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基于电流源型变频器的电机长线驱动方法

2024-10-17 73 上传者：管理员

摘要：为解决因电机运行环境干扰信号过多、各项运行指标配比不均衡导致长线驱动稳定性差的问题，提出一种基于电流源型变频器的驱动方法。先建立电机同步运行模型，求解在不同的时间节点下电机定子、转子以及转动角等各项参数的同步变动关系，然后将该关系值作为长线驱动的初步参照，分别设计单闭环和多闭环驱动机制，最后采用电流源型变频器参照控制电机线路电流和电压的极限变化，通过变频器阈值调节使得电压和电流驱动达到平衡状态，以平衡值为阈值建立驱动器。实验数据表明，所提方法长线驱动性能表现较佳，电机运行稳定性强。

关键词：
变频器阈值
同步运行模型
多闭环驱动
电机长线驱动
电流源型变频器
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现阶段，随着电力建设应用的不断扩大，高性能、高精度的电力材料和电子技术不断地突破和创新，电机在各种电力发电、生产和建设领域具备重要作用，其具备体积小，效率高以及环境适应能力强的特点。电机的工作流程是通过调速控制和转子角度的实时监测来达到同步控制工作的目的，但由于工作环境不可避免地会出现或大或小的故障影响，并且，由于转子角度和驱动控制角度之间存在一定误差，容易出现同步错位现象，从而影响整体工作性能。为避免这种现象的发生，建立电机长线驱动方案，通过长线驱动不仅可提高电机远程单建立输送效率，且具备动态响应特性快，使得电机更具备长效应用能力，运行更加稳定。国外众多发达国家对电机长线驱动开展研究，早期研究仅停留在自身主动驱动控制方面，目前结合电机全方位内外因素开展其长线驱动研究。近年来，我国也开展该项技术的研究，并已经取得部分成果，如下所示：

文献[1]提出一种基于导通角调节的电机长线驱方法。建立电机运行的电耦合模型，设计一种V形双足式尺蠖电机结构，将二者进行耦合联立，计算导角值在不同耦合模型中随电机运行频率变化的实时数值，分析电机运行机理驱动，将驱动值作为约束参数对导角数值进行约束。该方法没有对考虑到电机运行中其他电磁、噪声影响参数，导致驱动算法存在一定的误差，影响驱动结果；文献[2]则采用一种基于级联H桥变频器的极电机驱动系统。求解电机线路从低压单元级升至高压单元级所需的最大功率消耗，并计算变频器输出电流谐波，增加驱动约束范围，将功率消耗和电流谐波控制在长效驱动范围内，由此达到对电机中其他参数的同等驱动。这种方法具备一定的驱动效率，但由于各个参数之间具有变动差异，算法限制性较高，实用价值不高。文献[3]则引入电机串联变频器主从控制技术，设计主减速试验器驱动系统。同时介绍了该系统的选型和配置情况，以及解决双电机负荷分配和同步运行的技术难题。这种方法具备一定稳定性，但由于没有考虑环境适应能力对其的影响，影响驱动效率。

综上所述，本文提出一种基于电流源型变频器的电机长线驱动方法，为“智能电网技术与装备”专项“海上多平台互联电力系统的可靠运行关键技术研究”提供理论依据和技术支撑。预先考虑电机内部运行参数不同频的特点，建立电机同步数学模型，设定理想空间，计算三相定子绕组在电机内部的运行对称性和导向角度数值。为提高同步模型与电机实际运行数据之间的对应性，给出电机线路中自感值和互感值之间的数据表达关系，将该值作为后续长线驱动函数的前提基准，可大大降低驱动算法的误判率，提升精准度和效率。根据电机线路的单闭环和多闭环运行参数，结合电源型变频器进行电压和电流参数调节，得到在不同电力线路状态下的实时状态值，以该值作为最佳长线驱动参照，由此提高长线驱动的精准度和效率，在最大程度上保证了电机运行的安全性和稳定性。

1、基于电流源型变频器的电机同步建模

为能提高电机长线驱动的精准性和有效性，采用电源型变频器来建立电机同步模型，通过同步数学模型，判定电机内部各项参数之间的同步变动关系。当捕捉到一个节点参数时，根据该关系值即可得到与其成同步关系的其他节点参数，便于后续进行长线驱动和管理。

为简化电机同步数学模型，设定电机为理想运行状态，三相定子绕组在空间上呈现对称分布，角度值相差120°，为确保同步数据计算的精准性，不考虑噪声、电磁、磁饱和以及温度损耗[3]等变化影响。由此，得到一个在静态运行环境下的电机数学模型如图1所示。

图1 电机线路运行示意

由图1可知，其中电力线路的电阻、电感以及电势串联存在一定的关联关系，其中，Ra、Rb、Rc为三相定子绕组的内阻值；La、Lb、Lc为关于三相定子绕组线路；设Mab、Mbc、Mac为线路自感值以及线路互感值[4]，数学表达关系式为：

式中，Lad表示电机同步数学模型中，定子绕组的直枢反应电感值，该值与电直向磁导之间成正比关系；Laq表示定子绕组的交枢反应电感值，该值与电力磁导交向之间成正比关系；θ°表示直向和交向定子变化角度。对于电机内部运行的反电势变动[5]关系为：

式中，Ke表示电动势常数值；ω表示转子受定子更改的旋转角度；MFa、MFb、MFc表示与Mab、Mbc、Mac对应的线路自感值以及线路互感能量；E表示能量值。

2、基于电流源型变频器的电机长线驱动算法实现

2.1 闭环长线驱动设计

一般情况下，电机存在多种驱动运行情况，如闭环驱动、多闭环驱动以及整流驱动等，不同情况的长线驱动侧重点也各不相同。本文考虑到这点，将驱动算法与电源型变频器相结合，按照闭环、多闭环以及整流情况分步骤来安装电源型变频器，通过调频控制来达到最佳驱动环境使得电流和电压值符合驱动标准，最后完成统一整合，提高整体电机驱动效率。长线驱动控制结构如图2所示。

图2 长线驱动控制结构图

电流空间矢量幅值驱动调节。

设定电机工作时驱动转子夹角信息坐标系为di、qi，当两个角坐标系重合时，可得到=0,

式中，ke、kr分别表示电机运行的正常数；ls表示电机长线驱动距离；φr、φrf表示驱动转子的角度值，可近似认为为驱动反馈量[6]。当电机处于闭环长线驱动运行时，需要将每一步的执行过程反馈给前缀控制器，此时，电源型变频器可掌握命令下达后，完成下一步驱动工作。为保证电机运行稳定性，在该环境下长线驱动算法需要通过调节电流和电压矢量值，达到一定平衡标准，将其作为幅值参考，完成长线驱动，表达公式为：

式中，pi,j f表示电机运行频率；Ii,j f表示闭环情况下电机整线的标定电流值。当电机运行出现扰动时，为能更好地抑制扰动[7]，维持稳定转速φr，当角频率变化时，主动采用电源型调频器，来调节角频率的变化量，使其能有效满足当下的高频驱动特性，表达公式为：

式中，Thips表示转子运行周期；ri表示电流调节量为负能减少的电磁转矩。通过设置电源调频器合适的调频系数能够帮助电力进入稳定区，以此有效提高电机运行的稳定性和性能[8-9]。电机长线驱动调节的目的是让电机驱动各变量处于平衡稳定状态，提高角频率和电流调节来达到共同作用，进而提高整体长线驱动稳定性。通过上述分析，取Thips正整数，并代入到式（5）中可得到长线驱动变化量为：

2.2 多闭环长线驱动设计

不同于单闭环长线驱动过程，电机多闭环长线驱动过程，由于电机内部影响因素过多，为保证电机系响应的高效性和数据实时反馈能力，电源型调频器仅使用单一调频系数，将前馈补偿后，再逐步安排驱动，表达公式为：

式中，表示电源调频控制器的电压最小极限值；表示电源调频控制器的电压最大极限值；id-min-0表示从长线驱动d轴线源点计算到终点的最小电流值；uq-row表示q轴线电压；pi,if表示线路电流补偿频率；id-inv-0表示d轴线源点计算到终点的标准电流值；iq-c、id-c表示d和q轴线的端点电流；id-inv表示电流阈值。在长线驱动过程中加入考虑电流补偿[10-11]，可在最大程度上约束电机线路电流的不稳定变化，以d轴线电流值作为参考，可得到：

2.3 整流驱动控制器

通常在连接整流的电机运行电压情况下，为保证电机长线驱动的整体应用性能和环境适应能力，决定在考虑电压和电流最低负载变化的基础上，给出最终的统一长线驱动策略。上述步骤针对单闭环和多闭环情况进行驱动分析，采用电流源型变频器进行参数调整，给出最终的整流驱动控制器为：

式中，ζ表示整流驱动控制器的三角变频控制函数，将现场参数输入到驱动器中即可完成综合性最佳的长线驱动[12]。这种长线驱动策略整体趋向于一定的现场适应性，当电机工作时，可通过实时环境参数的输入与反馈得到最佳的驱动阈值，该驱动阈值不仅考虑到实时电流、电压以及负载频率的变化，还重点标记了不同情况下能承受的极限值，在一定程度上减少驱动失误，提高驱动效率和性能。

3、性能测试

3.1 测试环境

为验证文中提出基于电流源型变频器的电机长线驱动方法的有效性，准备同步电机、三相传输电缆（总长70 m）、电源型调频器，七段式功率波频为12 kHz。将上述设备参数进行整体输入到系统驱动测试模型中，并针对电机长线驱动性能给出电压和电流稳定性两个核心物理量实现有效性比对，电压、电流指标大小可有效验证电机长线驱动的基本和拓展性能，电流和电压表现越稳定，代表驱动效果越佳，涉及到的电机参数如表1所示。

表1 电机运行参数示意

3.2 基于电压波频变化的长线驱动结果对比分析

以电机运行电压波频变化作为电机长线驱动的有效性验证指标，并与基于导通角调节的电机驱动法、基于级联H桥变频器的电机驱动系统进行对比分析，结果如图3-图5所示。

图3 基于导通角调节的电机驱动法电压波形

图4 基于级联H桥变频器驱动法电压波形

图5 本文驱动法电压波形

从图3-图5中可以看出，三种长线驱动方法应用后，电机的电压波频均得到了一定程度的改善。但通过细节对比可发现，本文的电压波频整体变动呈现较为规则的走势，各个频段之间高峰和低峰值存在一定规律，不存在较大高低频变化，整体变动稳定性强。由此可说明，应用本文长线驱动法的电机运行更加平稳安全，不会轻易受到噪声及其他故障干扰，算法环境适应性很强，电压振荡频率较小，验证了本文驱动方法的高性能；反观另外两种方法，电压波频变化不稳定，电压高频振荡现象严重，规律性也较差，证明了二者不具备高效的长线驱动能力。出现这种现象主要是因为二者的长线驱动方法没有预先考虑到电机不同运行情况，采用太过单一驱动策略存在一定误差。

3.3 基于电流波频变化的长线驱动结果对比分析

图6 基于导通角调节的电机驱动法电流波形

图7 基于级联H桥变频器驱动法电流波形

从图6-图8中可以看出，三种方法中经过本文驱动处理后电机电流运行波形最为稳定，整体呈现统一标准化波频变动情况，在相同测试单位内可发现电流波频运行规律，不存在过度变化的情况。由此说明，本文的长线驱动算法对电机稳定运行起到了重要帮助，驱动性能优越，可保证电机能在短时间内完成快速启动，不会出现过高负载和电流分配不平衡导致的驱动不稳定问题；反观另外两种方法，电流变化呈现极为混乱的状态，高低峰值出现次数过多，驱动算法性能表现差，未能很好约束电机内部电流变化，导致驱动效率和稳定性均较差，实用价值不高。

图8 本文驱动法电流波形

3.4 性能验证

为了验证本文方法的有效性，将频域波形的纵坐标采用对数形式进行展示，并将所标记各频率处的电流值予以表格统计，分别在四维电流和二维电流环境下进行控制，结果如图9所示。

图9 两种电流控制对比分析

从图9可以看出，在两种环境下，控制算法的基波频率f处的幅值近乎相同，四维电流控制的电流中5、7次谐波幅值较小，而二维电流控制的电流波形中存在较多的5、7次谐波，正是这些谐波叠加在了基波上，导致图9(b)的畸变电流形状。根据空间矢量解耦变换阵，5、7次谐波分量存在于xy子空间中，说明二维电流控制虽然在理论上令xy子空间的电压矢量为零矢量，但由于其为开环控制且实际控制中存在误差，不可避免地使得在此空间中所合成的电压矢量幅值不为0。由于本文所用电机的功率较小，因而产生了较大的xy子空间谐波电流，而四维电流控制通过对xy子空间的闭环控制，避免了较大谐波电流的产生，因而其所控制的电机相电流波形中5、7次谐波分量较小，并且没有发生明显畸变。

4、结束语

本文提出一种基于电流源型变频器的电机长线驱动方法，采用电流源型变频器自主控制性能强、电流电压调节精准度高的特点，将其应用在电机长线驱动过程中，可大大提升驱动算法的现场适应能力，具备一定的自主控制效果，对电流和电压的稳定变化均起到重要帮助。考虑到电机存在多种运行情况，本文分别对单闭环和多闭环以及整流情况进行针对性驱动，提高驱动算法的鲁棒性和整体适应能力。实验数据也证明了本文驱动算法的优异性能，算法不局限于单一的长线驱动范畴，结合电机实际运行情况，多方面考虑稳定性和整体功率变化。

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