交流传动系统的控制策略The Control Strategies of AC Drives 陈伯时 谢鸿鸣(上海大学电机系 200072)Chen Boshi X ie Hongming (Shanghai University 200072 China)摘要 从控制原理和电机数学模型出发,结合实用的系统,论述交流传动系统的控制策略。
全文分基于稳态模型的控制策略、基于动态模型的控制策略和不依赖于对象数学模型的控制策略三个层次。
在最后一个层次上,强调了智能控制的发展前景。
关键词:交流传动系统 控制策略 转差功率Abstract Proceeding from automatic control theory and mathematical model of electric machines,the development of control strategies of ac drives are expounded in combination with practical control systems.The analysis is made in three stages,the control strategies based on steady state model,on dynamic model,and independent of the mathe matical model of c ontrolled objects.In the last stage,the development and prospects of intelligent control are e mphasized.Keywords:AC drives Control strategies Slip po wer陈伯时 男,1928年生,1949年清华大学电机系毕业,1954年哈尔滨工业大学研究生毕业,1949~1983年在清华大学任教,现为上海大学机电工程与自动化学院教授,博士导师,主要研究方向为电力传动自动化,发表论文100余篇,专著2部。
谢鸿鸣 男,1966年生,1995年华中理工大学自动控制工程系研究生毕业,现为上海大学攻读电力传动自动化博士学位研究生。
Chen B oshi was born in 1928.He was graduated from Dept.of E.E,Qi nghua Universi ty in 1949.During 1949~1983,he taught at Qinghua Uni versity.He is currentl y a Profes sor i n the college of automation,Shanghai University.His research interests i nclude automatic control systems of elec tric drives.1 前言随着电力电子技术和数字控制技术的发展,交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋势,各种通用的和高性能的交流传动控制系统相继诞生。
与此同时,由于交流电机的非线性多变量耦合性质,研究其控制策略正引起控制理论专家和学者的很大兴趣,理论和实践的结合将推动新的高性能控制系统不断涌现。
在我国,这方面的研究工作并不落后,只要尽快实现体制改革,实现产学研密切结合,由我们首创的交流传动控制系统指日可待,有望为振兴中华做出贡献。
2 交流传动控制的基本类型异步电动机从定子传入转子的电磁功率P m 可分成两部分)))机械功率P mech 和转差功率P s ,它们和转差率s 的关系是P mec h =(1-s )P mP s =sP m(1)从能量转换效率的角度看,可把异步电动机交流传动系统分为三类[1、2]:¹转差功率消耗型传动系统,如变电压、串电阻等调速方法;º转差功率回馈型传动系统,如绕线电动机串级调速和双馈调速;»转差功率不变型传动系统,如笼型电动机定子变压变频调速。
转差功率消耗型传动系统的控制比较简单,只是一般的开环或闭环控制。
绕线电动机或双馈电动机的控制相当于转子回路变频调速,其控制策略与定子回路变压变频相仿。
定子变压变频控制性能最好,效率最高,是当前异步电动机控制的主要方法。
同步电动机的特点是转速与电源频率严格同步,转差率s 恒等于零,没有转差功率,因此,其控制方法属于转差功率不变型,即只能用变压变频控制,其控制策略是异步电动机控制策略的一种特例。
采用独立的变压变频装置时,叫做他控式变频控制。
采用转子位置信号来控制变频器换相时,叫做自控式变频控制。
本文着重探讨的异步电动机变压变频控制策略,稍加改变,同样可以适用于同步电动机。
下面将按照笼型异步电动机变压变频控制策略的发展脉络进行论述。
3 基于稳态模型的控制策略交流电动机变压变频的基本控制方式是,在基频以下采用恒压频比控制,低频时须抬高电压,以补偿定子压降;在基频以上则用恒压升频控制,相当于直流电动机的弱磁升速。
最初开发交流传动控制系统时,只依据电机的稳态数学模型,显然其动态控制性能不高,但控制规律简单,因此至今仍在一般调速系统中普遍应用。
311 转速开环恒压频比控制[1,2]这是从变压变频基本控制方式出发的最简单的控制策略,为普通型通用变频器所采用,适用于没有高动态性能要求的一般的交流调速场合,例如风机、水泵等。
由于它不含有电流控制,起动时必须具有给定积分环节(算法),以抑制电流冲击,积分时间常数可视具体要求来调整。
控制软件中还须备有多条电压(转矩)补偿特性,以供不同负载需要。
312 基于稳态模型的转速闭环转差频率控制[1~3]从异步电机稳态模型可以证明,当稳态气隙磁通恒定时,电磁转矩近似与转差频率X s 成正比,如果能保持稳态转子全磁链恒定,则转矩准确地与X s 成正比,因此,控制X s 就相当于控制转矩。
采用转速闭环的X s 控制,使定子频率信号X 1=X r +X s ,则X 1随着实际转速X r 增长或降落,有如水涨而船高,得到平滑而稳定的调速,保证了较高的调速范围。
然而,由于这些方法只依据稳态模型,还得不到很理想的动态控制性能。
4 基于动态模型的控制策略要获得高动态性能,必须依据电机的动态数学模型。
交流电机的动态数学模型是非线性多变量的,其输入变量是定子电压和频率,输出变量是转速和磁链(定子磁链或转子磁链,或气隙磁链),如果仍采用简单的线性PID 控制器,就必须对模型进行改造,使之解耦与线性化。
近年来,研究了各种非线性控制器,可以避开改造模型的程序。
411 按转子磁链定向的矢量控制采用由转子磁链7r 决定d 轴方向的dq 同步旋转坐标系时,7rd S 7r ,7rq S 0,定子电流被分解为励磁分量i sd 和转矩分量i sq ,得到类似于直流电机的转矩模型T e =n p L mL r7r i sq (2)而转子磁链和转差频率分别为7r =L mT r s +1isd(3)和X s =L m i sqT r 7r(4)式中 T r )))转子励磁时间常数T r =R rL r这时,异步电机的动态数学模型可以简化如图1所示。
图1 异步电机按转子磁链定向矢量变换的动态结构图Fig 11 The dynamic structural diagram of asynchronousmachines with vector transformation orientedto the rotor flux linkage在矢量变换后的异步电机数学模型中,定子电流被分解成转矩分量i sq 和励磁分量i sd ,分别决定电磁转矩T e 和转子磁链7r ,有的文献称之为/解耦0,但是,由于i sq 与7r 相乘才得到T e ,在动态过程中X r 仍受到7r 的影响,因此,X r 与7r 之间在动态过程中并未解耦。
如果要模仿直流传动系统分别设计矢量控制系统的转速和磁链调节器,就必须解决X r 与7r 之间的动态解耦问题,通常的办法是在转速调节器ASR 后面设置除法环节,如图2所示。
由于矢量变换模型的给定信号是定子电流,图2中的变压变频装置应采用电流控制型的电力电子变换器。
假设:¹忽略电力电子变换器的滞后效应;º忽略由磁链模型输出的转子磁链幅值7r 和相角H 与实际值的误差。
在这样的条件下,控制器中的除法环节(A7r )可与电机模型中的乘法环节(@7r )对消,从而近似地实现了X r 与7r之间的动态解耦。
图2 采用电流控制型PWM 变换器的矢量控制交流调速系统Fig 12 Vector -controlled ac adjustable speed system with curren -t controlling PWM converter实现X r 与7r 的解耦也可以不用除法环节,而采用转矩调节器构成转矩内环直接输出i *sq ,如图3所示。
转矩反馈信号可利用动态转矩模型求得。
这时,磁链幅值变化产生的扰动受到转矩内环的抑制,从而近似地实现X r 与7r解耦。
图3 带转矩内环的矢量控制系统的部分控制环节Fi g 13 A part of the vector control sys tem withinner torque control loop对于电压控制型的通用变频器,需把电流控制信号转换成电压控制信号,有两种方法:¹设置两个电流分量的电流调节器,以输出电压控制信号u *sd 和u *sq ;º利用i -u 模型构成前馈环节。
经典的矢量控制系统具有磁链反馈调节,磁链反馈信号得自电机的磁链模型。
当模型中的参数受环境影响而改变时,反馈信号及磁场定向都会失真,这时,不如索性舍去磁链闭环,而利用式(4)从给定磁链7*r 计算转差频率X s ,得到磁链开环控制的转差型矢量控制系统,或称间接矢量控制系统。
其控制结构简单(可参看文献[2]),在实践中获得了广泛的应用。
412 保持定子磁链恒定的直接转矩砰-砰控制[2,4]前节已经指出,采用转矩反馈的内环控制可以抑制磁链变化对转矩的影响,近似地实现转速与磁链解耦,直接转矩控制系统正是突出这一特点的。
常用的直接转矩控制系统采用砰-砰控制,可以省去矢量变换,还可得到转矩的快速动态响应。
至于磁链控制,在这里选择了定子磁链7s ,而不是转子磁链7r ,从而避开了转子参数变化的影响,提高了系统的鲁棒性。
图4给出了保持定子磁链恒定的直接转矩砰-砰控制系统。
转矩和定子磁链闭环都采用双位式砰-砰控制,根据它们的变化直接选择电压空间矢量SVPW M 的开关状态,省去线性调节器和旋转坐标变换,控制结构大为简化。