劉翔，曹萍，邸凈宇，李慶元，王希宇，張蔚航

（1.天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130；3.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

交-交變頻矢量控制系統(tǒng)在我國中壓大型傳動方面得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)調(diào)試需要輸入電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，對于同步電動機(jī)，有時需要改變電機(jī)Q軸主電抗參數(shù)，才能使電機(jī)滿足動態(tài)性能。本文將利用仿真模型，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試中出現(xiàn)的實(shí)際問題，探討Q軸主電抗值對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

1 大功率交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

大功率交-交變頻器通常采用三相橋式晶閘管可逆整流裝置。如果觸發(fā)移相控制信號是直流信號，變頻器的輸出電壓是直流；若觸發(fā)移相控制信號是交流信號，相應(yīng)變頻器的輸出電壓則是交流，實(shí)現(xiàn)變頻。由于這種變頻器無中間直流環(huán)節(jié)，故稱為交-交直接變頻。通過建模仿真，交-交變頻器單相輸出仿真如圖1所示。

圖1 交-交變頻器單相輸出Fig.1 The phase voltage of AC-AC convertor

同步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。如果以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流與電壓通過3/2變化可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流與電壓。若觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，看到的便是1臺直流電機(jī)。

既然同步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動機(jī)，那么，模仿直流電動機(jī)的控制策略，得到直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制交流電動機(jī)。這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)叫作矢量控制系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代，西門子公司推出了SIMA?DYN-D交-交變頻矢量控制系統(tǒng)。以其強(qiáng)大的控制性能，與現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性，在我國大型冶金項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。SIMADYN-D是一種基于總線結(jié)構(gòu)的多處理器通用控制器，硬件有多種機(jī)箱、處理器模版、通信緩沖模版、接口模版、部通信模版等模塊以供不同的任務(wù)選擇，組合使用。

2 系統(tǒng)仿真模型

同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

以系統(tǒng)框圖為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)原理，搭建仿真模型如圖3所示。

圖2 同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the synchronous motor vector control system

圖3 同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The simulation model of the synchronous motor vector control system

本文中討論的Q軸主電抗值主要對電流模型產(chǎn)生影響，圖4為電流模型的封裝包。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 電流模型Fig.4 Current model

圖5 電流模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 The internal structure of current model

電流模型為系統(tǒng)提供勵磁電流的給定值，同時由于系統(tǒng)在低速階段運(yùn)行時，電壓模型的誤差較大，因此，在低速運(yùn)行階段，電流模型為系統(tǒng)提供控制所需的磁鏈值。

3 實(shí)際中遇到的問題與分析

3.1 問題

在某現(xiàn)場調(diào)試時，對電機(jī)做往復(fù)升降速實(shí)驗(yàn)，多次在增磁降速時，系統(tǒng)失穩(wěn)，最終導(dǎo)致跳閘自由停車?，F(xiàn)場調(diào)試過程中實(shí)際波形如圖6所示。

圖6 速度波形Fig.6 Speed waveforms figure

同時，在增磁降速過程中，監(jiān)控電機(jī)其他參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有所異常。

圖7為狀態(tài)異常時波形，由圖7可以看出，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入增磁降速段時，本應(yīng)該增磁的磁通沒有增加，反而在下降；在系統(tǒng)封鎖前，轉(zhuǎn)矩電流在正負(fù)50%之間反復(fù)變化；轉(zhuǎn)子附加電流達(dá)到限幅，進(jìn)入飽和區(qū)，定子附加電流也接近限幅。

從表1可以看出，攀枝花典型鈦精礦粒度中，-60～+100目的鈦精礦比例不足30%，這主要是由于攀枝花釩鈦磁鐵礦特性和鈦精礦選礦布局、工藝等原因，導(dǎo)致鈦精礦粒度偏細(xì)，不能用作鹽酸浸出法來制備合格的沸騰氯化原料。并且存在鈦精礦粒度越來越細(xì)化的趨勢，可用于生產(chǎn)人造金紅石的鈦精礦比例逐步下降。

圖7 狀態(tài)異常時的波形Fig.7 Waveforms figure in abnormal state

圖8為狀態(tài)正常時波形，由圖8可以看出，電壓與力矩電流波形在開始降速一瞬間會有一些波動，之后隨著系統(tǒng)的調(diào)節(jié)趨于平穩(wěn)；磁通隨著轉(zhuǎn)速的下降開始增大；轉(zhuǎn)子與定子的附加給定調(diào)節(jié)量大致在正負(fù)15%之間，波動大幅度減小。

圖8 狀態(tài)正常時的波形Fig.8 Waveforms figure in normal state

3.2 分析

式中：φs為磁鏈與α軸夾角，等于轉(zhuǎn)子位置角λ與負(fù)載角φL之和。

由圖7中可以看出定子力矩電流在正負(fù)50%之間波動，而正常制動電流值不會在短時間內(nèi)有如此大的波動，從而判斷形成這樣波形的原因應(yīng)該是由φs的計(jì)算誤差造成。φs為轉(zhuǎn)子位置角λ與負(fù)載角φL之和，λ由編碼器及編碼器模塊得到，在編碼器正常的情況下，λ的值也是準(zhǔn)確的。誤差是在計(jì)算φL時產(chǎn)生的。

φL可以由電壓模型和電流模型計(jì)算得出，在電機(jī)運(yùn)行與高速段時，φs由電壓模型提供。此時電流模型計(jì)算出的φL僅用于勵磁電流給定Ie*的計(jì)算，并且此時的電流模型只為系統(tǒng)提供Ie*，計(jì)算出的其他量皆不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)場調(diào)試過程中，認(rèn)為電機(jī)廠提供的參數(shù)與真實(shí)參數(shù)存在誤差，參考其他電機(jī)參數(shù)與以往調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，將電流模型中Q軸主電抗參數(shù)Lmq減小到60%后，系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)驗(yàn)得以順利通過。

Lmq在電流模型中，被用于圖5的TransferF?cn_q功能塊中，Q軸磁鏈Ψq的計(jì)算為

圖9 不同Q軸電抗值時的負(fù)載角波形Fig.9 Load angle waveforms in different Q?axis reactance value

圖10 不同Q軸電抗值時的勵磁電流波形Fig.10 Excitation current waveforms in different Q?axis reactance value

從圖9中可以看出，在修改Q軸主電抗值后，計(jì)算所得到的負(fù)載角要比修改前的φL小。磁化電流iμ由定子電流is，勵磁電流ie共同產(chǎn)生，其在Φ1軸上的分量為電機(jī)運(yùn)行提供所需磁鏈的給定值由磁鏈調(diào)節(jié)計(jì)算得出：

圖11 增磁降速時向量圖Fig.11 The vector diagram when increasing the magnetic and slowing down the speed

從圖11中明顯看出，當(dāng)負(fù)載角φL計(jì)算錯誤時，勵磁電流Ie增大許多，而用于產(chǎn)生磁鏈的卻在減小。這樣就解釋了為何勵磁電流在增大，而圖7中的磁通卻在減小。同時，由于此時電機(jī)欠磁運(yùn)行，為了滿足轉(zhuǎn)矩的需要，迫使定子產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩電流，從圖8可以看出，正常時轉(zhuǎn)矩電流穩(wěn)定在30%左右，而圖7中的轉(zhuǎn)矩電流在50%附近。

定子附加給定是由電壓給定與實(shí)際電壓的差值ΔUs經(jīng)過比例環(huán)節(jié)得到，而轉(zhuǎn)子附加給定是由ΔUs經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)得到，也就是說，其大小由ΔUs決定。

在速度一定的情況下es同磁通成正比，由上文可知，在Q軸主電抗取值不準(zhǔn)確時，產(chǎn)生的磁通要比實(shí)際所需的小，因此es也會相應(yīng)變小，從而ΔUs增大，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子附加給定過大。由圖8可以看出，在實(shí)際調(diào)試中，將電抗減小后，定轉(zhuǎn)子附加給定最大峰值只有15%左右，相比未改動前，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，說明調(diào)整后的參數(shù)更接近正確參數(shù)。

輸入錯誤的Q軸主電抗值，系統(tǒng)出現(xiàn)異常多發(fā)生在增磁降速的區(qū)域，而弱磁升速過程往往得以順利通過。這主要是因?yàn)橥诫姍C(jī)中的阻尼繞組造成的。

在弱磁加速過程中，阻尼繞組一方面使定子轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)加快；另一方面阻礙了氣隙磁鏈的變化。從而，阻尼繞組對磁鏈減弱的阻礙作用反而增大了加速轉(zhuǎn)矩，有利于電機(jī)的加速特性。

但在增磁降速過程中，阻尼繞組同樣又會阻礙磁鏈的增加，使得本身因?yàn)镼軸主電抗不準(zhǔn)而造成的欠磁雪上加霜。由于欠磁，使得產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不足，負(fù)載角不斷加大，最終導(dǎo)致失步，系統(tǒng)封鎖。

3.3 調(diào)試方法

上文中對Q軸主電抗的調(diào)整，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，比對相似電機(jī)的參數(shù)值做比較粗略的調(diào)整。為了給電流模型提供更加準(zhǔn)確的Q軸主電抗，在電機(jī)高速段加減速運(yùn)行時，把電流模型的磁鏈位置角與電壓模型的磁鏈位置角做比較，以電壓模型的磁鏈位置角為基準(zhǔn)，通過調(diào)整電流模型中Q軸主電抗值使得兩個模型計(jì)算得出磁鏈位置角相同。

基于兩方面考慮：首先，從數(shù)學(xué)模型上來說，在高速段，電壓模型要比電流模型更為準(zhǔn)確；其次，電壓模型在計(jì)算負(fù)載角時，并不需要Q軸主電抗值，因此它可以避免由于Q軸主電抗值不準(zhǔn)確而引起的誤差。

由前文可知，電機(jī)廠提供的參數(shù)存在著一定的誤差，而產(chǎn)生這樣的誤差主要有兩方面原因：首先，在電機(jī)廠進(jìn)行參數(shù)測試時的工況環(huán)境，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際應(yīng)用會有一定的差別；其次，通常Q軸電抗無法通過儀器直接測量，而是通過其他參數(shù)計(jì)算得出，這樣也會產(chǎn)生一些誤差。

4 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試出現(xiàn)的問題，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式與仿真，探究同步電動機(jī)Q軸主電抗對矢量控制系統(tǒng)的影響，通過采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)試方法，得到較為理想的矢量控制性能。

［1］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］李崇堅(jiān).交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.