- 頭條考慮故障特性模擬的虛擬電機系統及其控制2021-05-25 作者：楊慶文 何紹民 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語因交流傳動在現代工業中應用廣泛，針對電機驅動電源的性能測試備受重視。基于此，浙江大學電氣工程學院、浙江省電機系統智能控制與變流技術重點實驗室（浙江大學）、浙江理工大學信息學院的研究人員楊慶文、何紹民、楊歡、顧小衛、趙榮祥，在2020年第6期《電工技術學報》上撰文，提出一種利用背靠背變換器代替交流電機及其機械負載的虛擬電機系統設計方案。仿真和實驗表明，該虛擬電機系統可以準確模擬異步電機在正常狀態以及定子繞組匝間故障狀態下的端口特性，即可作為交流電子負載用于電機驅動電源的開發與測試。
交流電機作為一種常見的電力傳動設備，在工業生產、國防科技以及航空航天等領域中應用廣泛。其中異步電機由于擁有結構簡單可靠、制造維護方便和工作性能良好等優勢一直受到研究者的親睞，同時電機本體以及電機驅動電源的開發一直是學界和工業界非常關注的學科領域。
在開發電機驅動電源時需要對其進行大量測試，傳統的測試平臺是利用電動機和同軸發電機形成的對拖平臺。在實際工程應用中，部分特殊類型電機本體設計開發周期長，嚴重影響了電機驅動電源的測試開發進度。同時，傳統測試平臺成本高、電能浪費嚴重、電機參數無法靈活調節。在開發電機容錯算法或者設計電機故障保護措施時，還需要對電機進行破壞性試驗，操作不便。
由于對電機驅動電源的開發和測試主要關注的是電機端口電壓電流特性，如果可以使用交流電子負載模擬電機端口特性，將會為電機驅動電源的研發和測試帶來便利。
利用交流電子負載代替實際電機的“虛擬電機”技術一直受到研究者的重視。
- 有學者最早提出了“虛擬電機”的概念，并介紹了基本框架結構以及實現“虛擬電機”的基本思路。
- 有學者采用了基于遺傳算法的PID控制器提高電流控制的精度，但是對電機模型的數值計算問題未詳細討論。
- 有學者采用滯環電流控制策略對整流器進行控制，逆變器則使用幅相控制，并利用Matlab/Simulink對異步電動機及其負載特性模擬進行仿真分析，但未進行實驗驗證。
- 有學者討論了異步電機數學模型的數值計算方法，使用比例積分控制器、比例諧振控制器以及無差拍控制器對電機模擬變換器進行控制，并進行仿真和實驗驗證，但未考慮到端口電壓變化和電機故障等復雜工況。
- 有學者使用了雙星斬波單元變換器搭建虛擬電機系統，提高了虛擬電機模擬電機端口特性的能力，但依然未考慮電機故障狀態。
- 有學者的研究內容涉及到了電機故障狀態，但是模型比較復雜，且未詳細討論具體的數值求解方法。
基于現有研究成果，浙江大學電氣工程學院、浙江省電機系統智能控制與變流技術重點實驗室、浙江理工大學信息學院的研究人員，首先介紹了“虛擬電機”系統的基本原理，然后在對異步電機進行數學建模時，考慮到定子繞組匝間短路故障這一復雜工況，討論了數學模型在常用數字信號處理器（Digital Singnal Processor, DSP）中的實時數值計算問題。
圖1 基于虛擬電機的電機系統測試平臺示意圖
圖2 電機模擬變換器控制系統框圖
電機模擬變換器選擇了基于內模原理的準比例諧振控制器（Quasi Proportional Resonant, QPR）控制策略，并且在考慮數字控制延時的前提下，以提高控制器帶寬和動態響應能力為目標進行參數優化設計，從而實現對不平衡以及動態電流指令的快速跟蹤。
圖3 回饋變換器控制系統框圖
圖4 虛擬電機實驗平臺
研究人員指出：
- 1）在◆◆軸下建立的考慮定子匝間短路故障的異步電機數學模型可以通過故障系數對正常模型和故障模型做統一化處理，以繞組磁鏈作為狀態變量后求得的狀態方程可以為實時數值計算帶來便利。
- 2）四階龍格庫塔法可以在相同的計算步長下達到更高精度，相較于傳統兩步阿達姆斯法更適合應用于交流電機實時仿真器。
- 3）對于電機模擬控制器，QPR優勢明顯，數字控制延時會降低系統穩定性，針對性的參數優化設計方法可以有效提高系統動態響應能力并且提供足夠的帶寬。
仿真和實驗表明，所設計的交流電子負載系統可以對異步電機起動、負載切換過程以及發生定子匝間短路故障時的端口特性進行模擬，可以用于電機驅動電源的開發測試。
以上研究成果發表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“考慮故障特性模擬的虛擬電機系統及其控制”，作者為楊慶文、何紹民、楊歡、顧小衛、趙榮祥。
