礦井提升機交交變頻調速系統同步電動機定子相電流調節器的優化

趙大偉 趙曉博

【摘 要】主要針對礦井提升機同步電動機的矢量控制系統中，影響定子交流電流，即相電流的因素進行了詳細解讀和分析，并重點介紹了相電流控制優化的方法。

【關鍵詞】礦井提升機；同步電機相電流；相電流過零點；相電流觸發預控角；相電流調節器

中圖分類號： TD534 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.016

【Abstract】In view of the vector control system of the synchronous motor of the mine hoist， the factors that affect the stator current，that is the phase current are explained and analyzed in detail，and the optimization method of phase current control is introduced.

【Key words】Mine winder；Phase current of synchronous motor；Intermittent current；Shift angle pre-control；Phase current controller

0 引言

相電流控制器在同步電動機的交交變頻矢量控制中，用3/2變換三相交流變為兩相直流，所以定子電流的零頻調節器是同時作用于轉矩和磁通兩個電流分量。用2/3變換將零頻控制器的兩相直流輸出變為三相交流，經相電流調節器控制的三相交流控制器可以從三個方面進行優化：電流過零點、觸發預控角、PI調節參數。

1 影響同步電動機相電流的因素分析

1.1 觸發預控角

為了減小交交變頻控制系統諧波對電網的污染和降低定子轉矩電流分量的脈動幅值， 12脈動系統通常選用兩組不同連接組別的變壓器，如Dd0和Dy5；變壓器一、二次側的相移理論上是0°和-150°，由于制造工藝等因素實際應用中的變壓器相移并不是嚴格地等于0°或者-150°，而是有一些偏差，觸發預控角設置為移相角就會引起轉矩定子合成電流的脈動；所以必須優化相電流控制器的觸發預控角，使空載和重載工況下相電流的自然脈動幅值盡可能地小。理論上對于采用同一同步電壓源的12脈動系統，兩個同步移相角是對稱變化的，所以優化要基于兩個預控角之和等于兩組變壓器連接組別對應的移相角之和。

1.2 電流斷續區

可控硅有非線性區和死區，負載電動機的電感是一個有限值不是無窮大，所以當電流小于門檻值時，定子電流會出現斷續。為了減小交交變頻控制系統諧波對電網的污染和降低定子轉矩電流分量的脈動幅值， 12脈動系統通常選用兩組不同連接組別的變壓器，如Dd0和Dy5；變壓器一、二次側的相移理論上是0°和-150°，由于制造工藝等因素實際應用中的變壓器相移并不是嚴格地等于0°或者-150°，而是有一些偏差，觸發預控角設置為移相角就會引起轉矩定子合成電流的脈動；所以必須優化相電流控制器的觸發預控角，使空載和重載工況下相電流的自然脈動幅值盡可能地小。理論上對于采用同一同步電壓源的12脈動系統，兩個同步移相角是對稱變化的，所以優化要基于兩個預控角之和等于兩組變壓器連接組別對應的移相角之和。

1.3 相電流調節器優化

交交變頻控制系統沒有設置交流電流控制器的給定階躍響應優化參數，大功率同步電動機沒有自動辨識模式，只能手動調節，在空載條件下， 根據定子電流的轉矩分量約等于0，觸發角的百分數也接近于0，通過觀測觸發角和轉矩電流分量來優化相電流調節器。

2 交交變頻調速同步電動機相電流優化

2.1 在電流模型下優化觸發角預控值

可以用具有市電同步功能的示波器手動測量或者用控制系統的自動辨識功能測量同步電壓和觸發脈沖相之間的相移角。但是由于測量誤差、自動識別模式的缺陷等因素的影響，觸發預控角必須在空載或者預知負載條件下參照負載電流和相電流的波形來優化，對于十二脈動的控制系統尤其重要，因為系統要求兩個系統的電流盡可能平衡一致。如下圖一所示是在空載電流模型下，以0.05°為步長進行調節，以降低相電流的幅值、優化過零平滑性、改善12脈動控制系統兩個相電流的一致性；最終減小轉矩電流脈動。

2.2 電流斷續區優化

斷續電流優化對傳動系統的轉矩脈動很重要。電機三相電流的每一相在每個電氣周期都有兩次電流過零點，這就意味著在變頻器的一個頻率范圍內有六個電流過零點，而且在大電流時也同樣有電流過零。由于電流斷續的影響，在過零點附近區域相電流波形偏離理想正弦波。這種影響作用于零頻控制器計算的直流量（磁通電流分量和轉矩電流分量）而導致轉矩脈動。過零點不平滑反映在直流量上的轉矩脈動頻率是變頻器輸出頻率的六倍。

在交交變頻控制系統中相電流過零斷續區的優化是通過調節相電流控制單元電流斷續適配起始基值和適配系數限幅值來完成的，如下圖二是空載閉環運行參數優化時轉矩電流分量的波形記錄，從左到右使定子電流實際值的轉矩分量正負對稱，脈動幅值越小越理想。

2.3 相電流調節器參數優化方法

相電流控制器是交流電流PI調節器，不能做階躍響應測試優化，可以通過測試觸發角的方式來優化，如下圖三所示是在空載條件下對相電流調節器的優化記錄：

通過調節比例系數和時間常數，使空載條件下的相電流觸發角越小越好，12脈動系統的兩個對應相觸發脈沖平衡，直流電流轉矩分量和磁通分量脈動小，幅值接近于零。同時檢查電動機的噪音和震動越小越好。

必須說明的是，影響相電流的三個因素不是單獨的，在實際應用中往往不能單獨調節優化某一個量，而要同時對三個影響因素同時進行調節來優化相電流的波形，從而得到滿意的接近于理想正弦波形。

【參考文獻】

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