帶有母線電壓控制的異步電機矢量控制策略

徐立波，阮 毅，宗 劍，柳 巍

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

架線式交流電機車是礦山地面和井下廣泛使用的一種運輸工具，通過機車受電弓獲取架設在運輸軌道上的架空線電能[1]。交流電機車的母線電壓易受實際工況和電機運行狀態(tài)影響:機車的受電弓與架空線屬于不可靠連接，跳弓現象時有發(fā)生，母線電壓因供電中斷而出現欠壓;電機在制動狀態(tài)時，母線電壓因電機動能回饋產生泵升電壓而導致過壓。

為盡可能避免電機車系統(tǒng)因母線電壓較大波動觸發(fā)欠壓、過壓故障保護，造成控制中斷，需研究矢量控制策略下的母線電壓控制方法。文獻[2-5]針對母線電壓控制，提出了各種方法。文獻[2-3]提出在矢量控制轉矩環(huán)的給定值上增加附加轉矩以控制電機轉矩輸出，實現母線電壓控制的方案。該方案結構簡單，只需在傳統(tǒng)的控制方案中加入前饋環(huán)節(jié)，但對前饋環(huán)節(jié)缺乏具體設計。文獻[4]提出了一種抑制母線電壓因暫時失電而發(fā)生欠壓保護的方案，即通過將電機從電動模式切換至制動模式，將電機動能回饋至母線，維持母線電壓恒定。該方案需要在兩個模式間相互切換，切換過程中系統(tǒng)易產生波動。文獻[5]提出了一種抑制母線電壓過高的策略，采用電壓外環(huán)、功率內環(huán)的雙環(huán)控制，實現電機減速時對母線電壓的精確控制。該方案需實時計算電機回饋的功率，計算量較大。

本文提出在矢量控制轉矩電流給定值上加入一個前饋環(huán)節(jié)，實現對母線電壓的控制。提出的方案無需進行模式切換，計算量小，前饋環(huán)節(jié)設計簡單。MATLAB仿真驗證了該方案的有效性。

1 矢量控制系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)的矢量控制方案

傳統(tǒng)的矢量控制方案框圖如圖1所示[6]。方案采用按轉子磁鏈間接定向的有速度傳感器控制策略，以轉速作為外環(huán)，定子電流勵磁分量及轉矩分量作為內環(huán)。如式(1)和式(2)所示，速度傳感器測得的轉速與計算得到的轉差相加后得到電機同步轉速，對同步轉速積分后得到用于坐標變換的定向角。定子電流按定向角進行旋轉變換后，得到定子電流的勵磁分量isd和轉矩分量isq。如式(3)和式(4)所示，isd和isq分別實現對電機的轉子磁鏈ψr和電磁轉矩Te的控制。

圖1 傳統(tǒng)的矢量控制方案框圖

1.2 具有母線電壓控制的矢量控制方案

傳統(tǒng)的矢量控制方案中母線電壓不作為控制目標。當母線電壓過高或過低時，采用故障保護的方式中斷控制。當系統(tǒng)供電不穩(wěn)定時，或電機快速制動造成顯著的泵升電壓時，系統(tǒng)極易引起欠壓和過壓故障保護，降低了系統(tǒng)可靠性。

本文提出具有母線電壓控制的矢量控制方案?？刂瓶驁D如圖2所示，在轉矩電流給定值上加入一個前饋環(huán)節(jié)，抑制母線電壓的升高或降低。當母線電壓在正常范圍內時，前饋環(huán)節(jié)不起作用;當母線電壓過低或過高時，如式(5)所示，前饋環(huán)節(jié)AUdR輸出值與轉速調節(jié)器ASR輸出值相加后作為定子電流轉矩分量給定值。前饋環(huán)節(jié)的加入改變了值，由式(4)可知，改變值將改變電機的輸出轉矩和運行狀態(tài)，繼而改變能量流動大小和方向以控制母線電壓穩(wěn)定。

圖2 具有母線電壓控制的矢量控制框圖

2 母線電壓控制方法

2.1 母線電壓控制前饋環(huán)節(jié)

ud_n為母線電壓額定值，ud_min1和ud_max1分別對應正常電壓值的下限和上限，ud_min2和ud_max2分別對應引起欠壓保護和過壓保護的電壓值，ud_Ron和ud_Roff分別對應開放和關閉制動電阻的電壓值。7個電壓值關系如式(6)所示:

前饋環(huán)節(jié)控制母線電壓值，以避免大幅偏離額定值產生欠壓或過壓保護。為了使控制效果更顯著，當電壓值偏離越大，前饋環(huán)節(jié)的輸出也應增加，且母線電壓允許與給定值存在一定的偏差，無須穩(wěn)態(tài)靜差為零，故選擇比例環(huán)節(jié)。

前饋環(huán)節(jié)的控制框圖如圖3所示，分為欠壓和過壓兩個模塊。前饋環(huán)節(jié)的輸入為母線電壓udc，與欠壓閾值ud_min1和過壓閾值ud_max1比較后得到輸出值。欠壓和過壓模塊的比例系數分別為K1和K2。當 ud_min1＜udc＜ud_max1時，表明母線電壓在正常范圍內，輸出值為零;當udc＜ud_min1時，欠壓模塊有輸出;當udc＞ud_max1時，過壓模塊有輸出。對應的關系式如式(7)所示:

圖3 前饋環(huán)節(jié)控制框圖

當母線電壓出現欠壓或過壓使前饋環(huán)節(jié)參與控制后，給定轉速和實際轉速的偏差增加，必然導致轉速調節(jié)器的輸出快速達到飽和，前饋環(huán)節(jié)的最大輸出需完全抵消轉速調節(jié)器的飽和值，并留有一定裕量。例如電機正向電動運行時出現欠壓，前饋環(huán)節(jié)輸出的使電機轉速下降，轉速調節(jié)器正向飽和，轉速調節(jié)器輸出為了使電機處于制動模式，即據式(5)，則同時，系統(tǒng)處于欠壓和過壓情況下，允許的極限電壓分別為ud_min2和ud_max2，并考慮留有50%的電壓裕量，則有K1和K2的計算公式如式(8)和式(9)所示:

需要指出的是，當電機運行在電動模式下出現過壓或制動模式下出現欠壓表明供電電源非正常，電壓控制對此無能為力，故不參與前饋控制。

2.2 越過暫時失電控制

越過暫時失電控制是當母線電壓欠壓，即低于ud_min1時，通過電機減速，將部分動能回饋至母線側，維持一個較低的母線電壓值，使控制電路繼續(xù)工作，待供電恢復后電機重新加速到原轉速。

以電機正向電動運行為例，圖4為發(fā)生短暫失電時母線電壓、電機的轉速和轉矩波形。

圖4 發(fā)生短暫失電時母線電壓、電機轉速和轉矩波形

由圖4可知，當t1時刻供電電源斷開，母線電壓逐漸降低。t2時刻母線電壓達到欠壓值，前饋環(huán)節(jié)開始作用，輸出的，其絕對值逐漸增加，使＜0。電機從電動運行轉換至制動運行，轉速下降，能量回饋至母線，維持母線電壓值高于欠壓保護值。當t3時刻供電電壓恢復后，前饋環(huán)節(jié)迅速退出控制，電動機重新加速至原轉速。

2.3 抑制過壓控制

礦用電機車架空線采用不可控整流橋供電。當電機運行在制動模式時，母線電壓易因電機動能回饋而產生泵升電壓，繼而觸發(fā)過壓保護。因此直流母線上須有制動回路，串接制動電阻。當發(fā)生過壓時，制動回路接通，制動電阻消耗母線能量并降低母線電壓。一種方案是減小制動電阻的阻值，快速消耗回饋動能，減少過壓保護的發(fā)生，但制動電阻阻值的選取受到器件限制，有時仍需采用抑制過壓控制，減少過壓保護的發(fā)生。抑制過壓控制的原理是當電壓接近過壓保護值時，減小回饋至母線的能量，維持電壓低于過壓保護值。

以電機正向制動運行為例，圖5為制動過程中母線電壓、電機的轉速和轉矩波形。

圖5 制動過程中母線電壓、電機轉速和轉矩波形

由圖5可知，t1時刻電機開始制動運行，電機轉速迅速下降，母線電壓逐漸升高。t2時刻母線電壓達到過壓值，前饋環(huán)節(jié)開始作用，輸出的＞0，使絕對值減小，對應制動力矩減小，轉速下降趨緩，回饋母線能量減少，母線電壓不再上升。隨著電機實際轉速接近給定轉速，母線電壓下降，當t3時刻母線電壓下降至正常值時，前饋環(huán)節(jié)退出控制，電動機重新在新的轉速下穩(wěn)定運行。

3 仿真驗證

為驗證越過暫時失電控制和抑制過壓控制的性能，使用MATLAB搭建了仿真平臺。仿真電機參數如下:PN=22 kW，UN=220 V，f=40 Hz，IN=82 A，n=590 r/min，Te=356 N·m，Rs=0.037 9 Ω，Rr=0.025 2 Ω，Ls=0.019 0 H，Lr=0.019 6 H，Lm=0.018 5 H，np=4，J=0.6，星型接法。電源采用220 V/50 Hz三相電源，對應母線電壓為310 V，母線電容容量8 000 μF。

仿真試驗包括兩個部分:(1)越過暫時失電控制仿真;(2)抑制過壓控制仿真。

3.1 越過暫時失電控制仿真

對于越過暫時失電控制仿真，設定正常母線電壓下限值ud_min1=264 V(85%額定電壓)，引起欠壓保護的母線電壓值ud_min2=232 V(75%額定電壓)。圖6(a)為采取越過暫時失電控制后的直流母線電壓波形，圖6(b)為電機的轉速和轉矩波形，圖6(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉矩電流給定值的波形。由圖6可知，當t=1 s時，帶0.25倍額定負載穩(wěn)定運行于500 r/min，并在t=1.1 s斷開電源模擬跳弓現象，母線電壓先逐漸下降，當Udc＜264 V時，前饋環(huán)節(jié)開始作用減小，電機逐漸從電動狀態(tài)轉換至制動狀態(tài)，電機轉速逐漸下降，動能回饋至母線端使母線電壓穩(wěn)定在約250 V，維持電壓值高于圖6(a)虛線標注的欠壓保護值。當t=1.4 s電源恢復后，母線電壓迅速上升，前饋環(huán)節(jié)退出作用，電機也逐漸升速恢復至原轉速。

如圖7所示，若不采取越過暫時失電控制，在t=1.17 s時，母線電壓因低于232 V觸發(fā)欠壓保護，系統(tǒng)需重新起動才能運行。可見越過暫時失電控制能保持母線電壓值，盡量避免觸發(fā)欠壓保護。

圖6 越過暫時失電控制仿真波形

圖7 未采取越過暫時失電控制后的直流母線電壓波形

3.2 抑制過壓控制仿真

抑制過壓控制仿真，設定正常母線電壓上限值ud_max1=358 V(115%額定電壓)，引起過壓保護的母線電壓值ud_max2=404 V(130%額定電壓)。與欠壓不同，當母線發(fā)生過壓時，需接通制動回路，將過多的母線電容電量消耗在制動電阻上。因此，需配置接通和斷開制動電阻的電壓值及制動電阻阻值。為避免頻繁接通和斷開制動電阻，接通電阻的電壓取ud_Ron=355 V，斷開電阻的電壓取ud_Roff=345 V，兩者存在一個滯環(huán)。制動電阻分別選取R=5 Ω和R=1 kΩ進行仿真驗證。

首先選取制動電阻R=5 Ω。圖8(a)為直流母線電壓波形，圖8(b)為電機的轉速和轉矩波形，圖8(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉矩電流給定值的波形。當t=1 s時，電機帶額定負載運行于500 r/min。當t=1.1 s時，轉速給定為零，電機轉速下降，電機動能迅速回饋至母線端導致電壓上升，當母線電壓超過ud_Ron時，制動回路接通，母線電壓下降至低于ud_Roff，制動回路斷開。之后，由于電機仍有持續(xù)的動能回饋，制動回路再開斷4次后電機轉速穩(wěn)定在零速。在制動過程中，由于制動電阻阻值小，回饋的電能能迅速通過制動回路釋放，母線電壓未超過正常母線電壓上限值ud_max1，抑制過壓控制的前饋環(huán)節(jié)未參與控制。

圖8 制動電阻R=5 Ω，電機帶額定負載，給定轉速從500 r/min突變至零速仿真波形

選取制動電阻R=1 kΩ。圖9(a)為直流母線電壓波形，圖9(b)為電機轉速和轉矩波形，圖9(c)為前饋環(huán)節(jié)輸出和轉矩電流給定值的波形。當 t=1 s時，電機帶額定負載運行于500 r/min。當t=1.1 s時，轉速給定為零，電機轉速下降，電機動能迅速回饋至母線端導致電壓上升，當母線電壓超過ud_Ron時，制動回路接通，由于電阻阻值較大，母線電容增加的回饋電能無法完全釋放，母線電壓繼續(xù)上升，抑制過壓控制的前饋環(huán)節(jié)于t=1.11 s參與控制幅值減小，電機回饋至母線的電能減小，母線電壓維持在約380 V，低于過壓保護值404 V。當電機轉速減至零后，母線電壓逐漸下降，制動回路斷開，之后恢復至正常值。

如圖10所示，若不采取抑制過壓控制，t=1.12 s時母線電壓因高于404 V觸發(fā)過壓保護，系統(tǒng)需重新起動才能運行。可見抑制過壓控制能限制泵升電壓，盡量避免觸發(fā)過壓保護。

圖9 制動電阻R=1 kΩ，電機帶額定負載，給定轉速從500 r/min突變至零速仿真波形

圖10 未采取抑制過壓控制的直流母線電壓波形

4 結語

在傳統(tǒng)的矢量控制策略中加入了一個前饋環(huán)節(jié)，實現越過暫時失電和抑制過壓控制，以減緩因系統(tǒng)暫時失電或電機能量回饋造成的母線電壓大幅波動，盡量避免系統(tǒng)觸發(fā)過壓和欠壓保護。仿真結果驗證了兩種電壓控制策略的可行性和實用性。

越過暫時失電控制對于供電不可靠的架線電機車系統(tǒng)具有應用價值。抑制過壓控制則能根據不同的電機回饋功率、母線電容容量及放電電阻的配置方式自動控制回饋能量，既減少制動時間，又避免造成母線過壓保護。電壓控制策略的應用將提高系統(tǒng)運行的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，對于提高工業(yè)生產效率具有一定意義。

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