绕线式异步电机双馈调速系统控制分析

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（上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072）

1 引言

绕线式异步电动机经常应用于启动转矩大或要求调速的场合［1］。其传统的调速控制方法有两种：一是在转子回路串联电阻，其本质是改变转子外串电阻中的转差功率达到调速的目的，属于转差功率消耗型，其效率低，技术经济性能指标差［2］；二是串级调速系统，传统的串级调速系统采用普通晶闸管控制［3］，调速范围窄、功率因数低、谐波含量大［4-6］。文献［7］提出了基于电压型双PWM整流器、采用内模解耦控制的串级调速方案。本文针对绕线异步电机在串级调速控制中存在的问题，提出基于电压型双PWM变换器的双馈调速方案，采用电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术，实现亚同步、同步和超同步宽范围内的调速控制。提高了功率因数，降低了电机定子、转子电流畸变，有效抑制谐波污染。

2 异步电机双馈调速系统原理

控制绕线异步电动机转子绕组电压，通过改变其转差功率来实现调速，构成转差功率双向流动型双馈调速系统。采用双PWM变换器的双馈调速系统结构如图1所示。

图1 绕线异步电机双馈调速原理图Fig.1 Diagram of doubly-fed speed-regulating system for asynchronous motor

图1中电机定子绕组直接与电网连接，转子绕组通过双PWM变换器与电网相连，使它们可以进行电功率的相互传递。转差功率可以由转子输出至电网或由电网输入转子。至于电磁功率的流向，则要视电动机的工况而定。依靠对励磁电流的频率、相位和大小进行调节，实现变速运行，同时还可以进行无功调节，提高电机的功率因数。

网侧和机侧均采用三相电压型PWM变换器。网侧PWM变换器的作用是控制直流母线电压的稳定和获得良好的输入性能；转子侧PWM变换器的主要任务是通过对电机转子电流的有效控制实现对电机转速或有功功率、无功功率的控制。

3 网侧PWM变换器的控制策略

研究网侧变换器的动态、稳态运行性能及其控制策略，首先要建立其数学模型。网侧PWM变换器的主电路如图2所示， 其中，ua，ub，uc分别为三相电网相电压，ia，ib，ic分别为网侧PWM变换器交流侧的三相输入电流；Udc为直流母线电压；iload为直流侧的负载电流；L为每相进线电感；R为包括电感电阻在内的每相线路的电阻；C为直流母线电容。

图2 网侧PWM变换器主电路图Fig.2 Main circuit schematic of grid side converter

图2中的功率器件均为理想开关，根据基尔霍夫电压定理可以得到其回路方程

式中：uNn为参考点与电网中性点之间的电压（N为参考点），uaN，ubN，ucN为各自桥臂上的电压。用开关函数可以表示成

式中：Sa，Sb，Sc为三相桥臂的开关状态函数，Si=1表示上桥臂开通，Si=0表示下桥臂开通，(i=a，b，c)。

又由基尔霍夫电流定理得到：

根据变换前后功率守恒的原则将原坐标系下的各个物理量经过同步旋转变换到同步旋转坐标系下，得到同步旋转dq坐标系下网侧PWM变换器的数学模型为

式中：ω1为电网电压角速度；ud，uq分别为电网电压的 d，q分量；id，iq分别为输入电流的 d，q分量。按电网电压矢量定向后，由式（4）得到：

为保持直流母线电压稳定，输入电流正弦且功率因数可调的功能，采用电压电流双闭环的控制策略，其中电压环为外环，电流环为内环，控制框图如图3所示。

图3 网侧PWM变换器电压、电流双闭环控制框图Fig.3 Block diagram of voltage，current double closed loop control for grid side converter

4 转子侧PWM变换器的控制策略

对于转子侧PWM变换器，近年来不同的控制策略被提出，文献［8］给出了双馈电机定子磁链定向矢量控制策略，在该控制系统中，由于要观测定子磁链，增加了控制系统的复杂性。本文给出了双馈电机定子电压定向矢量控制策略。

4.1 双馈电机的数学模型

绕线电机作为双馈电机运行时，其在同步旋转dq坐标系下的电压方程和磁链方程为

式中：us，ur分别为定、转子电压矢量；is，ir分别为定、转子电流矢量；Ψs，Ψr分别为定、转子磁链矢量；Lm=3/2Lms，Lms为定子互感；Ls=Lls+Lm，Lls为定子漏感；Lr=Llr+Lm，Llr为转子漏感。

令定子磁链满足：

则由式（6）～式（8）可得：

当电机稳定运行时，式（9）简化为

将式（8）和式（11）写为 dq 分量的形式有

4.2 定子电压定向的矢量控制策略

本方案采用定子电压定向的矢量控制系统。由式（11）可知，在忽略定子电阻Rs的情况下有

当同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量 us时，由式（11）和式（13）可得：

由式（11）、式（12）、式（14）可得：

根据式(15)得到如图4所示的基于定子电压定向的转速、电流双闭环控制结构框图。

图4 双馈电机定子电压定向矢量控制结构框图Fig.4 Block diagram of doubly-fed motor based on stator voltage oriented vector control

5 实验分析及结论

为验证控制方案的可行性，搭建了双馈调速系统实验平台。实验参数为：绕线异步电机额定功率 3 kW，定子额定电压380 V/50 Hz，转子开路电压196 V，转子额定电流9.6 A，同步转速n1=1 500 r/min；双PWM变换器分别采用2个由英飞凌XC2785单片机控制的IPM-PM50RLA120模块。直流母线电压200 V，PWM变换器开关频率为10 kHz。

在不同工况下，系统实验波形如图5～图8所示。由图5可以看出，随着转速的变化，转子电流的频率相应变化，定子电压（电流）的频率恒为50 Hz，以确保电机作发电运行时的变速恒频，其中同步速时转子电流为直流；由图6可以看出，当电动机分别工作于亚同步、同步和超同步3个典型区域时，网侧均能实现单位功率因数，同步转速时转差功率为零，电网电流几乎为零；图7说明当电机运行于转速为800 r/min，1 500 r/min，1 800 r/min的3个典型区域时，直流母线电压均保持恒定；由图8看出，在3个典型区域，电机可分别工作在感性、单位功率因数和容性状态下，可任意调节无功功率。

图5 定子相电流与转子相电流波形Fig.5 Waveforms of stator and rotor phase currents

图6 网侧相电压与相电流波形Fig.6 Waveforms of grid phase voltage and phase current

图7 直流母线电压波形Fig.7 Waveform of DC link voltage

图8 定子相电压与相电流波形Fig.8 Waveforms of stator phase voltage and phase current

采用电压型双PWM变流器构成的双馈调速系统，可平稳实现调速和功率因数的调节，调速范围为800～2 000 r/min，功率因数在0～1之间可调。实验电流、电压波形正弦度好，谐波含量小，进一步论证了控制方案的可行性与有效性。

［1］解仓，杜仑，董冀媛，等.大容量异步电动机双馈调速系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］邓建国，罗德荣.异步电动机转子串电抗和电阻调速方法探讨［J］.电机电器技术，2001，56(3):9-10.

［3］赵梅花，辛伊波.绕线式异步电动机串级调速的应用［J］.机电产品开发与创新，2007，20（4）:146-148.

［4］Zhang Chunjiang，Gu Herong.Mathematical Model of Threephase PWM Rectifier Based on a Novel Phase and Amplitude Control［J］.Proceedings of the CSEE，2003，23(7):28-31.

［5］De Doncker R W，Muller S，Deicke M.Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines［J］.IEEE Ind.Appl.，2002，8（3）：820-827.

［6］马小亮，刘志强.高功率因数串级调速系统的研究［J］.电力电子技术，2002，36（2）:1-3.

［7］全吉男，王聪.基于双PWM整流器绕线异步电机串级调速控制［J］.电力电子技术，2009，43（11）:38-40.

［8］赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究［D］.杭州：浙江大学，2005.