跳弓現(xiàn)象，母線電壓先逐漸下降，當(dāng)Udc＜264 V時(shí)，前饋環(huán)節(jié)開(kāi)始作用減小，電機(jī)逐漸從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換至制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，動(dòng)能回饋至母線端使母線電壓穩(wěn)定在約250 V，維持電壓值高于圖6(a)虛線標(biāo)注的欠壓保護(hù)值。當(dāng)t=1.4 s電源恢復(fù)后，母線電壓迅速上升，前饋環(huán)節(jié)退出作用，電機(jī)也逐漸升速恢復(fù)至原轉(zhuǎn)速。

如圖7所示，若不采取越過(guò)暫時(shí)失電控制，在t=1.17 s時(shí)，母線電壓因低于232 V觸發(fā)欠壓保護(hù)，系統(tǒng)需重新起動(dòng)才能運(yùn)行?？梢?jiàn)越過(guò)暫時(shí)失電控制能保持母線電壓值，盡量避免觸發(fā)欠壓保護(hù)。

圖6 越過(guò)暫時(shí)失電控制仿真波形

圖7 未采取越過(guò)暫時(shí)失電控制后的直流母線電壓波形

3.2 抑制過(guò)壓控制仿真

抑制過(guò)壓控制仿真，設(shè)定正常母線電壓上限值ud_max1=358 V(115%額定電壓)，引起過(guò)壓保護(hù)的母線電壓值ud_max2=404 V(130%額定電壓)。與欠壓不同，當(dāng)母線發(fā)生過(guò)壓時(shí)，需接通制動(dòng)回路，將過(guò)多的母線電容電量消耗在制動(dòng)電阻上。因此，需配置接通和斷開(kāi)制動(dòng)電阻的電壓值及制動(dòng)電阻阻值。為避免頻繁接通和斷開(kāi)制動(dòng)電阻，接通電阻的電壓取ud_Ron=355 V，斷開(kāi)電阻的電壓取ud_Roff=345 V，兩者存在一個(gè)滯環(huán)。制動(dòng)電阻分別選取R=5 Ω和R=1 kΩ進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

首先選取制動(dòng)電阻R=5 Ω。圖8(a)為直流母線電壓波形，圖8(b)為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形，圖8(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉(zhuǎn)矩電流給定值的波形。當(dāng)t=1 s時(shí)，電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行于500 r/min。當(dāng)t=1.1 s時(shí)，轉(zhuǎn)速給定為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)動(dòng)能迅速回饋至母線端導(dǎo)致電壓上升，當(dāng)母線電壓超過(guò)ud_Ron時(shí)，制動(dòng)回路接通，母線電壓下降至低于ud_Roff，制動(dòng)回路斷開(kāi)。之后，由于電機(jī)仍有持續(xù)的動(dòng)能回饋，制動(dòng)回路再開(kāi)斷4次后電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在零速。在制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)電阻阻值小，回饋的電能能迅速通過(guò)制動(dòng)回路釋放，母線電壓未超過(guò)正常母線電壓上限值ud_max1，抑制過(guò)壓控制的前饋環(huán)節(jié)未參與控制。

圖8 制動(dòng)電阻R=5 Ω，電機(jī)帶額定負(fù)載，給定轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min突變至零速仿真波形

選取制動(dòng)電阻R=1 kΩ。圖9(a)為直流母線電壓波形，圖9(b)為電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形，圖9(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉(zhuǎn)矩電流給定值的波形。當(dāng) t=1 s時(shí)，電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行于500 r/min。當(dāng)t=1.1 s時(shí)，轉(zhuǎn)速給定為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)動(dòng)能迅速回饋至母線端導(dǎo)致電壓上升，當(dāng)母線電壓超過(guò)ud_Ron時(shí)，制動(dòng)回路接通，由于電阻阻值較大，母線電容增加的回饋電能無(wú)法完全釋放，母線電壓繼續(xù)上升，抑制過(guò)壓控制的前饋環(huán)節(jié)于t=1.11 s參與控制幅值減小，電機(jī)回饋至母線的電能減小，母線電壓維持在約380 V，低于過(guò)壓保護(hù)值404 V。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減至零后，母線電壓逐漸下降，制動(dòng)回路斷開(kāi)，之后恢復(fù)至正常值。

如圖10所示，若不采取抑制過(guò)壓控制，t=1.12 s時(shí)母線電壓因高于404 V觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，系統(tǒng)需重新起動(dòng)才能運(yùn)行?？梢?jiàn)抑制過(guò)壓控制能限制泵升電壓，盡量避免觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

圖9 制動(dòng)電阻R=1 kΩ，電機(jī)帶額定負(fù)載，給定轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min突變至零速仿真波形

圖10 未采取抑制過(guò)壓控制的直流母線電壓波形

4 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)的矢量控制策略中加入了一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)越過(guò)暫時(shí)失電和抑制過(guò)壓控制，以減緩因系統(tǒng)暫時(shí)失電或電機(jī)能量回饋造成的母線電壓大幅波動(dòng)，盡量避免系統(tǒng)觸發(fā)過(guò)壓和欠壓保護(hù)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了兩種電壓控制策略的可行性和實(shí)用性。

越過(guò)暫時(shí)失電控制對(duì)于供電不可靠的架線電機(jī)車系統(tǒng)具有應(yīng)用價(jià)值。抑制過(guò)壓控制則能根據(jù)不同的電機(jī)回饋功率、母線電容容量及放電電阻的配置方式自動(dòng)控制回饋能量，既減少制動(dòng)時(shí)間，又避免造成母線過(guò)壓保護(hù)。電壓控制策略的應(yīng)用將提高系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)效率具有一定意義。

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