劉樹華

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基于電動牽引交流傳動控制系統(tǒng)研究

劉樹華

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

為了使電機(jī)在高速下仍然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，采用特殊的弱磁控制策略。介紹了全階磁鏈觀測器的原理推導(dǎo)與弱磁控制基本原理，并在360 kW電機(jī)控制上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了算法的有效性。

感應(yīng)電動機(jī) 弱磁 矢量控制

0 引言

在電動牽引領(lǐng)域通常采用矢量控制的感應(yīng)電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，電機(jī)的可靠性高、成本低。采用電壓源逆變器作為驅(qū)動裝置時(shí)，由于受到驅(qū)動器最大輸出電壓和電流的限制，需要采用弱磁等方法來實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的正常運(yùn)行。低速時(shí)，一般采用定子勵磁電流恒定而調(diào)節(jié)定子轉(zhuǎn)矩電流分量大小的控制方法。這種方法在輕載時(shí)系統(tǒng)效率不高。在轉(zhuǎn)矩控制的感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，最大的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率依賴于逆變器的電流和電壓限制。為了使電機(jī)在高速下仍然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，考慮到電壓和電流的限制，應(yīng)采用特殊的弱磁控制策略，以便在整個(gè)速度范圍得到最大轉(zhuǎn)矩。另外，當(dāng)逆變器的功率能力大于電機(jī)的功率時(shí)，逆變器的輸出功率應(yīng)該得到限制以保證電動機(jī)的安全。

本文在基于全階磁鏈觀測的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)交流傳動控制，當(dāng)系統(tǒng)處于輕載或者加速工況時(shí)采用弱磁控制。弱磁控制算法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1) 充分利用了逆變器的最大輸出電壓和電流的能力，實(shí)現(xiàn)了全速度范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩控制，包括低速和高速；2）算法基本上不依賴于電機(jī)的參數(shù)，也不依賴于轉(zhuǎn)速，使用簡單方便；3）各運(yùn)行工況之間平滑切換，使電機(jī)在任何轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下都能穩(wěn)定運(yùn)行。另外本文還研究了低速下的最大轉(zhuǎn)矩控制方法以滿足系統(tǒng)滿載低速啟動的工況要求。

1 全階磁鏈觀測器原理

控制系統(tǒng)由控制臺、兩臺變頻器、兩臺電機(jī)、一臺柴發(fā)機(jī)組構(gòu)成，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中PLC主要采集控制臺的操作指令并下發(fā)到兩個(gè)逆變控制器，并協(xié)調(diào)處理控制邏輯與開關(guān)狀態(tài)。逆變控制器控制兩臺異步電機(jī)，采用功率控制模式以確保兩邊的出力一致和在起動階段實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的輸出，兩臺逆變器與制動單元采用共直流母線的結(jié)構(gòu)。

異步電機(jī)矢量形式的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基本描述公式：

圖1 電動牽引交流傳動控制系統(tǒng)框圖

由式（1）可得：

由式（2）可得：

由式（3）可得：

由式（4）可得：

式（7）和式（8）相減得到：

將式（9）代入式(6)可得：

同理由式（3）和式（4）按照如上同樣的轉(zhuǎn)換可得到：

式（11）和式（12）相減得到：

將式（13）代入式(5)可得：

式（13）表示成矩陣形式為：

將式（10）和式（14）表示成矩陣形式為：

那么，同時(shí)觀測定子磁鏈和定子電流的全階磁鏈狀態(tài)觀測器，可以用下面公式描述：

其中，簡化后的增益矩陣為：

設(shè)定觀測器的極點(diǎn)配置為電機(jī)極點(diǎn)的k倍，則：

以上的增益矩陣具有普遍性，適合于任意型號的異步電機(jī)。

另有簡化的增益矩陣為：

可取1=2=0.125

如果采用上述的最簡化的增益矩陣，則全階磁鏈觀測器簡化為：

2 弱磁控制原理

圖2 傳統(tǒng)的弱磁控制算法框圖

圖3 弱磁控制算法框圖

3 驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)以上的原理進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，控制對象為360 kW異步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：額定電壓690 VAC，額定電流418 A，額定轉(zhuǎn)速875 rpm。極對數(shù)為3。

圖4 電流920 A堵轉(zhuǎn)電流（1.82 Hz）

采用四階runge_kutta算法進(jìn)行全階磁鏈觀測器的離散化處理，其堵轉(zhuǎn)工況的電流波形如圖4所示，500 rpm時(shí)電流波形如圖5所示，弱磁到3200 rpm時(shí)的電流波形如圖6所示，3200 rpm（3.65倍弱磁）時(shí)勵磁電流給定與控制波形如圖7所示。

圖5 500 rpm時(shí)A2相電流波形

圖6 3200 rpm空載時(shí)A2相電流波形

圖7 3200 rpm時(shí)勵磁電流給定與反饋

4 結(jié)論

介紹了全階磁鏈觀測器的原理推導(dǎo)與弱磁控制基本原理，通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，證明了算法的可行性與有效性。

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Control System of Induction Motor for Electric Traction

Liu Shuhua

(Naval Representatives Office of 712 Research Institute, Wuhan430064, China)

TM346

A

1003-4862（2014）08-0065-04

2014-03-11

劉樹華(1964-)，男，高級工程師。研究方向：船舶電氣工程。