基于磁链控制的异步电机V/F控制系统直流预励磁起动方法

胡斯登 赵争鸣 袁立强 王雪松

（清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 北京 10084）

1 引言

起动性能是衡量变频器-异步电机调速系统的重要指标之一[1]。20 世纪70年代矢量控制理论出现后，基于矢量控制理论的闭环控制很大程度地提高电机的起动性能，但是基于恒压频比控制模式（VVVF）的控制系统的起动性能并没有显著提高，相关研究文献也很少[2-6,19]。与矢量控制的变频调速系统相比，VVVF 控制系统具有不依赖电机参数，不需要速度反馈，控制方法简单，实现容易等特点，广泛应用于变频调速的风机与水泵等系统中[7]。如果能提高其起动性能则将扩大其应用领域。另一方面，在中大容量的闭环调速系统中，由于开关频率低、开关器件最小脉宽限制[8,9]以及电机参数辨识、死区补偿困难等因素[10-12]，限制了闭环控制的优势，尤其是限制了电机起动过程中的控制性能。所以，高性能的异步电机的起动控制方法，对于变频器-异步电机系统，尤其是大容量系统具有重要意义。

提高异步电机起动性能的关键是对电机输出转矩的有效控制。根据空间矢量理论，电机电磁转矩是电机磁链与电流的叉积，只有控制电流和磁链的幅值与相角，才能得到准确的转矩[13]。由于VVVF方式仅对电压与电流标量进行控制，因此难以实现精确的转矩控制。另一方面，采用VVVF 方式直接起动电机时，电机内部磁链与反电动势几乎为零，起始电压矢量几乎完全加在定子漏抗上，造成很大的励磁涌流[14]，而实际与磁链正交的电流分量比例很低，这是传统的VVVF 控制下异步电机起动电流大却输出转矩低的主要原因。提高VVVF 控制下电机起动转矩的一种有效途径是采用直流预励磁控制方法，即在电机起动前先建立固定方向与幅值的直流磁链，实验证明该方法对起动过程中的第1 尖峰电流抑制效果明显[15,16]。但是文献[15]中预先建立的磁链只能在起动过程的前几个开关周期内起作用，随着磁链开始旋转，预励磁效果会迅速减弱，因此该方法对起动过程中后续出现的尖峰电流抑制效果有限。

本文在常规的直流预励磁方式基础上，提出一种基于磁链控制的异步电机系统V/F 控制系统直流预励磁起动方案，起动过程中根据定子电流的无功分量反馈值修正输出电压，控制磁链以达到提高起动性能的目的。该方法能明显降低整个起动过程中的尖峰电流，提高电流对称性且实现简单，实验结果在315kW 异步电机变频调速系统中得到验证。

2 直流预励磁的基本原理

直流预励磁技术即指在电机起动前在机端施加直流电压从而在电机内部注入直流电流，建立固定方向的直流磁链[14]。

起动前进行直流预励磁时，转子不动，控制定子电流幅值为I0，则定子磁链为

式中Ls—定子电感；

Lm—互感。

由图1 所示的电流闭环系统，通过在PWM 控制周期内采用斩波方式发出控制电压，维持励磁电流以Is1为中心上下小幅波动，当控制励磁电流达到稳定时，转子电流Ir=0，因此有

图1 直流预励磁控制结构图Fig.1 Schematic of the pre-excitation control

当预励磁完毕，电机起动瞬间的矢量图如图2所示。其中Is1为励磁电流矢量，Us2为起动瞬间的定子电压矢量。

图2 预励磁完毕，电机起动瞬间矢量分布图Fig.2 The vector scheme in excitation process and at the motor start moment

图2 中预励磁结束并切换到电机起动的瞬间，当Δt足够小时，认为电机中的电流几乎不变，即Is1=Is2（Is1为稳态预励磁电流矢量，Is2为起动瞬间励磁电流矢量），此时磁链增量为

式中Us2—定子电压矢量；

Rs—定子电阻。

在两边同时叉乘Is2有

由于

得到

式中pn—电机极对数。

在电机起动前通过直流预励磁建立方向与幅值恒定的直流磁链，能有效防止起动过程中的励磁涌流，而且根据式（6），若在电机起动瞬间发出与励磁电流正交的电压矢量，就能产生在相同电流情况下的最大转矩变化率，从而提高起动性能。

3 起动过程中的磁链控制

常规的直流预励磁方法发挥作用的一个重要前提是起动时定子磁链以及定子电流状态与预励磁中两者的状态需保持一致。即式（6）所能达到的电流抑制效果只能在起动过程的前几个开关周期内起作用，随着定子磁链开始旋转，式（6）中的正交关系将难以保证，因此预励磁效果也将迅速减弱，文献[15]中给出了对应的实验结果。

若要拓宽预励磁作用的有效区间，使其对起动过程内的后续尖峰电流产生抑制效果，关键在于式（6）在整个起动过程中成立条件。

根据式（3）～式（5）得到式（6）的完整表达式为

根据定子电压矢量的方向对定子电流解耦，得到有功电流Isd与无功电流Isq。若在起动过程中无功电流Isq恒定，即dIsq/（dt）=0，则定子磁链幅值|ψs|基本稳定，将式（8）按定子电压定向坐标系展开得到

式（9）中的第一项仅与输入的定子电压有关，第二项仅与有功电流的变化率有关。因此起动过程中转矩变化率可以近似表示为

而电机开始起动的瞬间，电压矢量方向与电流方向正交，Isq=Is1，dIsd/（dt）=0，代入式（10）得

与式（6）一致，因此可以认为常规预励磁方法是式（10）在起动瞬间的特例。

根据式（10）实现的起动控制方法不受类似式（6）中的前提条件的限制，其有效区间能覆盖到整个起动过程中，而且转矩增量直接与输出电压相关，控制响应更快。

4 控制算法实现与参数设定

从前面的分析可知，dIsq/（dt）=0 是式（10）成立的前提。与磁场定向矢量控制等方法不同，VVVF 控制器中没有电流闭环，难以实现快速与准确的电流跟踪控制，不过从电机的等效电路图出发，仍可以找到解决方法[17]。图3 给出了异步电机T-1型等效电路图。

图3 异步电机T-1 型等效电路图Fig.3 Induction machine T-1 type equivalent circuit

通过对图3的等效电路图推导无功电流的表达式,省略高次项后进行化简得

上式说明，通过控制输入电压能有效控制无功电流，因此可以搭建一个无功电流的闭环回路调整电压的幅值实现控制无功电流的目标；当近似认为i1中的无功电流等于励磁电流im时，该方法实现维持磁链稳定的目的[2,18]。图4 给出了相应的控制框图。最后电压控制规律的表达式为

式中UN—额定电压；

U0—起动电压；

f0—起动频率；

fN—额定频率，一般为50Hz；

Uc—无功电流闭环输出的修正电压。

图4 控制结构图Fig.4 Block of diagram of the proposed method

图4 中根据定子电压矢量的方向对定子电流解耦，得到有功电流Isd与无功电流Isq。无功电流经过带阻滤波器与增益放大后加至电压指令值，根据式（12）达到抑制无功电流波动的目的。带阻滤波器下限频率为5Hz，上限频率为100Hz。这样既可以保留无功电流波动部分又能滤除采样信号中的高频噪声。因为Isq稳态时为直流量，因此带通滤波器不会产生相位延迟。增益值k1越大，抑制效果越明显，但k1过大会引起磁通饱和与系统稳定性问题。

5 仿真及实验验证

结合式（6）与式（10）及第3 节中的控制方案利用 Matlab/Simulink 工具进行了几种起动方式下变频器-异步电机系统的仿真。不同起动方式相对应的磁链轨迹如图5 所示，图5a 与5b 中的直线部分为预励磁建立的直流磁链。比较可知，磁链控制的方法抑制了磁链幅值的波动，因而磁链轨迹更趋近圆形。

图5 三种起动方式下的定子磁链轨迹Fig 5 Stator flux in three start-up methods

图5b 与图5c的比较表明，在磁链控制的基础上，在电机起动前通过预励磁建立磁链能使起动过程中磁链波动更小。因为起动前施加的直流磁链使式（10）中磁链初始幅值为|ψs0|而不是0，从而缩短了起动时建立磁链的过程，避免了超调与振荡，使磁链快速收敛至额定值。根据式（10）可知，磁链达到稳定后，起动过程中转矩的变化率仅与有功电流的变化率有关，因而转矩响应更快。

本文所提出的异步电机起动方法，可以适用于各种类型的电压型变频器，包括多电平大容量变频器-异步电机系统。本研究在380V/315kW 等级的变频器-异步电机系统上进行相应的空载起动实验。系统参数见下表。

表 315kW 异步电机变频调速系统参数Tab Parameters for 315kW ASD system

采用常规和改进后的直流预励磁控制下电机起动过程中无功电流控制效果如图6 所示。图中直流部分代表电机起动前的直流预励磁阶段。图6 中看出，与传统直流预励磁控制相比，采用本文提出的方法后，起动过程中无功电流的波动被有效抑制，波形平稳，根据式（10）由于转矩控制更稳定，因此电流的控制效果明显改善。

图6 起动过程中无功电流控制效果对比Fig.6 Comparison of reactive current in start-up process

相同起动曲线下，对比了四种起动方式实验效果，以了解各种方式的特点，在图7b 中可以看出常规直流预励磁起动在第1 尖峰电流后仍会不规律的出现幅值大于1 000A 电流尖峰。而图7c，7d 中由于磁链稳定，转矩增量得到控制，从而抑制电机起动时的电流振荡。图8 表明，仅采用直流预励磁可以降低约400A（0.5pu），仅采用磁链控制措施可以降低约660A（0.85pu），采用本文提出的方法，电流降低950A（1.23pu），可见两者同时使用时，电流抑制效果最优，与仿真的分析结果非常吻合。

图7 四种起动方式起动效果对比图Fig.7 Comparison of four start-up method

图8 四种不同起动方式产生的最大电流值Fig.8 The maximum current of four start-up methods

图9 所示为本文提出的算法在50Hz 带满载运行时的实验波形。

图9 50Hz 满载实验Fig.9 Full load experiment in 50Hz

实验证明，本文提出的电机起动方法能平滑过渡到较高频率下电机带满载的正常运行，不会产生影响。

6 结论

本文结合传统的直流预励磁方式提出一种适用于变频器-异步电机系统VVVF 控制系统的起动方案，解决了中大容量通用变频器起动电流过大的问题。本方法克服了常规直流预励磁方法作用时间短，效果有限的问题，在整个起动过程控制电流稳定且提高了电流对称性，对尖峰电流抑制效果明显。

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