交流电机数字控制系统_考虑故障特性模拟的虚拟电机系统及其控制

因交流传动在现代工业中应用广泛，针对电机驱动电源的性能测试备受重视。基于此，浙江大学电气工程学院、浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室(浙江大学)、浙江理工大学信息学院的研究人员杨庆文、何绍民、杨欢、顾小卫、赵荣祥，在2020年第6期《电工技术学报》上撰文，提出一种利用背靠背变换器代替交流电机及其机械负载的虚拟电机系统设计方案。仿真和实验表明，该虚拟电机系统可以准确模拟异步电机在正常状态以及定子绕组匝间故障状态下的端口特性，即可作为交流电子负载用于电机驱动电源的开发与测试。

交流电机作为一种常见的电力传动设备，在工业生产、国防科技以及航空航天等领域中应用广泛。其中异步电机由于拥有结构简单可靠、制造维护方便和工作性能良好等优势一直受到研究者的亲睐，同时电机本体以及电机驱动电源的开发一直是学界和工业界非常关注的学科领域。

在开发电机驱动电源时需要对其进行大量测试，传统的测试平台是利用电动机和同轴发电机形成的对拖平台。在实际工程应用中，部分特殊类型电机本体设计开发周期长，严重影响了电机驱动电源的测试开发进度。同时，传统测试平台成本高、电能浪费严重、电机参数无法灵活调节。在开发电机容错算法或者设计电机故障保护措施时，还需要对电机进行破坏性试验，操作不便。

由于对电机驱动电源的开发和测试主要关注的是电机端口电压电流特性，如果可以使用交流电子负载模拟电机端口特性，将会为电机驱动电源的研发和测试带来便利。

利用交流电子负载代替实际电机的“虚拟电机”技术一直受到研究者的重视。

• 有学者最早提出了“虚拟电机”的概念，并介绍了基本框架结构以及实现“虚拟电机”的基本思路。
• 有学者采用了基于遗传算法的PID控制器提高电流控制的精度，但是对电机模型的数值计算问题未详细讨论。
• 有学者采用滞环电流控制策略对整流器进行控制，逆变器则使用幅相控制，并利用Matlab/Simulink对异步电动机及其负载特性模拟进行仿真分析，但未进行实验验证。
• 有学者讨论了异步电机数学模型的数值计算方法，使用比例积分控制器、比例谐振控制器以及无差拍控制器对电机模拟变换器进行控制，并进行仿真和实验验证，但未考虑到端口电压变化和电机故障等复杂工况。
• 有学者使用了双星斩波单元变换器搭建虚拟电机系统，提高了虚拟电机模拟电机端口特性的能力，但依然未考虑电机故障状态。
• 有学者的研究内容涉及到了电机故障状态，但是模型比较复杂，且未详细讨论具体的数值求解方法。

基于现有研究成果，浙江大学电气工程学院、浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室、浙江理工大学信息学院的研究人员，首先介绍了“虚拟电机”系统的基本原理，然后在对异步电机进行数学建模时，考虑到定子绕组匝间短路故障这一复杂工况，讨论了数学模型在常用数字信号处理器(Digital Singnal Processor, DSP)中的实时数值计算问题。

图1 基于虚拟电机的电机系统测试平台示意图

图2 电机模拟变换器控制系统框图

电机模拟变换器选择了基于内模原理的准比例谐振控制器(Quasi Proportional Resonant, QPR)控制策略，并且在考虑数字控制延时的前提下，以提高控制器带宽和动态响应能力为目标进行参数优化设计，从而实现对不平衡以及动态电流指令的快速跟踪。

图3 回馈变换器控制系统框图

图4 虚拟电机实验平台

研究人员指出：

• 1)在轴下建立的考虑定子匝间短路故障的异步电机数学模型可以通过故障系数对正常模型和故障模型做统一化处理，以绕组磁链作为状态变量后求得的状态方程可以为实时数值计算带来便利。
• 2)四阶龙格库塔法可以在相同的计算步长下达到更高精度，相较于传统两步阿达姆斯法更适合应用于交流电机实时仿真器。
• 3)对于电机模拟控制器，QPR优势明显，数字控制延时会降低系统稳定性，针对性的参数优化设计方法可以有效提高系统动态响应能力并且提供足够的带宽。

仿真和实验表明，所设计的交流电子负载系统可以对异步电机起动、负载切换过程以及发生定子匝间短路故障时的端口特性进行模拟，可以用于电机驱动电源的开发测试。

以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》，论文标题为“考虑故障特性模拟的虚拟电机系统及其控制”，作者为杨庆文、何绍民、杨欢、顾小卫、赵荣祥。