張斯其

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都614106)

0 引言

反應(yīng)堆關(guān)鍵閥門負(fù)責(zé)向反應(yīng)堆內(nèi)注水、余熱排出，保證整個反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。這些閥門的動作性能直接關(guān)系到整個反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全可靠性。而電動閥門中，最為關(guān)鍵的部件便是閥門電機(jī)，閥門電機(jī)需要完成在閥門的整個行程中對閥門起始端和終止端的精確控制，同時為了保證整個反應(yīng)堆的安全性，必須能夠保證任何工況和負(fù)載情況下均能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成整個開閥或關(guān)閥動作。

傳統(tǒng)閥門電機(jī)采用全壓直接起動并運(yùn)行的方式，其在理想工況下能夠滿足設(shè)計(jì)中對于開、關(guān)閥速度的要求。但反應(yīng)堆供電系統(tǒng)是一個特殊的系統(tǒng)，尤其是與安全相關(guān)的關(guān)鍵閥門往往需要在應(yīng)急狀態(tài)下進(jìn)行動作，在這種狀態(tài)下，整個反應(yīng)堆供電系統(tǒng)處在孤島運(yùn)行狀況下。此時電網(wǎng)很容易出現(xiàn)短時間內(nèi)的供電電壓波動，這種供電電壓波動，尤其是電壓的突然下降，會使得閥門電機(jī)運(yùn)行速度出現(xiàn)大幅度跌落，使得閥門開、關(guān)閥動作時間延長，影響反應(yīng)堆的安全性。

針對傳統(tǒng)閥門電機(jī)控制系統(tǒng)在電網(wǎng)波動情況下存在的無法有效執(zhí)行開、關(guān)閥動作的問題，本文提出了一種新型反應(yīng)堆關(guān)鍵閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)，在閥門電機(jī)控制中采用電壓反饋補(bǔ)償弱磁控制策略，即在傳統(tǒng)控制的弱磁曲線上，疊加相應(yīng)的電壓補(bǔ)償量。在閥門電機(jī)運(yùn)行過程中，對電機(jī)磁鏈繼續(xù)動態(tài)補(bǔ)償，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)短時間跌落，母線電壓值不足以維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速的情況下，動態(tài)判斷進(jìn)入弱磁狀態(tài)，通過勵磁電流給定值動態(tài)計(jì)算以及電壓補(bǔ)償器的比較值來確定弱磁程度，以消除電壓跌落對于閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。同時，與傳統(tǒng)的閥門電機(jī)運(yùn)行方式進(jìn)行了對比，在實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果。

1 閥門電機(jī)弱磁控制原理

由于電網(wǎng)電壓大小的限制，以及電機(jī)驅(qū)動器中主要驅(qū)動器件電壓電流的限制，使得閥門電機(jī)在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速總存在一個限值，無法繼續(xù)提高。而當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，這一轉(zhuǎn)速限值也隨之下降，這就是閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速性能迅速下降的直接原因。同時，閥門電機(jī)中磁路飽和、溫升和絕緣等問題也限制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。在電壓下降的情況下，為了保證閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，不發(fā)生大幅度跌落，就需要在滿足電壓與電流約束條件的前提下，對閥門電機(jī)進(jìn)行弱磁控制。

電機(jī)運(yùn)行區(qū)間一般按照轉(zhuǎn)速來進(jìn)行劃分，以基速ωb作為分界點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度低于ωb時，電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，這時電機(jī)能夠保持恒定轉(zhuǎn)矩輸出，此時電機(jī)磁鏈保持額定磁鏈不變，故這一區(qū)間為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)間;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度高于ωb時，電機(jī)運(yùn)行受到電壓極限與電流極限的限制，若要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速則需要減小電機(jī)的額定磁鏈，削弱電機(jī)的負(fù)載特性以換取轉(zhuǎn)速特性，在這一區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時，電機(jī)的功率保持恒定。電壓運(yùn)行區(qū)間如圖1中所示。其中，ωb為運(yùn)行基速角頻率，ωr為電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行角頻率，ω1為電機(jī)運(yùn)行速度受到電流極限圓約束下的最高角頻率，高于ω1運(yùn)行角頻率的電機(jī)將只受到電壓極限圓的限制，ωe為電機(jī)同步角頻率，Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Lm定轉(zhuǎn)子互感，Ls為定子電感，Lr為轉(zhuǎn)子電感，p為電機(jī)極對數(shù)。

圖1 電壓約束圓，電流約束圓和恒轉(zhuǎn)矩曲線

在運(yùn)行過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的時間常數(shù)一般很長，變化很慢，所以可以根據(jù)轉(zhuǎn)子d軸電流來對轉(zhuǎn)子磁鏈給定值進(jìn)行計(jì)算，如下:

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)電壓與電流方程，可得電壓約束橢圓方程，如下:

從圖1中和式(3)可以看出，電壓約束橢圓的大小隨著運(yùn)行速度的增加而減小，如圖1中的橢圓與圓交叉的區(qū)域就是電機(jī)額定點(diǎn)的運(yùn)行區(qū)域。轉(zhuǎn)矩在電流平面上可表示為反比例曲線，如下:

2 閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)原理研究

本文閥門電機(jī)控制中采用電壓反饋補(bǔ)償弱磁控制的策略，即在傳統(tǒng)控制的弱磁曲線上，疊加相應(yīng)的電壓補(bǔ)償量。在閥門電機(jī)運(yùn)行過程中，對電機(jī)磁鏈繼續(xù)動態(tài)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)閥門電機(jī)的低電壓穿越，在規(guī)定時間內(nèi)完成開、關(guān)閥動作，本文所采用的電壓閉環(huán)反饋表達(dá)式，如下:

式中:ψr為當(dāng)前磁鏈給定值，ψrb為初始狀態(tài)給定的額定磁鏈值。

從式(5)中可以看出，閥門電機(jī)在正常運(yùn)行過程中，電機(jī)運(yùn)行速度并沒有達(dá)到電壓極限圓，輸出電壓值與電壓極限圓差值為正值，調(diào)節(jié)器沒有補(bǔ)償作用，磁鏈給定值仍然保持在額定值，能夠有效利用閥門電機(jī)的負(fù)載驅(qū)動能力。

當(dāng)母線電壓突然出現(xiàn)跌落時，閥門電機(jī)的基速ωb迅速下降，使得當(dāng)前電壓值已經(jīng)無法維持閥門電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，閥門電機(jī)運(yùn)行進(jìn)入弱磁區(qū)，此時電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)器將電機(jī)維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速所需要的電壓計(jì)算值與實(shí)際測量得到的電壓圓約束幅值進(jìn)行比較，得到弱磁補(bǔ)償量，并與傳統(tǒng)弱磁曲線進(jìn)行疊加合成。由于電壓跌落的影響，計(jì)算得到的電壓賦值總是會大于電壓極限圓，故輸出補(bǔ)償量永遠(yuǎn)為負(fù)值，進(jìn)一步減小給定磁鏈的值。通過這一補(bǔ)償量將一部分電機(jī)d軸電壓量分配給q軸進(jìn)行控制，從而能夠使得閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近，不會出現(xiàn)大幅度的轉(zhuǎn)速波動。電壓反饋補(bǔ)償弱磁控制框圖如圖2所示。

圖2 電壓反饋磁鏈補(bǔ)償控制框圖

由于補(bǔ)償控制器位于反饋回路，為了避免在補(bǔ)償過程中出現(xiàn)代數(shù)環(huán)，所以補(bǔ)償器采用積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)中最重要的就是積分比例系數(shù)ki，下面對比例系數(shù)公式進(jìn)行推導(dǎo)。

由于uqsuds，所以在求解過程中對磁鏈補(bǔ)償控制器進(jìn)行化簡，在此假設(shè)us≈uqs，將圖2的弱磁補(bǔ)償控制器框圖化簡為如圖3所示。

圖3 磁鏈補(bǔ)償控制器

由于磁鏈等于電壓的積分，令Δψ=G(p)(umax－其中，G(s)=k/s，在此設(shè)磁鏈補(bǔ)償值為Δψc，可得穩(wěn)態(tài)時磁鏈ψ=Δψc+ψref，則:得到控制器的時間常數(shù)

時間常數(shù)的大小在很大程度上影響著系統(tǒng)的性能，時間常數(shù)越小代表著系統(tǒng)的動態(tài)性能越好，但是越小的時間常數(shù)代表著越大的積分常數(shù)，積分常數(shù)的增大在給系統(tǒng)帶來更高的穩(wěn)定性的同時，也會使得整個控制系統(tǒng)開始振蕩，甚至最終使系統(tǒng)無法收斂。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇時間常數(shù)與磁鏈時間常數(shù)相等，故得到補(bǔ)償器積分系數(shù)如下:

式中:Tf為磁鏈時間常數(shù)

3 閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)仿真研究

根據(jù)前文原理推導(dǎo)，可得到閥門電機(jī)低電壓穿越控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4 閥門電機(jī)低電壓穿越控制系統(tǒng)框圖

建立閥門電機(jī)低電壓穿越控制器仿真模型。使用的感應(yīng)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 閥門電機(jī)仿真參數(shù)

圖5為從感應(yīng)電機(jī)起動到出現(xiàn)電壓跌落，進(jìn)入弱磁控制區(qū)這一時段內(nèi)電機(jī)三相電流的變化情況。

圖5 起動到低電壓跌落點(diǎn)三相電流變化

從圖5中可以看出，起動和升速過程中電流較大，當(dāng)出現(xiàn)電壓跌落的情況時，能夠快速進(jìn)入弱磁控制區(qū)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。在進(jìn)入弱磁控制之前存在一定的波形畸變，但在電壓跌落過程穩(wěn)定后恢復(fù)正常。

仿真過程中，在500 ms時刻，突然加入15%的母線電壓跌落，并繼續(xù)保持500 ms，如圖6所示。同時為了使得仿真過程與閥門緊急關(guān)閥過程接近，并滿足負(fù)載適應(yīng)性的要求，在電壓開始跌落的瞬間同時施加一個40 N·m的關(guān)閥負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從圖6(a)中可以看出，傳統(tǒng)控制方式在出現(xiàn)電壓跌落時，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)矩減小是導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降的最直接原因。而圖6(b)中，采用電壓反饋補(bǔ)償?shù)娜醮潘惴▉韺?shí)現(xiàn)閥門電機(jī)低電壓穿越，由于弱磁區(qū)域控制的存在，使得輸出轉(zhuǎn)矩能夠有效跟隨給定值，能夠保證整個關(guān)閥過程中閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

圖6 額定轉(zhuǎn)速下緊急關(guān)閥過程中母線電壓跌落時轉(zhuǎn)矩變化

仿真結(jié)果表明，本文的閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)能夠有效克服緊急開關(guān)閥過程中母線電壓跌落的問題。

4 閥門電機(jī)低電壓穿越控制器設(shè)計(jì)

本文的閥門電機(jī)低電壓穿越控制器硬件電路及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，主要結(jié)構(gòu)包括主控電路，功率驅(qū)動模塊與電機(jī)保護(hù)模塊。同時為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制功能，增加位置檢測電路與信號采集電路。

圖7 硬件電路總體設(shè)計(jì)

主功率電路采用三相全橋式的結(jié)構(gòu)，同時帶有關(guān)斷續(xù)流保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止大電流沖擊。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

閥門電機(jī)低電壓穿越控制器實(shí)驗(yàn)平臺中閥門電機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

在實(shí)驗(yàn)中，對閥門電機(jī)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)平臺的輸入電壓進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，用來模擬閥門電機(jī)開、關(guān)閥動作過程中出現(xiàn)的母線電壓跌落，母線電壓跌落值為60 V，約為母線總電壓的15%。實(shí)際電壓跌落時間控制存在一定偏差，跌落時間的控制無法像仿真一樣做到非常精確，電壓跌落時間約為300 ms。同時，在模擬的閥門電機(jī)動作過程中施加20 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，來模擬閥門電機(jī)動作中的負(fù)載情況。電壓跌落轉(zhuǎn)速變化對比，如圖8所示。

表2 閥門電機(jī)參數(shù)

圖8 電壓跌落時轉(zhuǎn)速變化

從圖8(a)中可以看出，當(dāng)母線電壓出現(xiàn)跌落的時刻，轉(zhuǎn)速也由于電機(jī)輸入電壓的下降而無法維持，也出現(xiàn)了一定程度的跌落，從2 900 r/min下降至2 500 r/min左右，直到母線電壓恢復(fù)到正常值時，才能有效跟隨給定值，在低電壓時間內(nèi)閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速均大幅低于額定轉(zhuǎn)速。

如圖8(b)所示，采用低電壓穿越技術(shù)控制算法后，在電壓出現(xiàn)跌落的時刻，轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生大幅度的跌落，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速值從3 000 r/min跌至2 800 r/min左右，閥門電機(jī)基本能夠維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這說明本文的閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)能夠消除電壓跌落對閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速造成的影響。

6 結(jié)語

針對反應(yīng)堆關(guān)鍵閥門電機(jī)的工作特點(diǎn)，本文研究了一套完整的閥門電機(jī)低電壓穿越技術(shù)，通過電壓反饋補(bǔ)償控制器，在電壓出現(xiàn)跌落時，對閥門電機(jī)進(jìn)行電壓補(bǔ)償弱磁控制，實(shí)現(xiàn)閥門電機(jī)低電壓穿越，在整個低電壓時段內(nèi)，轉(zhuǎn)速跌落較小，使得閥門在低電壓情況下能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成開、關(guān)閥動作，保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，進(jìn)一步證明本文的低電壓穿越控制策略的有效性。