邢坤博,榮　軍,陳存堅,廖　釗,張曉凡

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽　414006)

?

永磁同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

邢坤博,榮軍,陳存堅,廖釗,張曉凡

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽414006)

摘要針對永磁同步電動機他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)需要借助外部裝置測得電機轉(zhuǎn)速信息,因此增加了設(shè)計難度,文中研究了一種永磁同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng),該系統(tǒng)能在負載發(fā)生變化時,通過位置傳感器及時反饋轉(zhuǎn)速信息,從而改變供電電路的頻率,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速而使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。文中闡述了永磁同步電動機自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)在Matlab/Simulink中的建模與仿真過程,并對仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果表明,該波永磁同步電動機的自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)異動態(tài)和靜態(tài)性能,是一種較為理想的調(diào)速方式。

關(guān)鍵詞永磁同步電動機;自控式變頻調(diào)速;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器;電流調(diào)節(jié)器;建模

永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)矩脈動小以及絕對硬的機械特性,常用于高精度的調(diào)速系統(tǒng)中[1-2]。目前永磁同步電動機主要采用變頻進行調(diào)速控制,而變頻調(diào)速又分為他控式變頻調(diào)速和自控式變頻調(diào)速兩種,其區(qū)別在于前者需利用獨立的變頻裝置,變頻裝置跟電機之間沒有任何聯(lián)系;而后者除了利用靜止的變頻裝置給同步電動機提供變頻變壓電源以外,自控式變頻調(diào)速裝置中的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的,而是由轉(zhuǎn)子位置檢測器控制的。由此可見,當負載發(fā)生變化的情況下,自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)㈦姍C轉(zhuǎn)速反饋給變頻裝置,從而更加迅速地根據(jù)實際情況調(diào)整電機工作情況。與他控式變頻調(diào)速技術(shù)相比,自控式變頻調(diào)速技術(shù)更精確和迅速,因此其應(yīng)用范圍也更廣[3-4]。本文研究了自控式變頻調(diào)速技術(shù)在永磁同步電動機中的應(yīng)用,通過實驗證明了設(shè)計的正確性。

1永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型

1.1在兩相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型

通過對永磁同步電機的工作原理的學(xué)習(xí)可知,當電機定子電流的頻率固定不變時,電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與其保持嚴格同步,可表示為[5]

(1)

式中,n為電機的同步轉(zhuǎn)速;p為電機的極對數(shù);f為電機的定子電流頻率[5]。

用于永磁同步電機屬于非線性和強耦合性的復(fù)雜系統(tǒng),為簡化分析過程,在推導(dǎo)中作如下假設(shè)[6-7]:(1)忽略電機的飽和效應(yīng)、磁滯和渦流損耗;(2)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu);(3)電機定子三相繞組的結(jié)構(gòu)完全相同,在空間上分別相差120°電角度,其所產(chǎn)生的磁動勢在氣隙中按正弦規(guī)律分布;(4)電機的氣隙分布均勻。此時電動機轉(zhuǎn)子磁鏈在各項繞組的交鏈分別是

(2)

其中,φf為轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值,且一般是常數(shù);θe為空間電角度;φA、φB、φC分別為轉(zhuǎn)子磁鏈在A、B、C相繞組中產(chǎn)生的交鏈,且是θe的函數(shù)。

永磁同步電動機經(jīng)過αβ坐標系變換后,得到的兩相繞組的兩個分電流所產(chǎn)生的合成磁動勢和原來三相繞組3個分電流所產(chǎn)生的合成磁動勢的大小相等。為簡便計算分析過程,本文規(guī)定兩相繞組的合成磁動勢和三相繞組的合成磁動勢轉(zhuǎn)向相同,且α軸與a軸完全重合。永磁同步電機經(jīng)αβ坐標變換后,可得出經(jīng)坐標變換后的電壓方程以及電磁轉(zhuǎn)矩方程。其中電壓方程為

(3)

其中,uα和uβ分別為α-β坐標系中定子的電壓;iα和iβ分別為α-β坐標系中的定子電流。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(4)

式中,Ψα和Ψβ分別為αβ坐標系中的定子磁鏈;p為磁極數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型

在磁場等效的原則下,將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場作為參考系,以與轉(zhuǎn)子磁鏈重合的方向作為d軸,以與轉(zhuǎn)子正交的方向為q軸,并且q軸超前d軸90°。現(xiàn)將αβ坐標系中永磁同步電機的狀態(tài)方程組轉(zhuǎn)換到dq坐標系中,便可得到dq坐標中的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程[8]。其中電壓方程為

(5)

式中,ud和uq分別為dq坐標系中的定子電壓;id和iq分別為dq坐標系中的定子電流;Ψd和Ψq分別為dq坐標系中的定子磁鏈。

磁鏈方程為

(6)

Ld和Lq分別為dq坐標系中的定子電感,Ψf為dq坐標系中的轉(zhuǎn)子磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(7)

2自控式變頻調(diào)速的工作原理

圖1　永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

3變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示,系統(tǒng)主電路由直流電源、逆變器和永磁同步電動機組成,其中永磁同步電動機的勵磁類型選擇正弦波Sinousoidal。圖2中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR仿真模塊和電流調(diào)節(jié)器q-ACR仿真模塊分別如圖3和圖4所示[10]。

圖2　梯形波永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的仿真模型

圖4　電流調(diào)節(jié)器q-ACR的仿真模型

電機參數(shù)永磁同步電動機定子電阻Rs=2.875Ω勵磁磁通0.175Wb定子d軸電感Ld=0.0085H定子q軸電感Lq=0.0085H轉(zhuǎn)動慣量J=0.008kg·m2極對數(shù)p=1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kpn=11.7積分系數(shù)Kii=140電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kpi=10.7積分系數(shù)Kii=80

3.2仿真結(jié)果及其分析

永磁同步電動機變頻調(diào)速仿真結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)為給定1 800 r/min帶載1.5 N·m起動時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真波形,從圖5(a)可看出,電動機以空載起動,0.1 s時加載6 N·m的負載,從空載起動到帶負載運行的整個運行過程中,只是在加載的瞬間轉(zhuǎn)速波形有較小的波動,但很快恢復(fù)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)速1 800 r/min,這說明電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好,同樣電機系統(tǒng)的快速性能也非常好。在另外一方面,永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速始終保持1 800 r/min,說明同步電動機轉(zhuǎn)速并不隨負載的改變而發(fā)生改變,這也是命名為同步電機的原因。圖5(b)為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量isq和勵磁分量isd仿真波形,從圖5(b)可看出,當負載為零時,定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq和勵磁分量isd都等于零,當在0.1 s加載時轉(zhuǎn)矩分量isq和勵磁分量isd都增大,而且電流轉(zhuǎn)矩分量isq明顯大于勵磁分量isd,原因在于電機在作為電動機過程過程中,電能轉(zhuǎn)化為機械能,帶動負載轉(zhuǎn)動,從能量傳輸過程得出輸入電能必定大于輸出機械能。圖5(c)為電動機轉(zhuǎn)矩仿真波形,從圖中可以看出,永磁同步電機在變頻調(diào)速情況下轉(zhuǎn)矩脈動有波動,原因在于勵磁分量isd有波動,所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩有波動,這是變頻調(diào)速的不利之處。圖5(d)為定子三相電流仿真波形,從圖5(d)可看出,永磁同步電機定子輸入電流為標準的正弦波形,這與其輸入三相交流電壓完全一致。

圖5　永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真波形

4結(jié)束語

本文研究了永磁同步電動機的變頻調(diào)速技術(shù),在其工作原理的基礎(chǔ)上推斷了其在兩相靜止坐標系和兩

相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型,介紹了其變頻調(diào)速的工作原理,在Matlab/Simulink中對其進行了建模,并對仿真結(jié)果進行了詳細分析,從中可得出永磁同步電動機變頻調(diào)速具有優(yōu)異的動態(tài)和靜態(tài)特性,尤其是當負載發(fā)生變化時,電機系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,因此永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)速固定不變的工作場合。

參考文獻

[1]李紅梅,陳濤.永磁同步電機參數(shù)辨識研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報,2015,29(5):638-645.

[2]丁碩,崔總澤,巫慶輝,等.基于SVPWM的永磁同步電機矢量控制仿真研究[J].國外電子測量技術(shù),2014,33(6):81-85.

[3]張少華.永磁同步電機矢量控制策略研究與控制器實現(xiàn)[D].長沙:中南大學(xué),2008.

[4]張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.

[5]陳威,蔣宇,謝國秋.永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].電氣開關(guān),2009(5):11-17.

[6]張金利,張玉瑞,稅冬東.永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].電力電子術(shù),2008,42(2):67-69.

[7]張好明,孫玉坤.新型永磁同步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電機與控制應(yīng)用,2008,35(2):41-44.

[8]覃海濤,沈安文,曹文超.基于Saber 的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略的比較仿真[J].計算技術(shù)與自動化,2009,28(1):63-66.

[9]劉學(xué)鵬,趙冬梅.永磁同步電機磁場定向變頻調(diào)速技術(shù)的研究[J].機床與液壓,2010,38(20):106-108.

[10]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

Study of Self-controlled and Variable Frequency Speed Regulation Control Systemfor Permanent Magnet Synchronous Motor

XING Kunbo,RONG Jun,CHEN Cunjian,LIAO Zhao,ZHANG Xiaofan

(School of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of

Science and Technology,Yueyang 414006,China)

AbstractThe control system of separately-controlled and variable frequency for the permanent magnet synchronous motor needs to be measured by the external device,thus increasing the difficulty of the design.A self-controlled and variable frequency speed regulation system for permanent magnet synchronous motor is studied.Self-controlled and variable frequency speed regulation systems can adjust the speed and allow the system to stabilize through position sensor to timely being feedback the speed information when the load is changing.The modeling and simulation of self-controlled and variable frequency speed regulation system for permanent magnet synchronous motor is described in detail based on Matlab/Simulink,and the simulation results are analyzed.The simulation results show that the self-controlled and variable frequency speed self-controlled and variable frequency speed regulation of control system for PMSM has good dynamic and static performance.

KeywordsPMSM;self-controlled and variable frequency speed regulation;speed regulator;current regulator;modeling

中圖分類號TM351

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)02-041-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.011

通訊作者:榮軍(1978—),男,碩士,講師。研究方向:直流電機控制技術(shù)。

基金項目:湖南省教育廳一般基金資助項目(15C0620;15C0622)

收稿日期:2015- 07- 15