自级联式感应电动机控制系统的研制

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.06.023 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2002 自级联式感应电动机控制系统的研制 解仑”孙一康)王志良”鲁亿方)杜沧)申祥源) 1)北京科技大学信息学院，北京1000832)新冶电气公司.北京100071 摘要描述了自级联式感应电动机的数学模型及其控制系统的结构，研制成功该类电机矢 量控制系统样机.根据实验结果，分析了其动态和静态品质，得出此种类型电机控制系统完全 可以达到与直流电动机控制系统相同性能的结论，提出了自级联式感应电动机进一步的应用 前景， 关键词自级联式感应电动机：数学模型；矢量控制系统；动态和静态品质 分类号 TM343 大容量常规转速下的风机和泵类负载在调 其市场拥有量十分可观习 速电力传动市场上占有较大份额，其主要目的 是节约能源，可以达到平均节电30%左右的水 1数学模型及系统结构 平.但是由于缺少简单、可靠、经济的中压电机 1.1数学模型 调速控制装置，此种类型节能调速系统基本上 自级联式感应电动机电气结构框图如图1 没有推广.我国标准中压电机电压等级为6kV 所示. 和10kV,若直接变频，即使用4.5kV或6kV的 由自级联式感应电动机的简化等效电路， 开关器件仍需串联.大容量风机、泵类传动所采 用的中压电机一般在1000-2000kW以下，电流 仅100A左右或更小，器件电流利用率较低.而 进口中压变频设备的价格又非常昂贵.目前许 SFL 多专家认为我国发展调速电力传动技术应该充 变频器 分利用国内成熟技术优势，结合中国特色的电 1电机 2"电机 力电子技术与机电一体化技术，从整体优化角 度考虑，开发出新型电机及电控一体化产品.对 图1自级联式感应电动机电气结构框图 于此种类型的调速系统，合理的方案之一是采 Fig.1 Electrical configuration block diagram of cascade 用自级联式电动机，即两台绕线式电机机械顺 induction machines 接，转子三相电路反接，一台电机定子绕组连接 中压电网，免去网侧变压器，另一台电机定子绕 可以得到其动态电压矢量方程组： [U=R".i'+(joo+p)L".i+(jao+p)w 组连接低压变流装置，其功率仅为滑差功率（电 U=R".i2H(is@o+p)L".i+(js@o+p)u (1) 机功率的30%左右).因此电控系统价格非常低 进而可以画出自级联式感应电动机两台电机定 廉，没有滑环和碳刷，维修简单、易行，该类系统 子矢量图四.将气隙磁链轴定为M轴，进行矢量 另外一个优势为功率因数很高甚至可以达到1 旋转变化可以得到电磁转矩表达式为： (超前、滞后可连续调节)，谐波含量少，对于电 T.=-1.5PLL(yΨ诉-)=-1.5Pw话(2) 网污染较小.该类系统还可以应用于中、小型连 由式(2)可以看出，电磁转矩在气隙磁链w 轧机的电力传动领域，以及变速恒频发电系统， 固定时，仅仅与2电机定子电流力矩分量有关， 收稿日期20010604解仑男，33岁，博士，讲师 而且在电动状态时2"电机电流矢量位于矢量空 *国家自然科学基金资助项目N0.69975002)以及高效轧制国 间坐标系的第四象限.同时，分别控制2电机定 家工程研究中心工程开发项目 子电流两个祸互解耦的分量，还可以间接控制

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 从】 自级联式感应 电动机控制 系统的研制 解 仑 ‘， 孙 一 康 ” 王 志 良 ‘， 鲁亿方 ” 北京科技大学信息学院 ， 北京 新冶电气公司 ， 杜 沦 ， 申祥源 ” 北京 摘 要 描述 了 自级联式感应 电动机 的数学模型及其控制系统的结构 ， 研制成功该类 电机矢 量控制 系统样机 根据实验结果 ， 分析 了其动态 和 静态 品质 ， 得 出此种类型 电机控制系统完全 可 以达 到与直流 电动机控制系统相 同性能 的结论 ， 提出了 自级联式感应 电动机进一 步的应用 前景 关键词 自级联式感应 电动机 数学模型 矢 量控制 系统 动态 和静态 品质 分 类 号 大容量常规转速下 的风机和泵类负载在调 速 电力传动市场上 占有较大份额 ， 其主要 目的 是节 约 能源 ， 可 以 达 到平均节 电 左右 的水 平 但是 由于缺少 简单 、 可靠 、 经济 的 中压 电机 调 速控制装置 ， 此种 类 型 节能调 速 系统基本上 没有 推广 我 国标准 中压 电机 电压等级为 和 ， 若直接变频 ， 即使用 或 的 开关器件仍需 串联 大容量风机 、 泵类传动所采 用 的 中压 电机一般在 一 以下 ， 电流 仅 左右或更小 ， 器件 电流利 用 率较低 而 进 口 中压 变频设备 的价格 又 非 常昂贵 目前许 多专家认为我 国发展调 速 电力 传动技术应该充 分利 用 国 内成熟 技术优势 ， 结合 中 国特色 的 电 力 电子技术 与机 电一 体化技术 ， 从整 体优化角 度考虑 ， 开发 出新型 电机及 电控一体化产 品 对 于 此种类 型 的调 速 系统 ， 合理 的方案之一是 采 用 自级联式 电动机 ， 即两 台绕线式 电机机械顺 接 ， 转子三相 电路反接 ， 一 台电机定子绕组连接 中压 电网 ， 免去 网侧变压器 ， 另一 台电机定子绕 组 连接低压变流装置 ， 其功率仅为滑差功 率 电 机功 率 的 左 右 因此 电控系统价格非 常低 廉 ， 没有滑环和碳刷 ， 维修简单 、 易行 该类 系统 另外一个优势 为功率 因数很高甚至可 以达到 超前 、 滞后 可 连续 调 节 ， 谐波含量 少 ， 对于 电 网污染较小 该类 系统还 可 以应用 于 中 、 小型 连 轧机的 电力传动领域 ， 以及变速恒频发 电系统 ， 收稿 日期 一 一 解 仑 男 ， 岁 ， 博士 ， 讲师 国家 自然 科学基金资助项 目困 以 及高效轧制 国 家工程研究 中心 工程开发项 目 其市场拥有量 十分可观 【，’ 数学模型及 系统结构 数学模型 自级联式感应 电动机 电气结构框 图 如 图 所示 由 自级联式感应 电动机 的简化等效 电路 ， 只 · 变频器 电机 “ 电机 图 自级联式感 应 电动 机 电气结构 框 图 纽 可 以 得 到其动态 电压矢量方程组 翌 一 星 ’ ‘冲 戮 ‘ ’ 士妙动旷 “ 尤 ‘ · ‘ 勺 口。 灿 ‘ · ‘ 勺 口。 衅 进而可 以 画 出 自级联式感应 电动机两 台电机定 子矢量 图 「 将气 隙磁链轴 定为几了轴 ， 进行矢 量 旋转变化可 以得到 电磁转矩表达式为 一 不” ‘ 叫 乒一 尹舔 二 一 尸旷浮 由式 可 以 看 出 ， 电磁转 矩在气 隙磁链 衅 固定 时 ， 仅仅与 电机定子 电流力 矩分量有关 ， 而且在 电动状态时 “ 电机 电流矢 量位于矢 量空 间坐标 系 的第 四象限 同时 ， 分别控制 “ 电机定 子 电流两个相互解藕的分量【 ， 还 可 以 间接控制 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．06．023

2002年第6期 北京科技大学学报 673 1*电机定子电流矢量，这样可以使功率因数为1 在实验中，将式(4)、式(5)和直流调节器输 (电压和电流同相位)，也可以使功率因数超前 出叠加后，通过矢量变换作为三相电压预测控 (向电网发无功)或滞后（从电网吸收无功）.气隙 制： 磁链可以由下式得到： 「U所=R设-swL译'+△U层 a=∫(U+R')dt-L'" U=R话+soL+sw+△UU (6) 对于自级联感应电机控制系统的交一交变 哈=J(U+R'd-L'站 (3) 频器，由于电网对注人谐波电流具有严格要求， =[(yg}+(}]片 所以实际应用的大型系统均采用72只SCR或 tanos=walw GT0的12脉波交-交变频器.本文所讨论系统 进而可以由(3)式进行旋转变换，得到2“电机定 采用的是六脉波循环变流器，由36只半控SCR 子轴与气隙磁链的空间关系： 组成（交-交变频器的触发脉冲间隙无论在稳 COSOR=cosφs cosA-+sin中s sina (4) 态、动态暂态过程中都为不均匀的).循环变流 sino&=sinos cosa-cosos sina 器输出采用Y联接方式，即交-交变频器负载 1.2控制系统结构 中点不与其本身中点相连，是相互隔离的.这样 在上述磁场定向矢量控制算法的基础上， 输出三相电压中含有同样的直流或3倍频波均 将2电动机定子电流调节器分为两个部分：比 不会出现在负载上一交流偏置俐.为此，必须 例部分位于三相电流给定之后，直接构成相电 使触发脉冲宽度大于30°，至少2个桥4个SCR 流闭环，起调节动态误差作用；积分部分对2电 同时导通以及无环流死时小于2ms. 动机定子电流的转矩分量和激磁分量直接闭 整个控制系统结构如图2所示.其中n*为 环，主要用于消除电流的稳态误差.这两部分控 速度给定，ST为速度调节器，ZLT为2电动机定 制方法是通过坐标变换器连接起来的.为了消 子电流直流调节器，JLT为相电流调节器，GDJ 除控制中的交叉耦合，在系统中按模型构造了 为给定积分器，GLF为隔离放大器F为减法 2"电动机定子电压的前馈补偿环节： [U疏=R话-SoL2译° 器，cos帅，为电动机电子功率因数控制器，DYQK U乃-R2译+soL对+s0oy (5) 为电压前馈控制器，CF为触发控制器，VA为矢 -380V LGBY N15 GDJ CF VD 2/3 辛本SCR ZLT DK HGE sinoz VD 213 ☒衤本SCR ZLT 下下 coso DK P15 sin2 DYQK VD 2/3 CF 字*SCR 下 CcoSφ sino PDKe sing VD sin GM SF VA ⊙ KG ZJLDJ -380V 图2自级联感应电动机矢量控制系统框图 Fig.2 Vector control system of a cascade induction machine

年 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 电机定子 电流矢 量 ， 这样可 以使功率 因数为 电压 和 电流 同相 位 ， 也 可 以使功率 因数超前 向电网发无功 或滞后 从 电网吸收无功 气隙 磁链 扩可 以 由下 式得 到 在 实验 中 ， 将式 、 式 和 直流调 节 器输 出叠加后 ， 通 过矢量 变换作为三相 电压预测 控 制 昭 一 了砚 ，℃ 一‘ ” ‘ 一 丁哪 ’ ‘ 粉 一 ’ ‘ 以 嵘峨 疏一 田 犷十△疏 衅 尸诊 山 诺 叻旷 △瞬 旷 一 昭 ， 衅 ， 〕告 【 价 二 刃衅 进而可 以 由 式进行旋转变换 ， 得到 电机定 子轴与气隙磁链 的空 间关系 吵 动 几 呻 诚 帅 帅 就 一 吵 诚 控制 系统结构 在 上 述磁 场定 向矢 量 控制算法 的基础 上 ， 将 “ 电动机定子 电流调 节器分为两个部分 比 例部分位于 三相 电流 给定之后 ， 直接构成相 电 流闭环 ， 起调节动态误差作用 积分部分对 “ 电 动机定子 电流 的转 矩 分量 和 激磁 分量 直 接 闭 环 ， 主要用 于消除电流 的稳态误差 这两部分控 制方法是通 过坐标变换器连接起来 的 为 了消 除控制 中的交叉藕合 ， 在 系统 中按模型 构造 了 电动机定子 电压 的前馈补偿环节 对于 自级联感应 电机控制系统 的交 一 交变 频器 ， 由于 电 网对注人谐波 电流具有严格要求 ， 所 以 实际应用 的大型 系统均采 用 只 或 的 脉波交 一 交变频器 本文所讨论系统 采用 的是六脉波循环变流器 ， 由 只半控 组成 交 一 交变频器 的触发脉 冲间隙无论在稳 态 、 动态暂态过程 中都为不 均 匀 的 循环变 流 器输 出采用 联接方式 ， 即交 一 交变频 器负载 中点不 与其本身中点相连 ， 是相互 隔离 的 这样 输 出三相 电压 中含有 同样 的直流 或 倍频波均 不会 出现在负载上－ 交流偏 置 科， 为此 ， 必须 使触发脉 冲宽度大于 “ ， 至 少 个桥 个 同时导 通 以及无环 流死 时小 于 整个控制系统结构如 图 所示 其 中 为 速度给定 ， 为速度调 节器 ， 为 电动机定 子 电流直流调 节器 ， 为相 电流调 节 器 ， 为 给定积分器 ， 为隔离放 大器 为减法 苗 一 一 一 ‘ 比 卜 卒本 颐 寸 一一一 一 阵 厂二…卒本 「 卜 一一 之 幸本 日 器 ， 吵 为电 动机 电子功率因数控制器 ， 图 自级联感应 电动机 矢量控制 系统框图 ·

·674. 解仑等：自级联式感应电动机控制系统的研制 Vol.24 量分析器，VD为矢量旋转器，2/3为二相到三 333rmin突加负载时，电动机定子相电流实际 相变换器，sin为正弦函数发生器，中，为电压模 值、电压给定值如图4所示. 型，GM为光电编码器；SF为测速发电机，KG 通过对波形的分析，2电动机定子力矩电 为接触式开关，LGBY为裂解式变压器，DK为 流在加、减速时仅有微小变化以提高系统的响 输出电抗器，ZLDJ为自级联式无刷双馈感应 应速度，而气隙磁链幅值没有发生变化，证明2 电动机机组 电动机定子激磁电流与力矩电流完全解耦（如 图3所示)，并且空载加、减速时间为2.6s,速度 2结果与分析 超调为2.6%，电流超调小于35%.过同步速度 点时，2电动机定子电流电压自动换相序以及 实验采用两台参数一样的绕线式电机：定 子电压380V,电流9.2A;转子电压220V,转子 2电动机定子各电量矢量反转；亚同步速度突 电流10.2A.经过级联后电动机额定转速n.=500 加负载时，由1电动机定子提供激磁，气隙磁链 降低了5.1%，其动态过程平缓，证明了气隙磁 r/min. 链良好的抗扰性.为加大力矩电流和减少激磁 在空载状态下，由亚同步速度333rmin到 同步速度500rmin阶跃给定变化时，自级联感 电流，电压幅值减小（如图4所示），相位与电流 应电动机的电动机定子电流力矩分量实际值、 矢量相反，证明了系统具有较强的鲁棒性及完 全解耦)，可达到直流电动机控制系统水平 气隙磁链幅值波形如图3所示；在亚同步转速 图3力矩电流实际值、气隙磁链幅值 图4A相电流实际值、电压给定值 Fig.3 Actual torque current and gap flux amplitude Fig.4 Actual phase current and voltage set-point 3结论 IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(5): 1369 由数学模型和实验结果可以看出，自级联 3 Smith BH.Theory and performance ofa twin stator induc- 感应电动机矢量控制系统完全具有直流电动机 tion machine[J].IEEE Transactions on Power Apparatus 调速系统的水平，并且将其应用于1000r/min and Systems,.1966,85(2):123 4王雪帆.双定子感应电动机等效电路分析)，中国电 以下的中压电动机节能调速，是一种较为合理 机工程学报，1999,19(5)：21 的方案.这样不但可以进行中压变频节能电力 5 Bimal K.Bose,power electronics and motion control tech- 传动，而且还可以进行无功率调节，对电网进行 nology status and recent trends [J].IEEE Transactions on 补偿，并且进行变速恒频风力、水力发电，其未 Industry Applications,1993,29(5):902 来的市场应用前景十分宽广. 6 Broadway A R W.Self cascaded machines:A low speed motor or high frequency brushless alternator [J].Proceed- 参考文献 ings of IEE,1997,177(7:1277 1丁蕴石.调速电力传动的第三个里程碑[]，中国电 7李永东.大功率高性能逆变器技术发展综述[)电气 工技术学会：中国电工技术学会水工业电工专业委 传动，2000,22(6：3 员会第一界会议论文集[C.苏州，1999 8高景德.交流电机的多回路理论.清华大学学报， 2 Lipo TA.Dual stator winding induction machine drive [] 1987,(1):1 (下转第678页)

年 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 电机定子 电流矢 量 ， 这样可 以使功率 因数为 电压 和 电流 同相 位 ， 也 可 以使功率 因数超前 向电网发无功 或滞后 从 电网吸收无功 气隙 磁链 扩可 以 由下 式得 到 在 实验 中 ， 将式 、 式 和 直流调 节 器输 出叠加后 ， 通 过矢量 变换作为三相 电压预测 控 制 昭 一 了砚 ，℃ 一‘ ” ‘ 一 丁哪 ’ ‘ 粉 一 ’ ‘ 以 嵘峨 疏一 田 犷十△疏 衅 尸诊 山 诺 叻旷 △瞬 旷 一 昭 ， 衅 ， 〕告 【 价 二 刃衅 进而可 以 由 式进行旋转变换 ， 得到 电机定 子轴与气隙磁链 的空 间关系 吵 动 几 呻 诚 帅 帅 就 一 吵 诚 控制 系统结构 在 上 述磁 场定 向矢 量 控制算法 的基础 上 ， 将 “ 电动机定子 电流调 节器分为两个部分 比 例部分位于 三相 电流 给定之后 ， 直接构成相 电 流闭环 ， 起调节动态误差作用 积分部分对 “ 电 动机定子 电流 的转 矩 分量 和 激磁 分量 直 接 闭 环 ， 主要用 于消除电流 的稳态误差 这两部分控 制方法是通 过坐标变换器连接起来 的 为 了消 除控制 中的交叉藕合 ， 在 系统 中按模型 构造 了 电动机定子 电压 的前馈补偿环节 对于 自级联感应 电机控制系统 的交 一 交变 频器 ， 由于 电 网对注人谐波 电流具有严格要求 ， 所 以 实际应用 的大型 系统均采 用 只 或 的 脉波交 一 交变频器 本文所讨论系统 采用 的是六脉波循环变流器 ， 由 只半控 组成 交 一 交变频器 的触发脉 冲间隙无论在稳 态 、 动态暂态过程 中都为不 均 匀 的 循环变 流 器输 出采用 联接方式 ， 即交 一 交变频 器负载 中点不 与其本身中点相连 ， 是相互 隔离 的 这样 输 出三相 电压 中含有 同样 的直流 或 倍频波均 不会 出现在负载上－ 交流偏 置 科， 为此 ， 必须 使触发脉 冲宽度大于 “ ， 至 少 个桥 个 同时导 通 以及无环 流死 时小 于 整个控制系统结构如 图 所示 其 中 为 速度给定 ， 为速度调 节器 ， 为 电动机定 子 电流直流调 节器 ， 为相 电流调 节 器 ， 为 给定积分器 ， 为隔离放 大器 为减法 苗 一 一 一 ‘ 比 卜 卒本 颐 寸 一一一 一 阵 厂二…卒本 「 卜 一一 之 幸本 日 器 ， 吵 为电 动机 电子功率因数控制器 ， 图 自级联感应 电动机 矢量控制 系统框图 ·

·678· 北京科技大学学报 2002年第6期 东北大学学报（自然科学版），1999(2)：148(150 eling salesman problem model for hot rolling scheduling 7 TANG L X,LIU J Y,RONG A Y,et al.A review of plan- in Shanghai Baoshan Iron Steel Complex [J].European ning and scheduling systems and methods for integrated Journal of operational research,2000(124):267 steel production [J].European Journal of Operational Re- 9陈国良，王煦法，庄镇泉，等，遗传算法及其应用M. search,2001(133):1 北京：人民邮电出版社，1996 8 TANG L X,LIU J Y,RONG Aiying,et al.A multiple trav- Optimization Method for Hot Charge Rolling Manufacture Plan LU Zhimin XUJinwu National Engineering Research Center for Advanced Rolling.UST Beijing,Beijing 100083 ABSTRACT An optimization method based on genetic algorithms is introduced for HCR(hot charge rolling) manufacture plan.Different from the optimization method based on MTSP,it need not determinate the number of rolling cycles.The makeup characteristic of rolling cycles is applied in this method,and the number of rol- ling cycles is optimized during the makeup optimization.Simulation results show that this method can find out the feasible HCR manufacture plans quickly. KEY WORDS HCR;manufacture plan;optimization method;genetic algorithms (上接第674页) Manufacture of Self-cascade Induction Machine Drives XIE Lun",SUN Yikang",WANG Zhiliang",LU Yifang",DU Cang,SHENG Xiangyuan? 1)Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)New Metallurgical Electric Corporation,Beijing 100071,China ABSTRACT The mathematical model and control system structures of self-cascade induction machine drives is proposed,which is firstly developed in the world successfully.According to experimental results,the system dynamic static performance is analyzed which is the same as DC drives. KEY WORDS self-cascade induction machine drive;mathematical model;vector control system;dynamic and static performance

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 东北大学学报 自然科学版 ， ， 丫 ， ， ， ， ， ， 陈国 良 ， 王煦法 ， 庄镇泉 ， 等 遗传算法及其应用 』 北京 人 民 邮 电出版社 ， 俪 刀乞 双了沂刀 ， ， ， 们 ， 叩 上接第 页 ‘心万 ， ， 〔刀 儿 刀， 恻刀召 ’ 子啥 人 ， 丫 ， 汉习 脚 儿 夕 ， ， ， 】 ， ， ， 而 ， 面