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    基于ACS800-104LC的大電機試驗平臺

    2012-07-04 02:46:10王銳李帆康樂
    船電技術(shù) 2012年1期
    關(guān)鍵詞:定子矢量力矩

    王銳 李帆 康樂

    (中國船舶重工集團公司第七一二研究所,武漢430064)

    0 引言

    在電機行業(yè),傳統(tǒng)的電機試驗方式十分復(fù)雜,且試驗效果不是十分理想,工作效率低。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,變頻器功能越來越完善,接口更加友好,為電機試驗系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的技術(shù)條件,本文設(shè)計的綜合性通用電機試驗平臺采用變頻調(diào)速技術(shù)、有源整流技術(shù)及公共直流母線能量回饋方式;監(jiān)控系統(tǒng)采用以PLC為核心的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對系統(tǒng)設(shè)備協(xié)調(diào)控制及組態(tài),實現(xiàn)試驗需求。與傳統(tǒng)的試驗方法相比較,具有試驗精度高、通用、節(jié)能、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、諧波含量少的優(yōu)點。

    1 試驗平臺簡介

    本電機實驗平臺是采用ACS800LC功率模塊(R8i模塊),為大電機試驗而設(shè)計的綜合性試驗平臺。能滿足5 MW功率以下等級的發(fā)電機,電動機的出廠試驗、型式試驗的需求。與傳統(tǒng)的試驗方法相比較,能量回饋,具有節(jié)能和提高輸入側(cè)和輸出側(cè)功率因數(shù)的作用[1,2]。如圖1所示:其中R8i模塊是一個四象限脈沖變流器,四象限脈沖變流器可以向中間直流回路供電,也可以將中間直流回路的能量回饋電網(wǎng)。適用于輸出功率為200 kW以上的傳動單元,可以單獨使用,也可以并聯(lián)使用。每個R8i模塊既可以將輸入的三相交流電變?yōu)橹绷麟娤騻鲃訂卧虚g直流回路供電。進而中間直流回路向驅(qū)動電機的逆變器供電,中間直流回路可以只接入一個逆變器(單傳動),也可以接入多個逆變器(多傳動)。

    1.1 被試發(fā)電機試驗

    根據(jù)發(fā)電機的輸出電壓,調(diào)節(jié)好低壓轉(zhuǎn)接柜里的短接母排,在預(yù)充電完成后,在公共直流母線上建立起穩(wěn)定的直流電壓;啟動逆變單元1、2,驅(qū)動原動機M1、M2,使其運行轉(zhuǎn)速到一定的轉(zhuǎn)速上,使得被試發(fā)電機在這轉(zhuǎn)速點上,發(fā)出其額定頻率電壓和一定的輸出電壓;同時調(diào)節(jié)陪試同步電機,使其工作在與被試發(fā)電機相同的同步轉(zhuǎn)速狀態(tài);再啟動逆變單元3、4,使其工作在較小能量回饋狀態(tài)。加負載:調(diào)節(jié)逆變單元3、4的轉(zhuǎn)矩,增加其回饋功率,增加陪試電機的輸出軸功率。調(diào)節(jié)逆變單元1、2,使其驅(qū)動的電動機M1、M2轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速上。

    圖1 試驗平臺主回路拓撲圖

    1.2 被試電動機試驗

    同被試發(fā)電機試驗一樣:啟動逆變單元3、4,驅(qū)動陪試電動機M3、M4,使其運行轉(zhuǎn)速到確定的轉(zhuǎn)速上,通過聯(lián)軸器使得陪試電機工作在相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速上,發(fā)出額定工頻的電壓。調(diào)節(jié)陪試電機的輸出電壓達到一個值,再啟動被試電動機,使其運轉(zhuǎn)起來,再調(diào)節(jié)陪試電機的勵磁電流,使被試異步電動機工作在接近同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)。加負載:調(diào)節(jié)逆變單元1、2的輸出轉(zhuǎn)矩,增加其回饋功率,即增加被試電動機的輸出軸功率。調(diào)節(jié)逆變單元3、4,使其驅(qū)動的電動機M3、M4轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速上。

    2 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)原理

    直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)變頻調(diào)速技術(shù)是近幾年來繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型,控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,進而確定電磁轉(zhuǎn)矩,將磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與給定值比較,把誤差分別送入磁鏈控制單元和轉(zhuǎn)矩控制單元,兩者的輸出信號與磁通角共同作為控制逆變器的開關(guān)信號,驅(qū)動逆變器產(chǎn)生三相電壓作用電機。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間電壓矢量的分析方法,直接在定子坐標系計算和控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向,借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能,在很多程度上解決了矢量控制中存在的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制有如下特點:

    a) 直接轉(zhuǎn)矩控制只控制電動機的定子側(cè)的參數(shù),所以控制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變化的影響;

    b) 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制運算均在定子靜止坐標系中進行,大大簡化了信號的處理過程,提高了控制運算的速度;

    c) 直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩,所以并不過于追求圓磁鏈軌跡和正弦波電流,只追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準確性;

    d) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)即直接控制轉(zhuǎn)矩,又直接控制定子磁鏈,其控制方式采用閉環(huán)兩位控制(Bang-Bang控制)。

    2.1 異步電動機的模型

    為了便于分析異步電機的數(shù)學(xué)模型,必須進行一些假定,以抽象出所謂的理想電機來。這些假定是:(1)氣隙均勻;(2)磁路線性;(3)定、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱,其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布;(4)忽略磁場諧波,即設(shè)磁場正弦分布。三相異步電動機的物理模型如圖2所示。

    圖2 三相異步電動機的物理模型

    圖2中,定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的,以A軸為參考坐標系;轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度θ為空間角位移變量。

    2.2 電壓方程

    電壓方程為:

    式中:

    uA、uB、uC、ua、ub、uc——定子轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值;

    iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值;

    ψA、ψB、ψC、ψa、ψb、ψc——定子轉(zhuǎn)子繞組的全磁鏈;

    2.3 轉(zhuǎn)矩方程

    電磁轉(zhuǎn)矩可由能量守恒定律導(dǎo)出。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,在多相繞組電機中,其磁場儲能為:

    根據(jù)能量守恒定律導(dǎo)出。在異步電機運行時,其電磁力矩 Te等于電流不變時磁場儲能對機械角位移θm的偏導(dǎo)數(shù)。即

    式中:Pn為電機的磁級數(shù);θr為電角位移,θr=pnθm

    式中:Msr——定轉(zhuǎn)子之間的互感運動方程:

    式中:TL——負載阻力矩;J——機組的轉(zhuǎn)動慣量;D——與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)[3]。

    3 逆變器的工作原理及控制方法

    R8i模塊的DTC系統(tǒng)的工作原理如圖3,不同于傳統(tǒng)交流傳動控制器,DTC是將交流電機的轉(zhuǎn)矩作為主要的控制參數(shù),而不是電流。在DTC控制下的交流電機,電流是保證電機達到需要的轉(zhuǎn)矩結(jié)果的保障。在DTC中,高速數(shù)字信號處理器與軟件模型相結(jié)合,自動采集電機的參數(shù)并以足夠的精度直接計算電機的轉(zhuǎn)矩和定子磁通。模型的運算速率為25 μs,即電機轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)每分鐘更改 40000次,沒有單獨的電壓和頻率控制的PWM 調(diào)制器,所有的開關(guān)器件的選擇由電機的電磁狀態(tài)決定。

    直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓型逆變器,對于逆變器的開關(guān)信號的形成采用空間電壓矢量調(diào)制方法,空間電壓矢量調(diào)制方法是以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機所產(chǎn)生的理想磁通圓為基準,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通,并它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。如圖4所示的位于同一橋臂的功率管的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的,當位于同一橋臂上面的功率管式導(dǎo)通,小橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。在直接轉(zhuǎn)矩控制中,逆變器有6個開關(guān)的8種組合輸出的不同電壓矢量u( i = 0,1,2,…,7)。這些不同的電壓狀態(tài)分成兩類:一類是零電壓矢量;一類是工作電壓矢量。忽略定子電阻壓降,定子磁鏈的運動方向基本沿u進行的,因此合理選擇電壓矢量的施加順序使得u的運行軌跡形成六邊形,為便于控制將磁鏈旋轉(zhuǎn)軌跡分成6個扇區(qū),根據(jù)磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與給定值比較得出的誤差,并結(jié)合定子磁鏈所在區(qū)域從開關(guān)表中選擇合適的電壓矢量控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)[4]。

    圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制方法原理框圖

    圖4 電壓型逆變器

    4 結(jié)論

    本試驗平臺運用了ABB公司最新的直接轉(zhuǎn)矩控制和四象限運行原理,實現(xiàn)了電機的高性能控制,該電機試驗平臺功能齊全,性能好,功率等級和效率高,大大節(jié)約電機消耗的能量,實現(xiàn)節(jié)能減排。試驗臺在某電機廠開始運行以來,先后做了多個型號的電機試驗:其中逆變單元1和逆變單元2對拖,逆變單元1電動,逆變單元2回饋;逆變單元1和逆變單元2共同拖動發(fā)電機直接回饋電網(wǎng);逆變單元1和逆變單元2共同拖動發(fā)電機,再通過同步電機逆變單元3和逆變單元4回饋電網(wǎng)。其中包括2.5 MW同步發(fā)電機:(1)當逆變單元3加負載電流1060 A,力矩-3.5%,逆變單元4電流1064 A,力矩-3.5%;逆變單元1負載電流1023 A,力矩2.1%,逆變單元4電流1023 A,力矩2.3%,此時電機轉(zhuǎn)速1000 rpm;(2)當逆變單元3負載電流1130 A,力矩-20%,逆變單元4電流1140 A,力矩-19.99%;逆變單元1負載電流1210 A,力矩26.53%,逆變單元2流1212 A,力矩26.55%,電機轉(zhuǎn)速1000 rpm;(3)當逆變單元3負載電流1356 A,力矩-35%,逆變單元4電流1360 A,力矩-36%;逆變單元1負載電流1500 A,力矩42.92%,逆變單元2流1493 A,力矩42.69%,電機轉(zhuǎn)速1000 rpm;回饋效果明顯,工作效率高。

    [1]康樂. 能量回饋式電機試驗平臺的系統(tǒng)研究[J].通訊電源技術(shù), 2010, 27(2): 9-10.

    [2]姬凱. 變頻器在通用大容量電機試驗系統(tǒng)的應(yīng)用[J].變頻器世界, 2009, 12:82-85.

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    [5]王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)(第四版)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2005.

    [6]許實章. 電機學(xué)(第三版)[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1995.

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