大型同步電機靜止變頻器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究

摘要：針對大型同步電機靜止變頻器起動過程中的電流控制難題，在對同步電機起動過程中電磁轉矩分析的基礎上，提出了轉速、電流雙閉環(huán)控制方案，在靜止變頻器控制系統(tǒng)中引入轉速、電流雙閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)起動過程的電流控制及到達同步轉速后轉速無靜差。通過在鼓風站實際應用證明，采用本控制方法可以有效解決大型同步電機靜止變頻器的起動問題，為靜止變頻器控制策略提供了可靠的理論及實踐依據(jù)。

關鍵詞：靜止變頻器；大型同步電機；雙閉環(huán)控制；電磁轉矩

1、引言

隨著工業(yè)產業(yè)規(guī)?；椒サ募涌欤鳛楣I(yè)裝置原動力的電動機單機容量也日益擴大。大型電動機控制技術的發(fā)展對電動機向大容量方向發(fā)展起到了推波助瀾的作用。各種起動技術的產生與應用都有力地促使企業(yè)采用大型電機作為重型工業(yè)的原動力。大型同步電動機起動方式中，靜止變頻器（SFC）起動方式具有軟起動性能，對電網干擾小，速度上升平滑，自動化、可靠性程序高等特點。其原理是利用晶閘管變頻裝置產生頻率由零到額定頻率值的交流電源，同步地將機組拖動起動，當機組逐漸升至額定轉速，滿足同期條件時，將機組并入電網，同時切除變頻裝置。變頻器的控制系統(tǒng)，是整個變頻器的核心，控制策略成為其關鍵技術之一。本文研究的是雙閉環(huán)控制方式在靜止變頻器中的應用。

2、同步電動機靜止變頻調速系統(tǒng)模型及電磁轉矩分析

圖1為靜止變頻調速系統(tǒng)主回路，R∑為主回路等效電阻，包括濾波電抗器電阻、電樞繞組兩相的電阻以及晶閘管正向壓降的等效電阻等；Ud為整流橋輸出直流電壓uD穩(wěn)態(tài)平均值；E為反電勢折算到逆變器直流側的直流電勢e穩(wěn)態(tài)平均值。

（1）整流橋的傳遞函數(shù)

根據(jù)整流橋的輸出電壓表達式可得整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

式中，TS為整流裝置滯后時間常數(shù)；KS為三相整流橋放大系數(shù)。

考慮換相重疊角后，三相整流橋的輸出直流電壓Ud與交流側相電壓有效值Us間的關系可用下式表示：

由于通常情況下整流橋換相重疊角μs比較小，Us為交流側相電壓有效值。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，直流母線電壓Ud可通過上式計算并之后處理得到，因此，整流橋放大系數(shù)可取KS=1[2]。

（2）自控式同步電動機的傳遞函數(shù)

系統(tǒng)正常工作時，除晶閘管換流階段，逆變橋上下橋臂各有一個晶閘管導通，電流流經同步電動機兩相定子電樞繞組。電機旋轉過程中，電樞繞組上產生感應電動勢Ea，Eb，Ec，設其有效值為E。分析直流回路，穩(wěn)態(tài)時逆變橋輸入側、輸出側電壓折算關系滿足：

式中γ為逆變超前角，μ為逆變橋晶閘管換相重疊角，其大小可根據(jù)下式進行計算：

穩(wěn)態(tài)時逆變橋輸入側、輸出側電流折算關系滿足：

式中，I為流入電機定子電流的有效值。

在忽略逆變橋及平波電抗器的損耗情況下，電機輸入功率可表達成：

圖2為定子繞組內阻不作考慮的自控式同步電動機相量圖，電動機帶負載時的電樞反電動勢E與空載時E0之間存在一個相位差δ（稱為功率角）。

由此可推導出自控式變頻起動過程中，同步電機要實現(xiàn)逆變橋的換流，電流需超前于電壓一定相位，電機呈容性工作狀態(tài)。

根據(jù)圖2中相量關系可知，電磁轉矩的計算表達式：

式中Ce為電動勢系數(shù)，在考慮換流重疊角的情況下，負載換流同步電機電磁轉矩的計算主要有兩部分組成：由勵磁磁場與定子磁場相互作用產生的電磁轉矩和由電機轉子凸極效應產生的反應轉矩、計算過程復雜。一般情況下，反應轉矩的值比較小，通常忽略不計，此時同步電機的電磁轉矩公式具有直流電機轉矩公式相似的形式：

根據(jù)相量關系，可以得到電機相電勢E與空載電勢E0的關系，結合近似處理后的電磁轉矩公式，相應得到：

通常情況下，雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能及抗擾性能良好，進行調節(jié)器分析及設計時可以忽略換相角μ、μs，以及反應轉矩的影響，并令γ0=60°。

3、靜止變頻起動雙閉環(huán)控制系統(tǒng)構成分析

根據(jù)上一節(jié)分析，保持轉子磁通及空載換流超前角γ0不變，通過控制直流母線電流ID即可控制加速啟動過程所需的電磁轉矩。與直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)類似，要實現(xiàn)起動過程的電流控制及到達同步轉速后轉速無靜差，需引入轉速、電流雙閉環(huán)控制。

轉子位置檢測環(huán)節(jié)是通過機端電壓過零點檢測來實現(xiàn)轉子位置區(qū)間的判斷。將轉速環(huán)的輸出作為電流內環(huán)的給定信號，與直流電流反饋值比較后得到誤差信號，經電流調節(jié)器輸出為晶閘管觸發(fā)移相信號。采用恒定逆變超前角γ0控制保證逆變器的可靠換流，其中，同步電機定子電流的頻率和相位由逆變器輸出決定。

4、雙閉環(huán)控制在實際中的應用

采用交-直-交方式。包括降壓變壓器，整流晶閘管直流平波電抗器、逆變晶閘管，升壓變壓器，同步并網裝置，轉子位置檢測等部分，形成Y-△兩條回路。變頻起動經歷靜止轉子起動，低速起動，高速起動，同期調節(jié)，并網等5個過程。Y-△回路均采用雙閉環(huán)控制，根據(jù)啟動前給定的起動轉速曲線，調節(jié)輸出頻率，在規(guī)定時間內將電機代入全速[5]。

試驗平臺采用40000kW同步電機，額定轉速為3000r/min，額定電壓為10kV，額定勵磁電流為150A。綠線為△路電網側AB線電壓；黃線為△路逆變側UV線電壓，為Y路直流側電流，藍線為△路直流側電流。

直流側電流曲線，其中綠色為電機轉速，藍色為△回路直流側電流曲線，紅色為Y器路直流側電流曲線，可以觀察家出兩條回路在啟動過程中大小基本一致，電機轉速斜線上升，到接近額定轉速時成功并網，將電機同步帶入工頻運行。

5、結論

本文針對大型同步電機靜止變頻器控制方式進行分析，介紹了大型同步電機靜止變頻器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計原理。通過分析同步電機起動過程的電磁轉矩，引入轉速、電流雙閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)起動過程的電流控制及到達同步轉速后轉速無靜差。并通過實驗數(shù)據(jù)加以論證，且在武漢鋼鐵集團二號鼓風站等現(xiàn)場采用該方法起動中都獲得成功，為靜止變頻器控制策略提供了可靠的理論及實踐依據(jù)。

參考文獻：

[1]余龍海.開關變壓器軟起動技術分析：[J].《電氣技術》2008中國電工技術學會

[2]李鵬，李崇堅，朱春毅.負載換流同步電機調速系統(tǒng)的換流分析[C].全國冶金自動化信息網2010年年會.青島.2010.

作者簡介：

胡德洪、男、1968年4月出生，畢業(yè)于中國地質大學計算機應用專業(yè)，副教授職稱，襄陽市學科帶頭人。為襄陽汽車職業(yè)技術學院機電與電子信息工程系教師。主要從事電工電子及計算機類教學及管理。主持或參與省級課題四個，發(fā)表專業(yè)和教改論文十余篇，指導學生參加國家級技能大賽獲一等獎一次，獲實用新型專利二項。多次榮獲市級以上“優(yōu)秀教師”稱號。endprint