張厚升，于蘭蘭，杜欽君，朱勝杰

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

0 引言

異步電機的節(jié)能、高效運行是我國經(jīng)濟發(fā)展與社會發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略［1］，具有復雜性和緊迫性。籠型異步電動機在各類發(fā)電廠中具有非常重要的作用，例如一次風機用異步電機、送風機電機、磨煤機電機等，異步電機具有環(huán)境適應(yīng)力強、成本較低、結(jié)構(gòu)簡單和制造容易等特點，因此異步電機的高效、節(jié)能運行關(guān)系到發(fā)電廠相關(guān)的生產(chǎn)過程，同時也關(guān)系到發(fā)電廠生產(chǎn)的業(yè)績。

對于異步電機的驅(qū)動控制技術(shù)，目前在發(fā)電廠中主要體現(xiàn)在風機、泵類等系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)速運行方面，但是這種節(jié)能控制技術(shù)主要采用基于異步電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的變壓變頻調(diào)速模式。目前我國發(fā)電廠的各類異步電機的實際運行效率相對國外較低，而且耗電量巨大［2］，這就使得異步電機的節(jié)能、高效運行成為研究熱點。研究了一種發(fā)電廠用異步電機的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的穩(wěn)速運行，為了改善動態(tài)性能，引入轉(zhuǎn)矩控制方式。采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制和三相電流滯環(huán)PWM控制策略，能讓電機在穩(wěn)態(tài)運行時，保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實現(xiàn)異步電機輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1 轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的原理分析

矢量控制是截至目前三相異步電機交流調(diào)速最先進、性能最好的控制方式，通常將含有矢量變換控制的三相異步電動機的控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)。實際上，在控制的過程中，仍然是以建立的等效直流電動機模型為控制對象，并按照轉(zhuǎn)子磁鏈進行準確的定向與控制，這樣就能讓三相異步電動獲得優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)性能［2］。

對于傳統(tǒng)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制雖然能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)因轉(zhuǎn)子磁鏈波動引起的電磁轉(zhuǎn)矩的變化，但是這種調(diào)節(jié)只有當異步電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化以后才能起抗擾作用，為了改善動態(tài)性能，本文基于傳統(tǒng)控制策略引入了轉(zhuǎn)矩控制方式。

所提出的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中主電路部分采用交-直-交三相PWM逆變器作為變頻主電路，逆變器的控制器采用三相電流滯環(huán)PWM控制策略。在控制系統(tǒng)中，采用了3個PI調(diào)節(jié)器，和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比［3-5］，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）之后增加了一個轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，在能有效控制轉(zhuǎn)速的同時，實現(xiàn)對三相異步電機電磁轉(zhuǎn)矩的無靜差控制［6-7］。當轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動時，可以通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）及時調(diào)整電流轉(zhuǎn)矩分量給定值，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化的影響，盡可能不影響或者少影響異步電機的轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)子磁鏈擾動作用點位于轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)，所以可以通過轉(zhuǎn)矩反饋來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鏈波動的抑制[8]，而不需要再通過轉(zhuǎn)速環(huán)來實現(xiàn)磁鏈波動的抑制。ASR的限幅輸出值是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入給定值，而轉(zhuǎn)矩的另一路輸入信號，即轉(zhuǎn)矩反饋信號Te來源于矢量控制方程［9－11］

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對數(shù)；Lm為兩相坐標系上同軸定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感值；ist為異步電機經(jīng)3s／2r（三相靜止坐標系／兩相旋轉(zhuǎn)坐標系）變換后得到的定子電流的轉(zhuǎn)矩分量；Ψr為異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈；Lr為兩相坐標系上轉(zhuǎn)子繞組的自感值。

圖1中的磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）用于對異步電機定子磁鏈的控制，并設(shè)置了相應(yīng)的電流變換和磁鏈觀測環(huán)節(jié)，磁鏈按照矢量控制方程式（2）來進行計算與控制。

式中：Tr為異步電機轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，Tr＝Lm／Rr，其中Rr為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子一相繞組電阻值；ism為異步電機經(jīng)3s／2r變換后得到的定子電流的勵磁分 量［10-11］。

異步電機的轉(zhuǎn)差角頻率滿足

式中：ωs為異步電機的轉(zhuǎn)差角頻率；ω1為定子頻率；ω為轉(zhuǎn)子角速度。通過矢量控制方程（3）可以計算出異步電機的轉(zhuǎn)差角頻率ωs和定子頻率ω1，且ω1=ω+ωs。

ATR和ApsiR的輸出分別是異步電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量給定值i*st和勵磁分量的給定值i*sm，給定值i*st和i*sm經(jīng)過2r／3s變換后得到三相定子電流的給定值i*sa、i*sb和i*sc，通過三相電流滯環(huán)跟蹤PWM控制逆變器之后就可以控制異步電機的三相定子電流［10］，從而實現(xiàn)對異步電機的調(diào)速控制，進而能有效地拖動電廠風機或者其他相關(guān)負載運行。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2 電流滯環(huán)PWM控制器原理分析

電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)可以使PWM逆變器的輸出電流實時跟蹤給定電流的波形變化而近似呈現(xiàn)正弦波，是一種PWM控制方式。常用的電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)一般采用滯環(huán)控制［11］，即：當逆變器實際的輸出電流值與給定電流值（參考電流信號，一般為正弦波）的偏差超過某一個數(shù)值時，系統(tǒng)改變逆變器的工作狀態(tài)，使PWM逆變器的輸出電流減小或者增加，進而能將實際的輸出電流值與給定電流值的偏差控制在一定誤差范圍內(nèi)，下面以單相（或者單橋臂）為例進行說明，其工作原理如圖2（a）所示。

圖2 滯環(huán)控制原理

圖2 （a）中開關(guān)管VT1和開關(guān)管VT2組成PWM逆變器的一相橋臂，L是其感性負載，實時檢測負載電流i并與參考電流給定值i*進行比較，將電流偏差信號Δi=i*-i送入滯環(huán)控制器H1和H2，當偏差信號超過滯環(huán)控制器的環(huán)寬ΔI時，則改變PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)，且當開關(guān)管VT1導通時，相當于電感儲能，電路中的負載電流增加，開關(guān)管VT2導通時，電路中的負載電流減小。其脈沖驅(qū)動波形和電流波形如圖2（b）所示，在t1時刻，開關(guān)管VT1導通，電路中的負載電流 i開始增加，直至 t2時刻，i＞i*+ΔI，開關(guān)管VT1關(guān)斷而開關(guān)管VT2導通，電路中的負載電流i開始下降，至 t3時刻，i＜i*-ΔI，開關(guān)管 VT2 關(guān)斷而開關(guān)管VT1導通。如此周而復始，PWM逆變器實際的輸出電流值i將跟隨給定正弦電流值i*而做鋸齒形變化，滯環(huán)控制器的環(huán)寬2ΔI決定了鋸齒形變化的范圍，而且環(huán)寬2ΔI越小，PWM逆變器輸出電流的跟蹤效果越好，但是相應(yīng)PWM逆變器的開關(guān)頻率也就越高，開關(guān)損耗相應(yīng)也會增加，所以，在電流跟蹤型滯環(huán)PWM控制逆變器中選擇合適的環(huán)寬2ΔI非常重要。

3 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置

所建立的帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表1所示。圖3中電流跟蹤控制環(huán)節(jié)采用三相電流滯環(huán)PWM控制技術(shù)，環(huán)寬設(shè)為0.95。圖3中，逆變器模塊采用IGBT／Diode，其他參數(shù)取默認值，Current model是電流變換與磁鏈觀測仿真模型，其電路模型如圖4所示，圖中從Demux上出來3個物理量ism、ist和i0，由于不需要 0軸的物理量 i0，所以將其封鎖，ism即為d軸的勵磁電流分量，乘以Lm=0.069 3 H，再乘以 1／（Trs+1），就得到轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr，在函數(shù)模塊Fcn1中，0.069 3是Lm的數(shù)值，u(1)是 ist信號，u（2）是 Ψr信號，0.087 4 是 Tr的數(shù)值，由于 u（2）是轉(zhuǎn)子磁鏈信號，它是一個變量，為了防止在仿真過程中出現(xiàn)傳遞函數(shù)分母為0而使仿真過程終止，在分母中專門加了一個很小的數(shù)值0.001。Fcn1模塊的輸出就是轉(zhuǎn)差頻率ωs，同轉(zhuǎn)速信號相加，就成為定子頻率信號ω1，對其積分后，即可得到旋轉(zhuǎn)相位角信號。進而可以設(shè)置sin和cos信號。

為了抑制電磁轉(zhuǎn)矩Te和電機轉(zhuǎn)子磁鏈的相互耦合，在圖3所示仿真模型中設(shè)置了函數(shù)模塊Fcn，其中2是極對數(shù)，0.069 3是Lm的數(shù)值，u（1）是轉(zhuǎn)子磁鏈信號，u（2）是ist信號，它的輸出就是異步電機的轉(zhuǎn)矩輸出信號Te。

圖3 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)三相異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 電流變換與磁鏈觀測仿真模型

由于從電機檢測端m出來的轉(zhuǎn)速信號單位為弧度，采用 Gain 模塊并取值為 60／（2π）=9.55，將其變換為轉(zhuǎn)速信號，連接至ASR的輸入端口，ASR、ATR和ApsiR均采用帶飽和限幅的PI調(diào)節(jié)器，并分別對其積分環(huán)節(jié)和PI環(huán)節(jié)的輸出進行限幅，限幅值如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真驗證

假設(shè)三相異步電機空載狀態(tài)下啟動，并令轉(zhuǎn)速給定值n*=1 400 r／min，系統(tǒng)空載啟動并達到穩(wěn)定后，在0.6 s電機加載60 N·m，系統(tǒng)的仿真波形如圖5所示。

表1 系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)

圖 5（a）、圖 5（b）和圖 5（c）分別給出了三相異步電機的實時轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩的仿真波形。圖5（d）、圖5（e）和圖5（f）分別給出了三相異步電機矢量控制系統(tǒng)中3個PI調(diào)節(jié)器即：ASR、ATR和ApsiR的輸出仿真波形。從圖（a）中可以看出，三相異步電機在矢量控制和滯環(huán)電流跟蹤控制的作用下，電機的轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)上升。在到達0.35 s時，三相異步電機的轉(zhuǎn)速上升至給定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了輸出對輸入的無靜差跟蹤。而且在0.6 s電機加載55 N·m（額定負載為60 N·m）時，電機的轉(zhuǎn)速略有下降，但能基本維持在1 400 r／min左右，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。

圖5 異步電機轉(zhuǎn)速磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的仿真波形

由圖 5（d）、圖 5（e）和圖 5（f）可知，在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）和磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）均處于飽和限幅狀態(tài)，它們的輸出值均為相應(yīng)的飽和限幅值，由此可以保證三相異步電機定子電流的電磁轉(zhuǎn)矩Te和勵磁電流分量都保持為最大值且恒定不變。所以，系統(tǒng)在經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到三相靜止坐標系（2r／3s）的變換后，得到的三相滯環(huán)電流控制PWM逆變器的定子電流給定值和比較平穩(wěn)，如圖5（g）所示，從而能保證異步電機在啟動過程中，電機的三相定子電流基本保持不變，如圖 5（b）所示為 A相電流，圖 5（h）為三相定子電流，由此可見，系統(tǒng)實現(xiàn)了恒流升速啟動。從圖5（c）所示異步電機啟動過程中的轉(zhuǎn)矩波形來看，在異步電機空載啟動時的轉(zhuǎn)矩波動較大，說明磁鏈參數(shù)還有進一步優(yōu)化的空間。

圖6和圖7分別是矢量控制三相異步電動機的定子磁鏈軌跡和靜特性 （閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系）的仿真波形，在啟動時，異步電機磁鏈呈現(xiàn)螺旋增加狀態(tài)，而且這種螺旋增加的過程相對比較均勻、光滑，但是受到磁鏈調(diào)節(jié)器（ApsiR）PI調(diào)節(jié)參數(shù)的影響，磁鏈增加的過程比較漫長，從而使圖7所示異步電機機械特性曲線中的恒轉(zhuǎn)矩升速階段（AB段）相對偏小。

圖6 異步電機的定子磁鏈仿真軌跡

圖7 異步電機的機械特性仿真曲線

3 結(jié)語

研究一種電廠用異步電機轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在分析其主控電路結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，以單相橋臂為例，分析了三相電流滯環(huán)PWM控制策略。建立帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，對照系統(tǒng)原理框圖，分析了各個主要仿真模塊及其參數(shù)的設(shè)置。仿真結(jié)果表明：

1）異步電機帶載運行時，能夠有效抑制負載的擾動，而且能夠?qū)崿F(xiàn)恒流升速過程，進入穩(wěn)態(tài)后能保證電機穩(wěn)速運行。

2）由于同時采用了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制和三相電流滯環(huán)PWM控制策略，在保證電機平穩(wěn)運行的同時，還能保證PWM逆變器輸出三相正弦電流，實現(xiàn)異步電機輸入三相平衡的正弦電流，保證異步電機能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩和比較光滑的圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡。

3）由于采用了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，和傳統(tǒng)的矢量控制相比，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器能對轉(zhuǎn)子磁鏈的波動起及時抗擾作用，有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

4）靜特性曲線也較好地說明了系統(tǒng)的抗干擾能力。

5）系統(tǒng)的不足之處在于：當異步電機空載起動時的轉(zhuǎn)矩波動較大，說明磁鏈參數(shù)還可以進一步進行優(yōu)化。