发电厂用异步电机双闭环矢量控制系统研究

张厚升，于兰兰，杜钦君，朱胜杰

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049）

0 引言

异步电机的节能、高效运行是我国经济发展与社会发展的一项重要战略［1］，具有复杂性和紧迫性。笼型异步电动机在各类发电厂中具有非常重要的作用，例如一次风机用异步电机、送风机电机、磨煤机电机等，异步电机具有环境适应力强、成本较低、结构简单和制造容易等特点，因此异步电机的高效、节能运行关系到发电厂相关的生产过程，同时也关系到发电厂生产的业绩。

对于异步电机的驱动控制技术，目前在发电厂中主要体现在风机、泵类等系统的节能调速运行方面，但是这种节能控制技术主要采用基于异步电机稳态数学模型的变压变频调速模式。目前我国发电厂的各类异步电机的实际运行效率相对国外较低，而且耗电量巨大［2］，这就使得异步电机的节能、高效运行成为研究热点。研究了一种发电厂用异步电机的转速、磁链双闭环矢量控制系统，能够实现电机的稳速运行，为了改善动态性能，引入转矩控制方式。采用转矩内环控制和三相电流滞环PWM控制策略，能让电机在稳态运行时，保证PWM逆变器输出三相正弦电流，实现异步电机输入三相平衡的正弦电流，保证异步电机能产生恒定的电磁转矩。

1 转速磁链双闭环矢量控制系统的原理分析

矢量控制是截至目前三相异步电机交流调速最先进、性能最好的控制方式，通常将含有矢量变换控制的三相异步电动机的控制系统统称为矢量控制系统。实际上，在控制的过程中，仍然是以建立的等效直流电动机模型为控制对象，并按照转子磁链进行准确的定向与控制，这样就能让三相异步电动获得优良的静态和动态性能［2］。

对于传统的按转子磁链定向的矢量控制系统，转速闭环控制虽然能够通过调节电流转矩分量，实现因转子磁链波动引起的电磁转矩的变化，但是这种调节只有当异步电机的转速发生变化以后才能起抗扰作用，为了改善动态性能，本文基于传统控制策略引入了转矩控制方式。

所提出的带转矩内环的转速、磁链双闭环矢量控制系统如图1所示。图1中主电路部分采用交-直-交三相PWM逆变器作为变频主电路，逆变器的控制器采用三相电流滞环PWM控制策略。在控制系统中，采用了3个PI调节器，和传统控制系统相比［3-5］，在转速调节器（ASR）之后增加了一个转矩控制内环，在能有效控制转速的同时，实现对三相异步电机电磁转矩的无静差控制［6-7］。当转子磁链发生波动时，可以通过转矩调节器（ATR）及时调整电流转矩分量给定值，以抵消转子磁链变化的影响，尽可能不影响或者少影响异步电机的转速。由于转子磁链扰动作用点位于转矩环内，所以可以通过转矩反馈来实现对转子磁链波动的抑制[8]，而不需要再通过转速环来实现磁链波动的抑制。ASR的限幅输出值是转矩调节器的输入给定值，而转矩的另一路输入信号，即转矩反馈信号Te来源于矢量控制方程［9－11］

式中：Te为电磁转矩；np为极对数；Lm为两相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感值；ist为异步电机经3s／2r（三相静止坐标系／两相旋转坐标系）变换后得到的定子电流的转矩分量；Ψr为异步电机转子磁链；Lr为两相坐标系上转子绕组的自感值。

图1中的磁链调节器（ApsiR）用于对异步电机定子磁链的控制，并设置了相应的电流变换和磁链观测环节，磁链按照矢量控制方程式（2）来进行计算与控制。

式中：Tr为异步电机转子电磁时间常数，Tr＝Lm／Rr，其中Rr为折算到定子侧的转子一相绕组电阻值；ism为异步电机经3s／2r变换后得到的定子电流的励磁分 量［10-11］。

异步电机的转差角频率满足

式中：ωs为异步电机的转差角频率；ω1为定子频率；ω为转子角速度。通过矢量控制方程（3）可以计算出异步电机的转差角频率ωs和定子频率ω1，且ω1=ω+ωs。

ATR和ApsiR的输出分别是异步电机定子电流的转矩分量给定值i*st和励磁分量的给定值i*sm，给定值i*st和i*sm经过2r／3s变换后得到三相定子电流的给定值i*sa、i*sb和i*sc，通过三相电流滞环跟踪PWM控制逆变器之后就可以控制异步电机的三相定子电流［10］，从而实现对异步电机的调速控制，进而能有效地拖动电厂风机或者其他相关负载运行。

图1 控制系统原理

2 电流滞环PWM控制器原理分析

电流滞环PWM控制技术可以使PWM逆变器的输出电流实时跟踪给定电流的波形变化而近似呈现正弦波，是一种PWM控制方式。常用的电流滞环PWM控制技术一般采用滞环控制［11］，即：当逆变器实际的输出电流值与给定电流值（参考电流信号，一般为正弦波）的偏差超过某一个数值时，系统改变逆变器的工作状态，使PWM逆变器的输出电流减小或者增加，进而能将实际的输出电流值与给定电流值的偏差控制在一定误差范围内，下面以单相（或者单桥臂）为例进行说明，其工作原理如图2（a）所示。

图2 滞环控制原理

图2 （a）中开关管VT1和开关管VT2组成PWM逆变器的一相桥臂，L是其感性负载，实时检测负载电流i并与参考电流给定值i*进行比较，将电流偏差信号Δi=i*-i送入滞环控制器H1和H2，当偏差信号超过滞环控制器的环宽ΔI时，则改变PWM逆变器的开关状态，且当开关管VT1导通时，相当于电感储能，电路中的负载电流增加，开关管VT2导通时，电路中的负载电流减小。其脉冲驱动波形和电流波形如图2（b）所示，在t1时刻，开关管VT1导通，电路中的负载电流 i开始增加，直至 t2时刻，i＞i*+ΔI，开关管VT1关断而开关管VT2导通，电路中的负载电流i开始下降，至 t3时刻，i＜i*-ΔI，开关管 VT2 关断而开关管VT1导通。如此周而复始，PWM逆变器实际的输出电流值i将跟随给定正弦电流值i*而做锯齿形变化，滞环控制器的环宽2ΔI决定了锯齿形变化的范围，而且环宽2ΔI越小，PWM逆变器输出电流的跟踪效果越好，但是相应PWM逆变器的开关频率也就越高，开关损耗相应也会增加，所以，在电流跟踪型滞环PWM控制逆变器中选择合适的环宽2ΔI非常重要。

3 系统建模与参数设置

所建立的带转矩内环转速、磁链双闭环三相异步电动机矢量控制系统如图3所示。系统的主要仿真参数如表1所示。图3中电流跟踪控制环节采用三相电流滞环PWM控制技术，环宽设为0.95。图3中，逆变器模块采用IGBT／Diode，其他参数取默认值，Current model是电流变换与磁链观测仿真模型，其电路模型如图4所示，图中从Demux上出来3个物理量ism、ist和i0，由于不需要 0轴的物理量 i0，所以将其封锁，ism即为d轴的励磁电流分量，乘以Lm=0.069 3 H，再乘以 1／（Trs+1），就得到转子磁链 Ψr，在函数模块Fcn1中，0.069 3是Lm的数值，u(1)是 ist信号，u（2）是 Ψr信号，0.087 4 是 Tr的数值，由于 u（2）是转子磁链信号，它是一个变量，为了防止在仿真过程中出现传递函数分母为0而使仿真过程终止，在分母中专门加了一个很小的数值0.001。Fcn1模块的输出就是转差频率ωs，同转速信号相加，就成为定子频率信号ω1，对其积分后，即可得到旋转相位角信号。进而可以设置sin和cos信号。

为了抑制电磁转矩Te和电机转子磁链的相互耦合，在图3所示仿真模型中设置了函数模块Fcn，其中2是极对数，0.069 3是Lm的数值，u（1）是转子磁链信号，u（2）是ist信号，它的输出就是异步电机的转矩输出信号Te。

图3 带转矩内环的转速磁链双闭环三相异步电动机矢量控制系统仿真模型

图4 电流变换与磁链观测仿真模型

由于从电机检测端m出来的转速信号单位为弧度，采用 Gain 模块并取值为 60／（2π）=9.55，将其变换为转速信号，连接至ASR的输入端口，ASR、ATR和ApsiR均采用带饱和限幅的PI调节器，并分别对其积分环节和PI环节的输出进行限幅，限幅值如表1所示。

4 系统仿真验证

假设三相异步电机空载状态下启动，并令转速给定值n*=1 400 r／min，系统空载启动并达到稳定后，在0.6 s电机加载60 N·m，系统的仿真波形如图5所示。

表1 系统的主要仿真参数

图 5（a）、图 5（b）和图 5（c）分别给出了三相异步电机的实时转速、电流和转矩的仿真波形。图5（d）、图5（e）和图5（f）分别给出了三相异步电机矢量控制系统中3个PI调节器即：ASR、ATR和ApsiR的输出仿真波形。从图（a）中可以看出，三相异步电机在矢量控制和滞环电流跟踪控制的作用下，电机的转速能够实现平稳上升。在到达0.35 s时，三相异步电机的转速上升至给定转速，实现了输出对输入的无静差跟踪。而且在0.6 s电机加载55 N·m（额定负载为60 N·m）时，电机的转速略有下降，但能基本维持在1 400 r／min左右，实现了转速的无静差调节。

图5 异步电机转速磁链双闭环矢量控制系统的仿真波形

由图 5（d）、图 5（e）和图 5（f）可知，在启动过程中，转速调节器（ASR）、转矩调节器（ATR）和磁链调节器（ApsiR）均处于饱和限幅状态，它们的输出值均为相应的饱和限幅值，由此可以保证三相异步电机定子电流的电磁转矩Te和励磁电流分量都保持为最大值且恒定不变。所以，系统在经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系（2r／3s）的变换后，得到的三相滞环电流控制PWM逆变器的定子电流给定值和比较平稳，如图5（g）所示，从而能保证异步电机在启动过程中，电机的三相定子电流基本保持不变，如图 5（b）所示为 A相电流，图 5（h）为三相定子电流，由此可见，系统实现了恒流升速启动。从图5（c）所示异步电机启动过程中的转矩波形来看，在异步电机空载启动时的转矩波动较大，说明磁链参数还有进一步优化的空间。

图6和图7分别是矢量控制三相异步电动机的定子磁链轨迹和静特性 （闭环系统中转速与转转矩的关系）的仿真波形，在启动时，异步电机磁链呈现螺旋增加状态，而且这种螺旋增加的过程相对比较均匀、光滑，但是受到磁链调节器（ApsiR）PI调节参数的影响，磁链增加的过程比较漫长，从而使图7所示异步电机机械特性曲线中的恒转矩升速阶段（AB段）相对偏小。

图6 异步电机的定子磁链仿真轨迹

图7 异步电机的机械特性仿真曲线

3 结语

研究一种电厂用异步电机转速、磁链双闭环矢量控制系统，在分析其主控电路结构与工作原理的基础上，以单相桥臂为例，分析了三相电流滞环PWM控制策略。建立带转矩内环的转速、磁链双闭环异步电机矢量控制系统的仿真模型，对照系统原理框图，分析了各个主要仿真模块及其参数的设置。仿真结果表明：

1）异步电机带载运行时，能够有效抑制负载的扰动，而且能够实现恒流升速过程，进入稳态后能保证电机稳速运行。

2）由于同时采用了转矩内环控制和三相电流滞环PWM控制策略，在保证电机平稳运行的同时，还能保证PWM逆变器输出三相正弦电流，实现异步电机输入三相平衡的正弦电流，保证异步电机能产生恒定的电磁转矩和比较光滑的圆形旋转磁场轨迹。

3）由于采用了转矩闭环控制，和传统的矢量控制相比，转矩调节器能对转子磁链的波动起及时抗扰作用，有效改善系统的动态性能。

4）静特性曲线也较好地说明了系统的抗干扰能力。

5）系统的不足之处在于：当异步电机空载起动时的转矩波动较大，说明磁链参数还可以进一步进行优化。