摘 ?要： 異步電機(jī)在高頻電壓作用下輸出偏差較大、功率飽和度差，為了提高異步電機(jī)高頻電壓穿越控制能力，提出基于零相移濾波和電機(jī)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性分析的異步電機(jī)高頻電壓穿越控制方法。構(gòu)建異步電機(jī)高頻電壓穿越的交流頻率和直流電壓參數(shù)分析模型，采用直流型分布式電源輸出轉(zhuǎn)換控制的方法進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓輸出特征檢測(cè)，建立異步電機(jī)高頻電壓穿越的間歇性波動(dòng)控制模型，采用零相移濾波方法進(jìn)行控制過程的干擾抑制，根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)進(jìn)行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)，結(jié)合交直流混合微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高頻電壓穿越控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性較好，功率響應(yīng)飽和度較高，提高了電機(jī)的輸出效能。

關(guān)鍵詞： 異步電機(jī); 高頻電壓; 穿越控制; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 干擾抑制; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN876?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0060?03

Design of high?frequency voltage ride?through control system for asynchronous motor

ZENG Fanzheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract： In allusion to the problem that the output deviation of asynchronous motor is large and the power saturation is poor under the action of high?frequency voltage， a asynchronous motor high?frequency voltage ride?through control method based on the zero phase?shift filter and the dynamic frequency response characteristic analysis of the motor is proposed to improve the high?frequency voltage ride?through control of the asynchronous motor. The alternating current frequency and the direct current （DC） voltage parameter analysis model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor are constructed. The DC distributed power supply output conversion control method is used to detect the high?frequency voltage output characteristic of the asynchronous motor， and establish the intermittent fluctuation control model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor. The zero phase?shift filter method is used to perform the interference suppression in the control process， the interference suppression and the feedback adjustment are carried out according to the dynamic frequency response of the motor， and the design of high?frequency voltage ride?through control system of the asynchronous motor is realized by combing with the AC/DC hybrid microgrid control structure. The testing results show that the output steady?state and power respond saturation of the high frequency voltage ride?through control of asynchronous motor is better in this system， which improves the output efficiency of the motor.

Keywords： asynchronous motor; high?frequency voltage; ride?through control; system design; intermittent fluctuation; system testing

0 ?引 ?言

異步電機(jī)作為主流發(fā)電裝置，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，但異步電機(jī)在高頻電壓穿越過程中受到高頻電壓的干擾，導(dǎo)致負(fù)荷增大且輸出飽和度不高，降低了電機(jī)的輸出功率。因此提高異步電機(jī)高頻電壓穿越穩(wěn)定性的研究備受重視[1]。

對(duì)異步電機(jī)的高頻電壓穿越控制方法主要有：功率因素調(diào)節(jié)方法、PID控制方法和模糊虛擬控制方法等[2]，但傳統(tǒng)方法采用負(fù)荷的波動(dòng)性調(diào)節(jié)方法進(jìn)行異步電機(jī)的輸出控制，高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性不好[3]。針對(duì)上述問題，本文提出基于零相移濾波和電機(jī)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性分析的異步電機(jī)高頻電壓穿越控制方法，對(duì)電機(jī)控制約束參量分析，然后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化模擬，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 ?系統(tǒng)總體構(gòu)架

首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)：在MCU控制單元進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越的遠(yuǎn)程控制，構(gòu)建異步電機(jī)高頻電壓穿越參數(shù)的智能檢測(cè)平臺(tái)，設(shè)計(jì)接口程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)控制算法進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越過程的可靠性控制，建立異步電機(jī)高頻電壓穿越的參數(shù)分析模型[4]，采用參數(shù)自適應(yīng)尋優(yōu)方法進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的參數(shù)模擬，以輸出功耗和效率為控制約束參量，進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的輸出轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建異步電機(jī)高頻電壓穿越控制系統(tǒng)的主控模塊，基于IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)下Bus總線，進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越集成智能監(jiān)測(cè)，在嵌入式處理器中進(jìn)行電機(jī)組在線控制，構(gòu)建時(shí)鐘電路，進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越的中斷控制，在固化的ROM中進(jìn)行信息采集和電機(jī)參數(shù)的自整定性調(diào)節(jié)[5]，得到系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

2 ?控制算法設(shè)計(jì)

2.1 ?控制約束參量分析

進(jìn)行電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)，假設(shè)異步電機(jī)的電壓相量[k1]和阻尼繞組系數(shù)[kβ]，引入異步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，得到異步電機(jī)高頻電壓穿越約束參量為：

[Tem=πkfkck1kβBrlmlslw（2rr+2lg+lw）Jculnrr+lg+lwrr-lm] （1）

[k1=1-10.9[rr（βp（lg+lw））]2+1] ? ? ? （2）

[kβ=α（β，kc）kc] （3）

求得異步電機(jī)交流一次調(diào)頻下垂功率損耗為：

[Ploss=I2p（Rp+Rcp+2RIGBT）+I2s（Rs+Rcs+2Rdon）] （4）

采用直流型分布式電源輸出轉(zhuǎn)換控制的方法進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓輸出特征檢測(cè)，得到異步電機(jī)的傳輸效率：

[η=I2sReqPloss+I2sReq] （5）

通過控制相角差實(shí)現(xiàn)交直流母線接口變換，經(jīng)過電壓?電流雙閉環(huán)跟蹤控制后優(yōu)化參數(shù)結(jié)果：

[Fm=Brlmμ0μr1] ? （6）

式中：異步電機(jī)電壓、電流環(huán)的磁導(dǎo)率[μ0=4π×10-7] H/m，[μr1]和[μr2]為異步電機(jī)的虛擬轉(zhuǎn)子角頻率和磁導(dǎo)率。構(gòu)建控制約束參量模型，根據(jù)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

2.2 ?電壓穿越控制律優(yōu)化

建立異步電機(jī)高頻電壓穿越的間歇性波動(dòng)控制模型，采用零相移濾波方法進(jìn)行控制過程的干擾抑制[7]，針對(duì)異步電機(jī)的單極性特點(diǎn)，得到異步電機(jī)的變頻約束參量為：

[Δv（l）=LQΔf（l）+LJf（l）+LE[Δf（l）-Δf（l-1）]] （7）

式中：[LQ]表示異步電機(jī)零相移濾波輸出電流;[LJ=LQUUJ]是負(fù)荷波動(dòng)頻率;[LE=LQUEU]是異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的微分參數(shù)。基于負(fù)荷功頻特性調(diào)節(jié)方法，得到異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)功率波動(dòng)參數(shù)為：

[Z1=Zm+Req+ZsZp（Zm+Req+Zs）+（Req+Zs）Zm] （8）

根據(jù)電機(jī)調(diào)頻參數(shù)和負(fù)荷功頻特性進(jìn)行異步電機(jī)控制的輸出參數(shù)反饋調(diào)節(jié)，得到的功率增益為：

[GV=ReqZ3·Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12] ? （9）

采用零相移濾波方法進(jìn)行控制過程干擾抑制，根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)進(jìn)行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)[8]，得到電機(jī)的優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)為：

[x1=f1（x1，x1，x2，x2）+b11u1+b12u2x2=f2（x1，x1，x2，x2）+b21u1+b22u2y1=x1y2=x2] （10）

式中：[yi]是第[i]通道的高頻電壓穿越調(diào)節(jié)器參數(shù);[fi（x1，x1，x2，x2）]是動(dòng)態(tài)耦合的參數(shù)[，i=1，2];[bij]是間歇性波動(dòng)控制系數(shù)，幅值和相角的聯(lián)合特征分量為[bij（x，x，t）]。根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)進(jìn)行干擾抑制和反饋調(diào)節(jié)，得到優(yōu)化控制參數(shù)分布矩陣為：

[B（x，x，t）=b11（x，x，t）b12（x，x，t）b21（x，x，t）b22（x，x，t）] ? （11）

根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高頻電壓穿越控制[9]，控制律微分方程為：

[x1=f1（x1，x1，…，xm，xm）+U1x2=f2（x2，x2，…，xm，xm）+U2y1=x1y2=x2] （12）

根據(jù)上述公式，實(shí)現(xiàn)電壓穿越控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在上述算法基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包括功率放大、功率測(cè)試、低頻轉(zhuǎn)換和輸出接口等模塊，異步電機(jī)高頻電壓穿越控制信息采集的多通道數(shù)據(jù)記錄動(dòng)態(tài)范圍設(shè)定為-10～10 dB，基于IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)下BUS總線，進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越集成智能控制[10]，采用ADSP?BF537BBC?5A實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的總線設(shè)計(jì)，得到的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)中取異步電機(jī)的輸出最大功率值為600 kW，目標(biāo)功率為450 kW，交流頻率為24 kHz，異步電機(jī)的直流電壓最大波動(dòng)約為16 V，異步電機(jī)在高頻電壓穿越時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出為12 N·m，模式切換頻率為1.58 kg/m2。電機(jī)控制的約束變量分布見表1。

由表1參數(shù)辨識(shí)結(jié)果得知，采用該系統(tǒng)進(jìn)行異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)態(tài)性較好，功率響應(yīng)飽和度較高，提高了電機(jī)的輸出效能。根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行穿越控制測(cè)試，得到控制性能曲線如圖3所示。

由圖3可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性較好，收斂性較強(qiáng)。

5 ?結(jié) ?語

本文構(gòu)建異步電機(jī)高頻電壓穿越的控制約束參量模型，根據(jù)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的異步電機(jī)高頻電壓穿越控制的輸出穩(wěn)定性較好，輸出增益較高，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展空間。

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作者簡(jiǎn)介：曾繁政（1983—），男，廣西梧州人，碩士，副教授，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?shí)驗(yàn)教學(xué)等。