异步发电机直流供电系统自励建压新法

异步发电机直流供电系统自励建压新法

hc360慧聪网电气行业频道 2004-06-17 15:35:47

摘要 变换器控制的直流供电系统的应用将越来越广。本文在介绍目前变换器控制的异步发电机建压方式的基础上，提出一种新的变换器控制的异步发电机自励建压方法，该方法不需要测量异步发电机的转速，能与直接转矩控制策略很

关键词 异步发电机 自励建

压 直接转矩控制

1 引言

由于能源危机和环境危机的影

响，风能、潮汐能等可再生新能源在

全球都得到了研究开发。高性能的风

力发电供电系统通常采用电力电子技

术的变速恒频(VSCF)技术，由发电机、

变换器组成AC，DC-AC系统。其中AC-DC环节的一种解决方案是采用笼型异步电机与变换器构成直流发电环节。采用结构简单、坚固、价廉、易维护的笼型异步电机，可降低系统成本、提高可靠性。在航空起动／发电二合一的电源系统的研究中，采用笼型异步电机也已被重视。在混合动力汽车中，异步电机也被用作为驱动／发电电机。对于单机运行的异步发电机，只能由外电路提供无功电流来励磁。在一些应用异步电机发电的场合，采用输入端并电容器来实现励磁，但当原动机转速变化或负载阻抗改变，则显然很难维持电压恒。这些缺点使异步电机作发电机运行应用不多，远不及同步发电机。为克服一般电容励磁异步发电机的缺点，采用现代电力电子装置控制异步发电机，构成新型高性能异步发电机供电系统，则是必然的选择。

直流起动、发电的供电系统在正常情况下，直流母线上是保持额定电压的。起动时，直流电能从电网流人变换器驱动电机，实施起动发动机过程；发动机正常运转后，通过变换器控制电机的状态从电动运行转换到发电运行，电能从电机经变换器送人电网。在变换器的控制下，系统可从电动状态平滑转换到发电状态，在转换的过程中，直流母线电压始终保持，不存在系统建压问题。但在故障情况，或不需要起动仅需发电的情况，发动机(原动机)已正常运转，供电系统必须经历从低到高的建压(自励)过程。

2 异步发电机-变换器的自励建压方式简介

异步发电机的电容器自励建压是利用了异步发电机的剩磁电压，在剩磁电压的作用下，电容器产生的电流可使电机的励磁电流逐步加强，使得电机的端电压逐渐提高。但是，一般情况下，异步发电机在额定转速下的剩磁电压不超过2V，经变换器的续流二极管整流后，在直流母线上的电压不超过4V，如此低的电压在直流侧电容器上存贮的电荷是相当有限的，再经变换器的开关器件上压降损失，在电机回路中形成的电流是相当小的，不能被变换器的电流传感器准确测出。

因此变换器不能象电容器那样利用剩磁电压即可使异步发电机自励建压。可以有这样的一个结论：采用变换器使异步发电机自励建压的一个必要条件是变换器的直流母线上必须有一定的电压。试验表明，如果用电池给母线建立初始电压，10V左右的电池可使异步发电机顺利自励建压。该初始电压用于自励开始时经功率开关在电机的端接施加一低电压，形成初始电流，在电机中建立最初始的磁通。有了初始磁通，就有了机电能量转换的必要条件。在适当的控制策略下，使磁场逐渐增加，并使有功逐渐增加，直流侧母线电压逐渐增长。

在异步发电机的V／F控制方式中，通过检测异步发电机的转子转速，在转子转速上减去一个小的转差，得到调制正弦波的频率，让调制系数随着电压的升高而增加，使得电机里的磁通增加。关于详细的V／F控制的异步发电机的自励过程。

在异步发电机的矢量控制文献中，涉及自励问题的不多，电路将直流母线电压充电至正常值，采用了前述的V／F自励控制方式，当电机的磁链、端电压上升至一定程度后，转入矢量控制方式。

异步发电机直接转矩控制运行的一个优于矢量控制的特点是：在控制的过程中不需要知道电机的转子转速并参与控制，这样可省去速度传感器。显然，若在此采用上述文献中常用的V／F控制自励建压方式，则必须要有电机的转速信息，加装了速度传感器则又抵消了直接转矩控制的一个优点。那么，直接转矩控制自励过程是否一定要转子转速信息呢?

在对异步发电机的自励建压过程仔细分析的基础上，笔者提出一种新的异步发电机-变换器的自励建压控制方式，该方法与直接转矩控制能很好地结合，且不需要转子转速信息。

3 直接转矩控制的异步发电机变换器自励建压原理与过程分析

采用直接转矩控制的异步发电机直流供电系统的结构框图如图1所示，原动机拖动异步电机旋转，异步电机处于发电运行状态，从变换器的直流母线上输出直流电能。以DSP芯片TMS320C32为核心构成控制电路，根据异步电机的运行状态，运用直接转矩控制方式，控制三相逆变桥六个功率管的通断。由于尚无适合于270V直流电压等级的异步发电机，仿真与实验系统均采用380V电压等级(对应直流540V)的异步电动机做发电运行。自励建压过程开始前，直流母线必须施加一低电压(如用电池经二极管供给48V直流电压，图1中用开关表示)。直接转矩控制的异步发电机-变换器自励建压过程大致可分为两个步骤。

3．1 发电运行状态的建立

这一步是从在异步发电机内部建立旋转磁场开始，到其转速低于转子转速而进入发电状态结束。磁链的幅值被控从0开始随时间缓缓地增长，当磁链幅值很小时，尽管直流母线电压不大，相应的空间电压矢量的幅值较小，如果不插入零矢量，只使用有效电压矢量，也可使定子磁链的转

图1 直接转矩控制异步发电机系统框速大大高于转子的转速。如图2所示，给出了异步发电机在这一阶段的机械特性。如果电压矢量幅值不变，随磁链幅值的逐渐增加，磁链的旋转速度会渐渐下降，反映在机械特性上，电机的理想空载转速n0。逐渐下降。当理想空载转速no>n，电机处于电动运行状态；显然，当磁

链幅值进一步大，电机的理想空载转速n。必然会低于转子转速n，当no<n，电

机进入发电状态。判断异步发电机是否进入发电状态，是通过观测电机的电磁转矩(几个控制周期的平均值)是否小于0来确定，因为不检测转子转速，不能通过转速关系来判断。

在建立磁通的过程中，对转矩也是要加以控制的。前面分析指出，如果不插入零矢量，定子磁链的转速因其幅值较小而速度较高，电机工作于电动运行状态，因转差较大，电机从提供初始激励的低压电源(电池)中吸取较多的能量，电磁转矩大于0，相对较大，消耗较多的电能。显然建立初始磁通的额外消耗是可以避免的，因此要对电机的电磁转矩加以控制。设给定转矩T=0或较小的正值如0．01Nm，当电磁转矩的观测值T>Te插入零矢量，这样迫使定子磁链幅值增长

同时，其旋转速度与转子速度相近。当磁链幅度的增长使电磁转矩小于0，则进入了发电运行区。一旦进入发电状态，则进入电压增长控制阶段。

3．2 发电建压控制过程

第一步结束时，异步电机进入发电状态，但输出直流母线电压没有增长，定子磁链的幅值仍很小。第二步中，一方面要继续扩大定子磁链，另一方面使异步发电机处于稳定的发电状态，为直流侧电容器充电，使电压逐渐增长，达到给定值。这一步的控制结构与直接转矩的控制结构完全一样，采用相同的磁链环与转矩控制环，不同的是磁链给定与转矩给定。

在本文的研究中，采用了一台380V、Y110L-4、2．2kW的异步电动机作为研究对象，用于发电运行。对于此异步电动机，其额定定子磁链ψ=0．94Wb。当此异步电机用于270V系统时，因Udc下降，空间电压矢量的幅值下降，要使定子磁链的旋转速度仍能跟上转子转速，定子磁链幅值必须下降，如当Udc=270V时，在其同步转速下(314rad/s)，定子磁链应变为：270／540ψ=0．47。在自励过程当中，直流电压从初始电压(如48V)逐渐增长至270V，磁链的幅值必须控制跟随电压的增长而增长。另一方面，转子转速还随原动机变化，同样道理，磁链幅值

也必须要改变，使磁链的旋转角速度适应转速的变化。根据以上分析，得出自励过程的给定磁链，如下式

（公式）

式中，w定子磁链转速的观测值，有下标e为额定值，对于Y110L-4-2．2kW的电机，ψe=0．94Wb，Udce=540V ,we=314rad/s。代入式(1)中，得到适合此异步电机作发电运行时的磁链给定，

为防止低速时磁路饱和，磁链的最大值不超过额定磁链。对270V的直流系统，当转速低于wb=0．5466X270/0．94=157rad/s以下时，磁给定就固定为额定磁链ψe不变了。

在自励建压的过程中，为了不使异步发电机进入不稳定运行区，某运行状态下的给定转矩不应超出异步发电机在此状态的最大转矩Tm。最大转矩与端电压、工作频率有关。转矩给定的最大限值Tm，由式(3)给出

]

（公式）

式中Tme---所用异步电动机在额定电压(380V，对应直流540V)下的电磁转

矩最大值we额定角频率实际转矩给定取0．5Tm．比较合适。

如此确定异步发电机自励过程的磁链给定与转矩给定，与直接转矩控制策略很好的结合，顺利地使异步发电机自励建压。

图4：异步发电机直流供电系统自励过程的仿真

4 直接转矩控制的异步发电机变换器自励建压过程的仿真运用Matlab Simulink/PSB建立直流异步发电机供电系统的仿真模型，对直接转矩控制的异步发电机-变换器自励建压的过程进行仿真，验证其控制方法的正确性。仿真用的异步发电机采用Y110L-2-2．2kW的异步电动机的参数。异步发电机的转速恒定，为314rad/s，系统为空载(带 负载自励也行，只是发出的电能不能全用来为直流侧电容充电，使自励建压过程时间加长)。 仿真得出的波形如图3、图4所示，给出了自励建压过程中的磁链幅值增长的曲线、输出电压增长的曲线、转矩曲线。从仿真结果可见，从0s到0．02s为自励的第一步，输出电压为初始电压(48V)不变，定子磁链从0开始增长，但电磁转矩被控为0，当定子磁链幅度增大使其速度低于转子转速，进人自励过程的第二步。时间大约从0．02-0．26s结束。从图4异步发电机直流供电系统自励过程的仿真图中可见，输出电压、定子磁链幅值、电磁转矩均呈加速增长。磁链幅值的增长通过图3所示的磁，链圆可直观地看出。当输出直流电压接近给定输出电压(270V)时，自励建压过程结束，给定转矩由输出电压控制器根据输出电压与给定电压的偏差按PID调节规律输出。从图中可观察到从自励建压阶段向正常控制状态转换的过渡过程。

5 实验结果与结论

利用实验室一套Y110L-2-2．2kW的异步电机-直流电机机组进行了异步发电机直接转矩控制试验，直流电机作电动运行，拖动异步电机发电。原动机转速小于1500r／min。发电前直流母 线电压为48V，由一整流电源经一只二极管提供 (二极管起单向导电作用)，用于励磁建压，稳定运行输出电压为270V。实验中纪录的电压建立过程波形如图5所示。

由于异步发电机没有单独的励磁绕组，其励磁电流以定子电流的励磁分量存在。因此其自励过程的控制比有单独励磁绕组的发电机要复杂得多。本文提出一种新的异步发电机变换器控制的励磁建压方法，该方法将自励建压过程分成发电状态建立过程与发电建压控制过程两个步骤。该励磁建压控制策略不需要检测异步发电机的转速，能与直接转矩控制策略很好的结合。

信息来源：《中小型电机》

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rlli.html