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        基于電動牽引交流傳動控制系統(tǒng)研究

        2014-02-27 01:17:52劉樹華
        船電技術(shù) 2014年8期

        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。

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