交流感应电机的励磁电流跟踪方法

王东升 曾钰琳

(1.东方电气自动控制工程有限公司，四川618000；2.东方风电有限公司，四川618000)

交流感应电机的励磁电流跟踪方法

王东升1曾钰琳2

(1.东方电气自动控制工程有限公司，四川618000；2.东方风电有限公司，四川618000)

针对广泛应用于风力发电机变桨伺服中的交流感应电机，由于风机中变桨伺服电机受风力负载随机性的影响。风负载大小的变化会导致变桨交流感应电机的励磁电流无法满足系统的工作需求，不能使系统在期望的状态下正常运行。在转子磁场的定向矢量控制基础上，提出一种根据转矩电流估计外界负载，励磁电流以此跟踪负载变化，使电机的励磁电流可以满足实际工况需求，使电机在最佳状态下运行。实验结果验证了该方法的有效性和实用性，同时提高了系统的稳定性。

交流感应电机；矢量控制；负载跟踪；励磁电流

三相交流变频异步电机由于其制造工艺成熟、可靠性高、价格低廉以及优越的性能在风机变桨伺服领域得到广泛应用。风机现场工作的工况复杂，风的大小和方向变化具有很强的随机性，对于风机的变桨伺服是很大的考验[1]。所以在风力随机变化的过程中，要求变桨伺服能够保证交流异步电机在设定的转速下稳定工作。

传统的矢量控制变频调速通常采用恒磁通控制，即励磁电流是人为给定的电机额定电流值，很难实现在当前工况下的最优控制[2-3]。由于电机是感性负载，空载或轻载下，保证电机在最优工作状态的励磁电流很小，若此时给定的励磁电流很大，电机就会迅速发热，发出嘈杂的励磁声[4-6]；当为额定负载甚至超过额定负载情况下，励磁电流需求值要等于甚至大于额定电流值，若励磁电流不足，电机将无法转动或被直接拉停。

本文从风机变桨系统对变桨伺服性能指标要求出发，对传统的励磁电流给定方式进行改进，提出了一种励磁电流跟踪控制方法，励磁电流能够根据外界负载的变化进行自行调整，保证在负载工况变化下电机能稳定运行。

1 交流异步电机控制策略

1.1 矢量控制原理

由异步电机磁链方程、电压方程和转矩方程可以看出：异步电机在d/q旋转坐标系上的数学模型的非线性、多变量强耦合的性质并未改变。此动态模型是基于旋转坐标系而建立的，虽然坐标系的旋转速度已经定义，但坐标系的位置并没有确定。为了进一步实现解耦，如果把轴的方向定位于转子磁链的方向上，该矢量控制系统即是按转子磁场定向的矢量控制系统[1]。在转子磁链定向的旋转坐标系下，用M代替d轴，并且用T代替q轴，M轴为转子总磁链的方向，则在M/T坐标系下的方程组为：

可以得到在M/T坐标下的电压方程组为：

(2)

图1 异步电机矢量控制系统结构图Figure 1 Structure chart of vector control system of asynchronous machine

可以得到在M/T坐标下的磁链方程为：

由于Tr=Lr/Rr，转子时间常数为常量，则Trp=0

故电机在M/T坐标下的磁链方程为：

得到在M/T坐标系下的转矩方程为：

由公式(3)可以看出，在M/T坐标系下的转子的磁链ψrm，仅由电流励磁分量ism决定，而与电流中的转矩分量ist无关；由公式(4)可以看出，在M/T坐标系下，如果保持电机转子磁链ψrm恒定，那么电机的电磁转矩Te仅受电机电流转矩分量ist的影响，而与电流励磁分量ism无关。

根据上述分析，可以得到：

带入电机M/T坐标系下的转矩方程式消去ist，得：

公式(7)说明，在保持转子的磁链ψrm恒定情况下，通过控制电机的转差频率ωs，可以达到间接控制电机转矩Te的目的[3]。

为验证高通量测序的质量和测序筛选获得差异miRNAs的表达情况，在27例AIS患者两侧椎旁肌组织中对测序结果中变化倍数最大的6个miRNA进行表达验证，分别为凹侧含量较高的miR-424、miR-433、miR-769和凸侧含量较高miR-516、miR-517、miR-495。目标miRNA的相对表达量（ΔCt）=Ct目标miRNA表达量-CtU6。实时荧光定量PCR结果显示仅miR-516、miR-517和miR-495的表达差异具有统计学意义（P ＜ 0.05，图2）。

由上述三相异步电机在M/T旋转坐标系下的电压、磁链和转矩方程，可以得到伺服系统矢量控制结构图如图1所示[5]。图1为位置、速度和电流三级闭环控制系统。位置指令由上位机给定，位置的反馈量由电机内部光电编码器获得。位置调节器的输出为速度环的给定，速度环的反馈也由光电编码器获得。速度调节器的输出为转矩电流的给定。在基频以下时，励磁电流可由通过转子磁链计算，在基频以上，则通过弱磁控制实现电流给定。

在电流闭环控制中，由于电机三相电流和为0，因此，只需要检测两相电流ia、ib，再经过CLARK变换，得到两相静止坐标系上的分量iа、iβ，通过PARK变换得到与转子磁场同步的运动坐标系上的直流分量ism、ist，分别通过控制励磁电流分量和转矩电流分量达到电机的转矩与磁通的独立控制，两个电流调节器的输出为转子磁场同步旋转坐标系上的电压分量Ustref、Usmref，通过PARK逆变换得到两相静止坐标系上电压分量Usаref、Usβref，再经过SVPWM算法调制得出PWM信号驱动逆变桥工作。

转子位置计算是进行定向控制的关键，在实际设计应用中，由定子励磁电流分量和转矩电路分量可以计算出电机运行时的转差角频率ωs，转差角频率ωs和与电机转子角频率ω之和便可以得到电机同步角频率，对同步角频率的积分即可得出磁场定向角θth。

1.2 传统矢量控制存在的问题

传统的矢量控制中，励磁电流都是以固定值给定的，造成电机不能在随机负载下稳定运行。当空载时，若给定的励磁电流很大，会出现极响的励磁啸叫声，并且转速会发生波动；当负载很大时，若给定的励磁电流很小，由于电机的励磁不够，造成转速无法达到当前设定的转速。

针对上述问题，本文提出一种励磁电流跟踪的策略，使励磁电流能够根据实际负载的变化而进行调整，保证电机的稳定运行。

2 励磁电流跟踪策略

外界负载的变化会对电机的电流、电压等电参数造成相应的影响，矢量控制中最重要的电参数是励磁电流Id和转矩电流Iq。当对电机施加不同的转矩时，调节励磁电流使电机能够以额定转速稳定运行，通过软件示波器对转矩电流进行测试，如表1所示。从表1中可以看出，随着转矩的增加，励磁电流的需求也随之增加，测量到的转矩电流的范围也增加。

表1 励磁电流及转矩电流对应表Table 1 Corresponding table of exciting current and torque current

2.2 励磁电流跟踪策略的设计

根据表1中的测量结果，可以看出随着转矩的增加，励磁电流和转矩电流基本成正比例关系，因此我们在控制程序中可以加入通过判断检测的转矩电流范围，选取相应的励磁电流值。具体执行流程为：驱动器对U、V、W三相电流反馈进行采样，通过坐标变换将三相变为两相，即励磁电流和转矩电流，将转矩电流分为(4～10，24～38，40～54，54～80，82～90，91～100)六个区间，根据之前得到的转矩电流判断当前的工况区间，并按照表格选择对应的励磁电流值，这样就实现了在整个负载区间下的稳定地自适应控制。

上述策略虽然能够连续地适应外界负载的变化来调节驱动器的输出，但存在一个问题：由于转矩电流的判断是一个区间，若采样、变换得到的转矩电流值恰好在两个区间的中间切换点或者在其范围没有覆盖到的值，就会造成励磁电流值在两个值之间来回摆动或瞬间没有值，从而造成转速的波动，甚至振荡。

经过上述分析，将励磁电流跟踪策略进行优化，即为了能够使整个过程更加连续，将转矩电流范围进行修正，如表2所示。

由于表2中转矩电流的区间都是连续的，那么可以用一条二次曲线对其进行拟合，设定曲线的最大值和最小值，可以更大程度地连续化励磁电流跟踪曲线。据此得到励磁电流和转矩电流对应的二次曲线方程为：

表2 励磁电流及转矩电流对应修正表Table 2 Correction chart of torque current relative to exciting current

将公式(8)编写入程序的控制环中，即可实现励磁电流跟踪控制的策略。

3 实验结果

将上述程序编写完成，在自主研发驱动器平台上进行实验验证，分别进行空载到额定转矩的切换、额定转矩到空载的切换实验。实验的波形如图2、图3所示。

从图2和图3中也可以看出，当切换负载时，转矩电流Iq迅速变化，励磁电流Id也随之进行自适应变化，保证电机的正常稳定运行。

图2 空载切换到50 N·m时电流波形Figure 2 Current waveform when zero load switching to 50 N·m

图3 50 N·m切换到空载时电流波形Figure 3 Current waveform when load 50 N·m switching to zero load

4 结论

通过上面的实验波形可以看出，随着负载的切换，转矩电流发生变化，随之励磁电流也跟着变化，达到了励磁电流跟踪控制的效果。该策略的算法量小，不依赖电机参数，鲁棒性强，而且该策略在实际工程中容易实现，对工程项目有很大的指导意义。

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编辑 陈秀娟

Tracking Method of Exciting Current for AC Induction Motor

WangDongsheng,ZengYulin

In view of the AC induction motor which is widely used in the variable pitch servo of wind turbine generator, because the variable pitch servo motor is affected by wind load randomness, the wind load changes will lead the exciting current of variable pitch AC induction motor fail to meet the work requirement of system, can't make the system work under the running condition of expectations. On the basis of directional vector control of rotor magnetic field to propose an external load torque estimated by the torque current, thus the exciting current could track the load change, making the exciting current satisfy the actural working demand and having the motor run under the best situation. The test result verifies the validity and practicability of this method and it improves the stability of system.

AC induction motor; vector control; load tracking; exciting current

2017—05—03

王东升(1983—)，男，研究生，工程师，国家一级建造师(机电)，研究方向为风力发电的控制系统、远程监控和智能维护。

TM315

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