六脈波雙變量交交變頻工頻調壓閉環研究

李 拓，李亞民，杜慶楠，崔占奇

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六脈波雙變量交交變頻工頻調壓閉環研究

李 拓1，李亞民2，杜慶楠1，崔占奇1

（1. 河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000；2. 鄭州科技學院，河南 鄭州 450064）

在基于六脈波雙變量交交變頻基礎上，為了避免電機在軟啟動過程中由變頻段（低于50HZ）向工頻（50 HZ）調壓段切換時因頻率極差較大而導致的機械特性變軟，提高電機起動至共頻段轉速的控制性能，抑制由37.5 HZ向50 HZ切換時引起的瞬時沖擊電流，以滿足工業控制對調速精度的要求。通過采用增量式PID控制算法對調壓時間常數進行控制，將調壓時間常數偏移量作為控制量形成閉環，實現閉環調節。大量的仿真與實驗結果均表明在閉環調節的作用下，電機轉速超調量較小，幾乎可以無靜差的穩定運行于1400 r/min，實現了由變頻段向工頻調壓段切換時的軟過度。

六脈波雙變量；交交變頻；工頻調壓；閉環

0 引言

交流電機作為機電能量轉換的執行機構，被廣泛應用于工業生產、礦山傳輸、國防工業、交通運輸等多個領域。特別是三相異步電動機因其具有結構簡單、運行可靠、效率較高、價格低廉、維護方便等諸多優點，已經廣泛應用到各個行業中[1-2]。然而電動機的起動性能卻一直不理想，尤其是當異步電動機在額定電壓下直接起動時，起動電流可達額定電流的4~7倍，重載時可達額定電流的10倍以上[3-4]，雖然電機起動過程很短，但是過大的起動電流會造成較大的線路壓降和損耗，此時會嚴重影響周圍其他電氣設備，且瞬間較大的起動電流也會使電動機繞組發熱，降低繞組絕緣性能，縮短電動機的使用壽命，并會產生較大的能量損耗，造成電能的浪費，此外直接起動時也常伴隨有較大的機械沖擊，危害電機的軸承。由于電機直接起動時的種種不利因素，在生產實際中，只有容量較小的電機才允許直接進行起動[5-6]。

利用變頻器驅動異步電動機進行軟起動，不僅能有效降低起動電流，而且還能提供較大的起動轉矩，使電機獲得較為理想的起動性能。六脈波雙變量交交變頻器不僅具有通用變頻器所具有的優點，而且與同等容量的通用變頻器相比性價比較高，且在3分頻以上具有較寬的頻率輸出范圍，對這些頻率下的波形加以改造和利用，可有效改善電機的軟起動性能。

為對電機進行全范圍軟起動控制，在工頻段（50 Hz）本文對六脈波交交變頻器工頻調壓策略進行研究，同時為限制變頻段向調壓段切換時由于級差較大而引起的電流沖擊[7]，在工頻段加入調壓閉環控制策略，以實現變頻段向工頻調壓段切換時的軟過渡。

1 解析模型

1.1 六脈波交交變頻工頻調壓模型研究

圖1所示為六脈波交交變頻器功率變換電路的結構圖（U相），其中1~12為晶閘管編號，也即晶閘管控制字，A~F為6相輸入電源。從圖中可以看出，交交變頻器晶閘管主電路每相由6組反并聯的晶閘管組成，因而可實現電流的雙向流動，結合電力電子技術知識可知，六脈波交交變頻器主電路結構包含三相交流調壓電路拓撲結構，因而在調速過程中無需其他切換裝置即可由變頻段切換至工頻段進行調壓軟起。根據交交變頻器晶閘管功率變換電路的結構，共可將其分為6組交流調壓電路，每組調壓電路所包含晶閘管的編號如表1所示。

圖1 六脈波交交變頻器晶閘管模塊結構圖（U相）

表1 工頻調壓電路晶閘管控制字

Tab.1 Thyristor number of voltage regulation circuit

在程序中根據高頻段向工頻段過渡時對應分頻下的晶閘管控制字，可相應的選取工頻條件下晶閘管調壓電路的組別，并按以上規則對調壓電路中晶閘管的通斷進行控制，從而實現六脈波交交變頻器工頻段調壓調速功能。

1.2 工頻調壓閉環調速特性分析

由圖2可知，開環情況下，起始時刻負載TL2穩定運行在B點，由于擾動某一時刻負載增大至TL3，則根據調壓特性，曲線此時轉速將會下降至E點穩定運行，轉速降落較大，即開環情況下隨著電壓的降低，電機的機械特性變軟，調壓深度過深時，較小的擾動也會造成轉速的波動。而生產實際中常希望電機能夠起動至給定轉速下穩定運行，此時就需在調壓過程中加入閉環調節[10]。

圖2 工頻調壓閉環特性

以圖2為例來對工頻段調壓閉環的特性進行分析。假如某一時刻下電機穩定運行在B點，此時負載為TL2，當負載由于擾動由TL2增大至TL3時，通過閉環控制，可使電壓由U2升高至U3，以使電機穩定運行在C點。同樣，假如某一時刻下電機穩定運行在B點，電機負載為TL2，當負載由于擾動由TL2減小至TL1時，通過閉環控制，可使電壓由U2降低至U1，以使電機穩定運行在A點。將A、B、C、F、G連起來即為A點對應轉速下系統工頻調壓閉環特性。當電機的給定轉速發生變化時[11]，也可通過調壓閉環對電機的端電壓進行控制，進而使電機穩定運行在給定轉速。

1.3 工頻調壓閉環控制策略探討

圖3 交交變頻器工頻調壓閉環原理圖

由圖3可知，本文通過PID控制器來對調壓時間常數進行控制，從而達到閉環調壓的目的。其中PID控制器采用增量式PID控制算法，其算法公式如式2所示。

2 仿真驗證

如圖4所示8N.m負載條件下，轉速給定突變時的閉環控制效果，首先使電機在給定轉速為1200 r/min條件下起動，可以看出經過0.8s電機即起動至給定轉速下穩定運行，在2.5s時將給定轉速切換至1400 r/min，經過0.5s電機轉速由1200 r/min迅速過渡至1400 r/min的轉速下穩定運行，從圖4中的轉速波形可以看出，采用調壓閉環控制后，電機對給定轉速的響應較為迅速，在閉環調節的過程中超調量較小，穩態運行時幾乎無靜差。

為進行一步說明工頻調壓閉環的抗干擾性能，這里將對負載突變時的閉環控制效果進行仿真分析，如圖5所示。

如圖5所示為閉環條件下，負載突變時的轉速、轉矩波形，由圖可知，起始時刻給定轉速為1300 r/min，電機帶動8 N.m的負荷經過0.9 s起動至1300 r/min的轉速下穩定運行，在2.5s時電機負載由8 N.m突加至15 N.m，并在3.6s再由15N.m突減至8 N.m，由圖5中電機的轉速波形可以看出，在負載突加、突減的過程中，電機的轉速波動很小，一直維持在1300 r/min的轉速下運行，由此可以看出在工頻段采用閉環控制策略后，系統有著較好的抗干擾性能。

圖4 給定轉速突變時閉環控制效果

圖5 負載突變時閉環控制效果

電機的軟起動過程中，在高頻段采用變頻與調壓相結合的控制策略，為了說明由變頻段切換至工頻調壓段的控制效果，這里對8 N.m負載條件下，電機由37.5 Hz切換至50 Hz條件下的過渡過程進行仿真相應的分析，如圖6所示。

由圖6可知，起始時刻，電機帶動8 N.m負載在37.5 Hz條件下起動并穩定運行于1100 r/min的轉速下，在2.5 s時，電機由37.5 Hz條件下向50 Hz工頻條件下過渡，在工頻調壓閉環的作用下，經過0.3 s電機由1100 r/min過渡至1300 r/min的條件下穩定運行，在4.5 s時給定轉速切換至1400 r/min，經過0.2 s電機由1300 r/min過渡至1400 r/min的轉速下穩定運行。可以看出，由變頻段向調壓段過渡過程中電機的轉速較為平穩，且在工頻調壓閉環的作用下，電機可根據需要過渡至相應的轉速下穩定運行。

圖6 37.5 Hz向50 Hz過渡時的轉速、轉矩波形

3 實驗驗證

為驗證工頻段調壓閉環控制策略的性能，在試驗中首先使電機在給定轉速為1400 r/min的條件下起動，工頻段調壓閉環控制策略下電機的轉速波形

如下圖所示：

圖7 給定轉速1400 r/min時電機轉速波形

從圖7可以看出，電機經過0.7 s起動到1400 r/min并穩定運行，在閉環調節的作用下，電機轉速超調量較小，能夠穩定運行于1400 r/min，且穩定運行時幾乎無靜差。

如圖8所示，為工頻段下給定轉速突變時電機的轉速波形，首先使電機在給定轉速為1200 r/min的條件下起動，在閉環控制的作用下，經過1.2 s電機起動至1200 r/min左右穩定運行，然后在t=14.5 s時，將給定轉速切換至1400 r/min，可以看出在閉環控制作用下[16]，電機能夠迅速對給定轉度的變化做出反應，經過0.5 s左右，電機轉速由1200 r/min過渡至1400 r/min轉速下穩定運行，可以看出工頻段的調壓閉環對電機轉速有著較強的調節能力。

圖8 給定轉速突變時電機的轉速波形

為對電機由高頻段向工頻段過渡時工頻調壓閉環的調節能力進行實驗分析，如圖9所示為實驗中由變頻段向工頻調壓段過渡時的轉速波形，選擇的過渡頻段為37.5 Hz，切換過程中，通過調壓閉環來控制電機在給定轉速下穩定運行。

圖9 37.5 HZ向50 HZ過渡時的電機轉速波形

由圖9可知，首先使電機在37.5 Hz、235 V條件下起動，經過0.5 s電機起動至1100 r/min的轉速下穩定運行，在t=10.8 s時，向變頻器發出頻率切換指令，使電機由23.5 Hz條件下向50 Hz條件下過渡，在閉環控制的作用下，先使電機工頻條件下穩定運行在1200 r/min的轉速下，逐步改變給定轉速，使電機由1200 r/min逐步切換至1300 r/min，并最終穩定運行在額定轉速1400 r/min附近。通過實驗分析，可知六脈波交交變頻器可方便的實現變頻與調壓的相結合，且在高頻段通過設置調壓閉環，可以實現變頻段向調壓段切換時的軟過渡，通過調壓閉環的作用可使電機起動至額定轉速附近穩定運行。

4 結論

本文采用增量式PID控制算法對調壓時間常數進行控制，將調壓時間常數偏移量作為控制量形成閉環，給出了采用增量式PID控制算法的PID控制器的物理模型，適用于從過度頻段37.5 HZ到工頻段50 HZ過渡過程中的軟啟動。并通過對工頻段調壓閉環控制策略進行了相應大量的仿真與實驗分析，結果均表明：通過閉環控制可實現變頻段向工頻調壓段切換時的軟過渡。

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Study on 6-pulse Double-Variable Cross-Frequency Control Power Frequency Regulator Closed-loop

LI Tuo1, LI Ya-min2, DU Qing-nan1, CUI Zhan-qi1

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University Jiaozuo 454000 China; 2. Zhengzhou Institute of Science and Technology Zhengzhou 450064 China)

Based on the six-pulse bivariate cross-converter based on, in order to avoid the motor in the soft start process from the variable frequency band (below 50 HZ) to the power frequency (50 HZ) voltage regulator section when the frequency difference caused by the larger The mechanical properties are softened, which improves the control performance of the motor starting to the common-band rotation speed, and suppresses the instantaneous inrush current caused when switching from 37.5 HZ to 50 HZ, so as to meet the requirements of the industrial control on the speed regulation accuracy. Through the use of incremental PID control algorithm to control the time constant of pressure regulation, the pressure control time constant offset is used as a control quantity to form a closed loop, and closed-loop adjustment is realized. A large number of simulation and experimental results show that under the effect of closed-loop regulation, the overshoot of the motor speed is small, and it can be operated with stability of almost no static difference at 1400 r/min, and the switching from the variable frequency band to the power frequency voltage regulation section is realized. Soft over.

Six-pulse bivariate; Cross-conversion; Power frequency regulation; Closed-loop

TM343

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.020

李拓(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：運動驅動與控制；李亞民(1992-)，男，助教，主要研究方向：電力電子與電氣傳動；杜慶楠(1958-)，男，教授，主要研究方向：自動控制、電力電子技術與交直流調速；崔占奇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力拖動。

本文著錄格式：李拓，李亞民，杜慶楠，等. 六脈波雙變量交交變頻工頻調壓閉環研究[J]. 軟件，2018，39（8）：94-99