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摘要：本文基于级联型高压变频器矢量控制系统，采用交流预励磁实现矢量控制的预励磁启动。矢量控制系统为无速度传感器矢量控制，采用转速、磁链外环，电流内环的闭环控制。
关键词：预励磁技术；变频器；矢量控制
一、研究背景
矢量控制技术在高压变频调试系统中的应用日益广泛，对稳定性的要求也越来越高。矢量控制系统作为闭环系统，初始起动瞬间如果磁链未建立起来，则起动将无法成功，甚至可能造成电机过流损坏。因此，预励磁技术是矢量控制起动中的关键技术。
当今变频调速系统的两大发展趋势，一是高压大容量，二是高性能的中小容量系统。而起动性能几乎是衡量所有变频调速系统最重要的指标之一。由于大容量异步电机转动惯量大，起动时需要输出足够的起动转矩以克服电机本身的静摩擦转矩。这在低压中小容量系统中问题并不明显，而在高压大容量系统中显得尤为突出，以往常采用软起动器来辅助起动。同时，由于电机起动时刻内部剩磁很小，如果机端电压施加不当将出现较大的励磁涌流，即起动电流。电机直接起动时，其起动电流很大。可达额定电流的5～8倍，是影响电机起动性能的主要因素。起动电流大对电机本身和电网电源都有影响。
根据通入电流的类型异步电动机矢量控制预励磁可分为直流预励磁和交流交流励磁。直流预励磁是通过变频器斩波产生的直流电压在三相定子上产生直流电流，进行建立固定方向的磁场。但直流预励磁会受到开关频率、滤波器等影响，励磁过程中可能会出现电压、电流大幅振荡，无法稳定建立磁场。交流预励磁是在电机起动时通入较低的交流电压，它与直流预励磁的起动转矩相当，但起动电流减小明显。
本文基于级联型高压变频器矢量控制系统，采用交流预励磁实现矢量控制的预励磁启动。矢量控制系统为无速度传感器矢量控制，采用转速、磁链外环，电流内环的闭环控制。在起动时通过对转速环的处理实现交流预励磁起动。
二、无速度传感器矢量控制技术
异步电机矢量控制实现的原理是通过测量和控制电机定子电压与电流矢量，依据磁场定向原理，对电机的定子电流进行解耦，分解成转矩电流和励磁电流，从而独立控制异步电机的转矩与转速，即可等效为直流电机的调速效果，如下图为整体控制系统图：
本文采用基于转子磁场定向的无速度传感器矢量控制系统，主要包括转速环、磁链环、转矩电流环、励磁电流环、磁链观测器、速度辨识、参数辨识等环节。
磁链观测器采用电压与电流混合型的磁链观测模型，可以综合电压型与电流型的所有优点，使观测结果更加准确。速度辨识采用基于转子磁链的模型自适应（MRAS）方法，可以准确地辨识出运行转速。
三、交流预励磁技术
交流励磁作为异步电机励磁方式的一种，在大容量高压异步电机中有较多应用。特别是对于大功率交流电机，直接起动的冲击电流会造成多方面的危害，一是对短路容量有限的电网，造成电压下降，影响其他电气设备的正常运行；二是鉴于高压大容量电力电子装置在设计过程中，很难对器件留有充足的裕量，因此过大的电流可能对电机及所带设备产生电气和机械冲击，加速电机老化或机械的损坏。在日常负荷较重、变压器备用容量不足的场合，直接起动大功率电机可能导致起动电流无法躲过变压器过负荷保护，造成变压器跳闸，引发电气事故。
预励磁技术就显得尤为重要，相比于直流预励磁，交流预励磁局限性小，实际应用效果较好，更利于磁链的平滑过渡，更容易实现大转矩、小电流起动。在V/F变频调速系统中交流预励磁有以下特点：1.在电机起动之前施加较低的V/F的交流电压，确保不会出现大电流；2.逐步提高V/F值以平滑地建立起电机磁场并保证电流在允许范围内，确保提高输出电磁转矩。
四、交流预励磁在矢量控制起动中的应用
矢量控制的起动技术也是矢量控制系统中的一个难点，如何在起动时迅速建立磁链而保持较小的起动电流是矢量控制启动的重中之重。
通过对矢量控制起动的机理的详细分析，首先需要研究定子电流与转子磁链的关系。根据异步电机在同步坐标系下的电压方程及磁链方程可得：
以上试验波形左至右、上至下分别为：转矩电流给定、转矩电流、电机转速、变频器输出三相电流、电机磁链、变频器输出电压。
总结：
按照本文提出的交流预励磁方法，磁链环输出正常，预励磁结束后，再使转速环输出按一定斜率上升，以使起动过程平滑过渡，起动电流减小明显。
论文作者:陶原
论文发表刊物:《河南电力》2018年3期
论文发表时间:2018/6/27
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