大型同步电机静止变频器双闭环控制系统的研究

摘要：针对大型同步电机静止变频器起动过程中的电流控制难题，在对同步电机起动过程中电磁转矩分析的基础上，提出了转速、电流双闭环控制方案，在静止变频器控制系统中引入转速、电流双闭环控制，从而实现起动过程的电流控制及到达同步转速后转速无静差。通过在鼓风站实际应用证明，采用本控制方法可以有效解决大型同步电机静止变频器的起动问题，为静止变频器控制策略提供了可靠的理论及实践依据。

关键词：静止变频器；大型同步电机；双闭环控制；电磁转矩

1、引言

随着工业产业规模化步伐的加快，作为工业装置原动力的电动机单机容量也日益扩大。大型电动机控制技术的发展对电动机向大容量方向发展起到了推波助澜的作用。各种起动技术的产生与应用都有力地促使企业采用大型电机作为重型工业的原动力。大型同步电动机起动方式中，静止变频器（SFC）起动方式具有软起动性能，对电网干扰小，速度上升平滑，自动化、可靠性程序高等特点。其原理是利用晶闸管变频装置产生频率由零到额定频率值的交流电源，同步地将机组拖动起动，当机组逐渐升至额定转速，满足同期条件时，将机组并入电网，同时切除变频装置。变频器的控制系统，是整个变频器的核心，控制策略成为其关键技术之一。本文研究的是双闭环控制方式在静止变频器中的应用。

2、同步电动机静止变频调速系统模型及电磁转矩分析

图1为静止变频调速系统主回路，R∑为主回路等效电阻，包括滤波电抗器电阻、电枢绕组两相的电阻以及晶闸管正向压降的等效电阻等；Ud为整流桥输出直流电压uD稳态平均值；E为反电势折算到逆变器直流侧的直流电势e稳态平均值。

（1）整流桥的传递函数

根据整流桥的输出电压表达式可得整流环节的传递函数为：

式中，TS为整流装置滞后时间常数；KS为三相整流桥放大系数。

考虑换相重叠角后，三相整流桥的输出直流电压Ud与交流侧相电压有效值Us间的关系可用下式表示：

由于通常情况下整流桥换相重叠角μs比较小，Us为交流侧相电压有效值。在数字控制系统中，直流母线电压Ud可通过上式计算并之后处理得到，因此，整流桥放大系数可取KS=1[2]。

（2）自控式同步电动机的传递函数

系统正常工作时，除晶闸管换流阶段，逆变桥上下桥臂各有一个晶闸管导通，电流流经同步电动机两相定子电枢绕组。電机旋转过程中，电枢绕组上产生感应电动势Ea，Eb，Ec，设其有效值为E。分析直流回路，稳态时逆变桥输入侧、输出侧电压折算关系满足：

式中γ为逆变超前角，μ为逆变桥晶闸管换相重叠角，其大小可根据下式进行计算：

稳态时逆变桥输入侧、输出侧电流折算关系满足：

式中，I为流入电机定子电流的有效值。

在忽略逆变桥及平波电抗器的损耗情况下，电机输入功率可表达成：

图2为定子绕组内阻不作考虑的自控式同步电动机相量图，电动机带负载时的电枢反电动势E与空载时E0之间存在一个相位差δ（称为功率角）。

由此可推导出自控式变频起动过程中，同步电机要实现逆变桥的换流，电流需超前于电压一定相位，电机呈容性工作状态。

根据图2中相量关系可知，电磁转矩的计算表达式：

式中Ce为电动势系数，在考虑换流重叠角的情况下，负载换流同步电机电磁转矩的计算主要有两部分组成：由励磁磁场与定子磁场相互作用产生的电磁转矩和由电机转子凸极效应产生的反应转矩、计算过程复杂。一般情况下，反应转矩的值比较小，通常忽略不计，此时同步电机的电磁转矩公式具有直流电机转矩公式相似的形式：

根据相量关系，可以得到电机相电势E与空载电势E0的关系，结合近似处理后的电磁转矩公式，相应得到：

通常情况下，双闭环系统动态性能及抗扰性能良好，进行调节器分析及设计时可以忽略换相角μ、μs，以及反应转矩的影响，并令γ0=60°。

3、静止变频起动双闭环控制系统构成分析

根据上一节分析，保持转子磁通及空载换流超前角γ0不变，通过控制直流母线电流ID即可控制加速启动过程所需的电磁转矩。与直流电机闭环调速系统类似，要实现起动过程的电流控制及到达同步转速后转速无静差，需引入转速、电流双闭环控制。

转子位置检测环节是通过机端电压过零点检测来实现转子位置区间的判断。将转速环的输出作为电流内环的给定信号，与直流电流反馈值比较后得到误差信号，经电流调节器输出为晶闸管触发移相信号。采用恒定逆变超前角γ0控制保证逆变器的可靠换流，其中，同步电机定子电流的频率和相位由逆变器输出决定。

4、双闭环控制在实际中的应用

采用交-直-交方式。包括降压变压器，整流晶闸管直流平波电抗器、逆变晶闸管，升压变压器，同步并网装置，转子位置检测等部分，形成Y-△两条回路。变频起动经历静止转子起动，低速起动，高速起动，同期调节，并网等5个过程。Y-△回路均采用双闭环控制，根据启动前给定的起动转速曲线，调节输出频率，在规定时间内将电机代入全速[5]。

试验平台采用40000kW同步电机，额定转速为3000r/min，额定电压为10kV，额定励磁电流为150A。绿线为△路电网侧AB线电压；黄线为△路逆变侧UV线电压，为Y路直流侧电流，蓝线为△路直流侧电流。

直流侧电流曲线，其中绿色为电机转速，蓝色为△回路直流侧电流曲线，红色为Y器路直流侧电流曲线，可以观察家出两条回路在启动过程中大小基本一致，电机转速斜线上升，到接近额定转速时成功并网，将电机同步带入工频运行。

5、结论

本文针对大型同步电机静止变频器控制方式进行分析，介绍了大型同步电机静止变频器双闭环控制系统的设计原理。通过分析同步电机起动过程的电磁转矩，引入转速、电流双闭环控制，从而实现起动过程的电流控制及到达同步转速后转速无静差。并通过实验数据加以论证，且在武汉钢铁集团二号鼓风站等现场采用该方法起动中都获得成功，为静止变频器控制策略提供了可靠的理论及实践依据。

参考文献：

[1]余龙海.开关变压器软起动技术分析：[J].《电气技术》2008中国电工技术学会

[2]李鹏，李崇坚，朱春毅.负载换流同步电机调速系统的换流分析[C].全国冶金自动化信息网2010年年会.青岛.2010.

作者简介：

胡德洪、男、1968年4月出生，毕业于中国地质大学计算机应用专业，副教授职称，襄阳市学科带头人。为襄阳汽车职业技术学院机电与电子信息工程系教师。主要从事电工电子及计算机类教学及管理。主持或参与省级课题四个，发表专业和教改论文十余篇，指导学生参加国家级技能大赛获一等奖一次，获实用新型专利二项。多次荣获市级以上“优秀教师”称号。endprint