彭景金，蔣程，江園園

(1.雷勃電氣(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215400;2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

1 引言

常用的電機(jī)變頻調(diào)速控制方法有電壓頻率協(xié)調(diào)控制(即V/F比為常數(shù))、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等［1］。其中，矢量控制是目前交流電動(dòng)機(jī)較先進(jìn)的一種控制方式，它又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的、無速度傳感器和有速度傳感器等多種矢量控制方式。采用這種控制方法可以使調(diào)速系統(tǒng)消除動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而在一定程度上改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)它又具有比其他矢量控制方法簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高等特點(diǎn)［2］。

矢量控制是目前交流電動(dòng)機(jī)的先進(jìn)控制方式，一般將含有矢量交換的交流電動(dòng)機(jī)控制都稱為矢量控制，實(shí)際上只有建立在等效直流電動(dòng)機(jī)模型上，并按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向地控制，電動(dòng)機(jī)才能獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，控制精度高，具有良好的控制性能、因此，早起的矢量控制通用變頻器上采用基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式?；诖耍疚脑贛talab/Simulink環(huán)境下對(duì)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

2 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理

轉(zhuǎn)差頻率控制控制思想就是從根本上改造交流電動(dòng)機(jī)，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，設(shè)法在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。

異步電動(dòng)機(jī)的基本方程式［3］為:

式中:i1r、i1m分別為轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量;Lm、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電感;Ψr為轉(zhuǎn)子總磁鏈;ωs為轉(zhuǎn)差角頻率;Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩;np為異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù);P為微分算子;L1m為定子繞組漏感。

電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)均服從以下基本運(yùn)動(dòng)方程:

式中TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由式(6)可知，要提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要是控制轉(zhuǎn)速的變化率顯然，通過控制Te就能控制因此調(diào)速的動(dòng)態(tài)特性取決于其對(duì)Te的控制能力。

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s很小，因此ωs也很小，轉(zhuǎn)矩的近似表達(dá)式為:

式中:Km為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，Φm為氣隙磁通，R2'為折算到定子邊的轉(zhuǎn)子電阻。

只要能夠保持Φm不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就與ωs近似成正比，即控制ωs就能控制 Te，也就能控制，與直流電動(dòng)機(jī)通過控制電流即可控制轉(zhuǎn)矩類似［4］。

3 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)構(gòu)建

轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，這是通用變頻器常用的方案。轉(zhuǎn)速采用了轉(zhuǎn)差頻率控制，即異步機(jī)定子角頻率ω1由轉(zhuǎn)子角頻率ω和轉(zhuǎn)差角頻率ωs組成(ω1=ω+ω)，這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，電動(dòng)機(jī)的定子電流頻率始終能隨轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速同步升降，使轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更為平滑。

系統(tǒng)的控制部分由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵(lì)磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1、G2和積分器組成了帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流電壓模型轉(zhuǎn)換由函數(shù)Um*、Ut*模塊實(shí)現(xiàn)。函數(shù)運(yùn)算模塊ws*根據(jù)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算轉(zhuǎn)差s，并與轉(zhuǎn)子頻率想加得到定子頻率ω1，再經(jīng)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角 θ。模塊 sin、cos、dq0/abc實(shí)現(xiàn)了二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換。dq0/abc是輸出是PMW發(fā)生器的三相調(diào)制信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)幅度不能大于1，在dq0/abc輸出后插入衰減環(huán)節(jié)G4。在模型調(diào)試時(shí)，可以先在此處斷輸出和PMW發(fā)生器的三相調(diào)制輸入信號(hào)幅值小于1的要求，計(jì)算G4的衰減系數(shù)。

圖1 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)原理框圖

4 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真

4.1 仿真模型

采用電動(dòng)機(jī)作為仿真對(duì)象，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型

轉(zhuǎn)子磁鏈模型的計(jì)算參數(shù)設(shè)置:異步電動(dòng)機(jī)的容量為746kW、電壓220V、平率50Hz、極對(duì)數(shù)為 np=2，定子繞組電阻Rm=0.435Ω，Lm=0.004mH，轉(zhuǎn)子繞組電阻 Rr=0.816Ω，轉(zhuǎn)子繞組漏感 Lm=0.004mH，Lm=0.069mH，J=0.19kg·m2，逆變器直流電源為 510V，定子繞組電感為L(zhǎng)S=0.071mH，LR=0.071mH，漏磁系數(shù)為0.056，Tr=0.087。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6 的放大倍數(shù)分別為 35、0.15.、0076、2、9.55、1/9.55。

仿真定轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)的空載啟動(dòng)過程，在啟動(dòng)后0.45s時(shí)加載T1=65N*M。

4.2 仿真結(jié)果

電機(jī)在起動(dòng)和加載過程中，轉(zhuǎn)速、電流、電壓和轉(zhuǎn)矩的變化過程分別如圖3～5所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形

圖4 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形

圖5 電動(dòng)機(jī)的定子電流

圖3中可以看到，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化逐漸增大。當(dāng)t=0.36s時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1400r/min左右，而當(dāng)t=0.5s時(shí)，由于此時(shí)電動(dòng)機(jī)開始加載，所以使得轉(zhuǎn)速有所波動(dòng)，隨后趨于穩(wěn)定。圖4中，在加載后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，達(dá)到給定值Te=80N·m。圖5顯示，電機(jī)空載起動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，電流值下降為起動(dòng)電流20A。而電動(dòng)機(jī)加載后，電流迅速上升，隨后維持在左右。

5 結(jié)論

在分析轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的基本概念和系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上，建立了交流異步電動(dòng)機(jī)專差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

［1］朱軍，郝潤(rùn)科，黃少瑞，等.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(20):171－173+177.

［2］潘言全.電機(jī)矢量控制方法研究［J］.黑龍江科技信息，2010(36):35.

［3］高寶賢.電流控制型異步電動(dòng)機(jī)的基本方程和穩(wěn)態(tài)初值的估算［J］.東北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1984(2):75－86+152－153.

［4］王建華，何鳳有.基于Matlab/Simulink的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真研究［J］.工礦自動(dòng)化，2009(7):66－69.