无刷同步电动机智能励磁系统研究

李 辉，杨永立，邹 缙

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

同步电机由于具有功率因数高，运行效率高的优点，在工业领域得到广泛运用。其励磁系统是同步电机正常工作时的核心部件。无刷励磁同步电动机具有应用范围广，可以在存在易燃易爆气体环境中使用，运行可靠，日常维护量小，转速高等优点。

PID控制器是同步电动机励磁控制系统的基本控制方式，PID控制具有结构简单，参数易于调整，适应性强等优点，这种调节方式比较成熟，应用的比较多。但由于同步电动机励磁系统是一个非线性时变系统，其数学模型不好确定，它的模型会因环境和运行条件而变，因此这种方法无法从根本上解决动态品质和稳态精度的问题。模糊控制具有不依赖对象的数学模型，鲁棒性强的特点，在某些领域有良好的控制效果，将PID控制与模糊控制结合起来构成模糊PID控制器。偏差控制能减小被控量的波动，具有稳定性好，响应快的优点，所以本文将利用模糊PID控制和偏差控制来调节功率因数，采用MATLAB对励磁系统进行建模仿真[1-2]。

1 励磁系统的概述

无刷励磁的原理如图l所示。交流励磁机为同步发电机，定子为励磁绕组，转子为电枢绕组。此电枢绕组与旋转整流器、同步电动机转子一起旋转，电枢绕组产生三相交流电经旋转整流器整流给同步电动机转子励磁，从而实现无刷励磁。

励磁系统性能的好坏直接影响到电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性。同步电动机的励磁装置主要有3个方面的作用：1）完成同步机的异步启动并牵入同步运行；2）在牵入同步以后励磁电流的调节控制；3）监控系统故障，确保同步机安全运行。同步电机在正常运行过程中会受到各种各样的扰动，就会引起电机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。励磁装置能检测同步机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既保障设备的安全性，又保持运行连续性。同样，励磁装置在正常运行过程中，自身也会受到各种干扰，造成可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流超限等故障。当出现上述故障，励磁装置识别后报警或跳闸，以保证励磁装置的安全运行。

2 无刷励磁系统主回路设计

图1 无刷励磁原理图Fig.1 Block diagram of brushless excitation

主回路电气原理图如图2所示。主回路完成对交流励磁机发出的交流电的整流工作。硅整流器采用三相全波整流电路，免去触发电路，并用大功率晶闸管KQ1管作同步无触点开关。当同步电动机定子绕组接通三相交流电源后，电动机内产生一个旋转磁场，转子在感应力矩作用下旋转起来。当电机异步启动时，控制模块控制KQ2导通，将电阻RF接入同步电机转子回路，使同步电机转矩特性得到改善，使其异步启动转矩对称。在此对称转矩的作用下，电动机平稳的加速到接近旋转磁场的转速[3]。当S=0.05时，控制模块里的转差检测投励单元通过控制KQ1的导通来准确的投励。当同步电机正常运行时，电阻RF由于长时间带电引起不必要的发热，控制模块为保护电阻会控制起动可控硅KQ2关断。在运行过程中若检测电路检测到同步电机转子回路有过电压时，控制模块又会重新将电阻RF接入转子回路消除过电压。

图2 主电路原理Fig.2 Diagram of main circuit

3 同步电动机励磁系统模型

3.1 模糊PID控制器设计

在同步电动机的功率因数调节中，模糊控制器的输入为功率因数的偏差E和功率因数偏差变化率Ec，控制器的输出变量为PID控制器的参数[4]Kp，Ki，Kd。模糊控制器偏差输入E为功率因数给定和反馈的差值，功率因数又有超前和滞后之分，而同步电动机一般工作在超前状态，功率因数一般在0.8～1之间。仿真时我们取得是功率因数角φ，所以E 的论域取为[－90°，90°]，模糊子集为{负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM，NS，NZ，ZO，PZ，PS，PM，PB}；Ec的论域为[－400°/s，400°/s]，模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，输出变量论域为[－6，6]，确定其模糊控制规则表，该模糊控制器采用zadeh推理，最大－最小合成算法和加权平均解模糊法[5]。

表1 模糊控制规则表Tab.1 Rules table of the fuzzy control

3.2 同步电动机无刷励磁原理图设计

同步电动机功率因数调节系统原理图设计图如图3所示，当同步电动机起动时，静态励磁装置里的滑差检测电路检测同步电动机的滑差率S，当S=0.1时，系统投全压。当S=0.05时，系统顺极性投励。同步电动机被平稳的拖入同步运行状态后，静态励磁装置里的检测电路不断检测线电压和相电流，计算出实际的功率因数值，将功率因数的给定值与实际值的差作为模糊PID控制器的输入信号，控制器的输出量叠加到给定的励磁电流（由给定的功率因数计算得来）上修正励磁电流。这个修正量与检测的励磁电流的差作为励磁电流PI控制器的输入信号，再根据控制器输出信号来改变脉冲触发器的控制角，进而控制三相桥式整流器的输出，改变交流励磁机励磁电流的值。由于交流励磁机的转子与同步电动机的转子同轴，当同步电动机旋转时，交流励磁机电枢绕组产生三相交流电经整流器整流后供给同步电动机励磁绕组，同步电动机转子励磁电流的调节可以通过控制交流励磁机定子的励磁电流来实现[6]，从而达到调节功率因数的目的。

图3 无刷同步电动机功率因数调节系统原理图Fig.3 Block diagram of regulating power factor of brushless synchronous motor

这种控制方法相比模糊PID控制而言增加了偏差控制，即前馈加反馈的控制方法。这里励磁电流环给定包含两部分：第一部分是根据励磁电流和功率因数之间的关系计算出来的，是前馈部分；由于模型的不准确，计算的励磁电流给定也是不完全准确的，需要加以修正，这由闭环部分完成，即功率因数闭环输出一个修正量叠加到前馈环节上，使功率因数闭环无差。其优点是闭环输出的范围即调整量相对较小，因此系统响应较快；第二个优点是系统可靠性提高：即使闭环部分出错，励磁电流给定也不会大范围变化。第二部分是反馈部分即从同步电动机检测的励磁电流。

4 仿真实验

针对上面的情况利用MATLAB/Simulink对该励磁控制系统进行了建模仿真，如图4所示。

图4 励磁系统仿真模型Fig.4 Simulation model of excitation system

仿真实验同步电动机参数为：视在功率PN=112 kW，额定电压Un=380 V，频率fn=50 Hz，定子阻抗Rs=0.26Ω，定子漏感L=1.14 mH，磁场阻抗Rf=0.13Ω，磁场电感L=2.1 mH，d轴和q 轴感抗 Lmd，Lmq分别为 13.7 mH，11 mH，阻抗 Rkd，Rkq分别为0.022 4 Ω，0.02 Ω，漏感 L1kd，L1kq分别为 1.4 mH，1 mH，转动惯量系数 J=24.9 kg·m2，摩擦系数为 F=0，极对数为 p=2。图中cosa/If模块是由公式1将cosφ转换成If。仿真实验时功率因数给定为0.93。

式中IM为电枢电流，Xd，Xq分别为同步电动机同步电抗，If为励磁电流。同步电动机负载为60 kW时如图5所示，PIDFUZZY曲线为模糊PID偏差控制曲线，另一条为常规PID控制曲线。图6所示为负载变化到90 kW时的曲线图。

由图5的仿真曲线可以看出模糊PID偏差控制相比常规PID控制能较快跟踪给定，模糊PID偏差控制在t=2时刻达到稳态，而常规PID控制器在t=3时刻达到稳定，前者较后者要快1 s。由图6的仿真曲线可以看出，在t=22.5时刻将负载由60 kW变到90 kW，在突加负载扰动时模糊PID偏差控制偏离给定值的幅度比常规PID控制要小得多，而且能提前约1 s消除偏差。

图5 同步电动机功率因数仿真图Fig.5 Power factor simulation diagram of synchronous motor

图6 同步电动机功率因数仿真图Fig.6 Power factor simulation diagram of synchronous motor

5 结束语

文中基于同步电动机无刷励磁原理，针对常规PID控制的缺陷，设计了模糊PID控制及偏差控制，建立了同步电动机励磁系统模型并进行了仿真。仿真实验证明该方法在同步电动机无刷励磁功率因数调节中具有较好的快速性和稳定性，系统的鲁棒性较好。控制效果明显优于PID控制。新设计的同步电动机无刷励磁系统已在武钢一热轧厂试用，励磁系统效果很好，抗干扰能力强，达到了使无刷同步电动机稳定运行的目的。

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