雙饋電機調速系統的仿真研究

李 嵐,劉艷麗

(太原理工大學電氣與動力工程學院,太原030024)

近十年來,隨著電力電子技術、微電子技術以及現代控制理論的發展,電氣傳動技術領域已出現交流電機調速取代直流電機調速的發展趨勢。對于一些高電壓、大功率且調速范圍不大的應用場合,采用繞線型異步電機雙饋矢量控制系統(簡稱雙饋電機矢量控制系統),具有裝置可靠性高、造價低廉、動態響應快、諧波污染小等特點,因此應用前景廣闊。

雙饋的主要優點在于能把轉差功率饋送到電網中去,或由電網饋入,或高效地利用它,使相應的調速系統具有良好的性能。雙饋調速工作時,除了電機定子側與交流電網直接連接外,轉子側也要與交流電網或外接電動勢相連。從電路拓撲結構看,可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢[1]。

筆者采用定子磁鏈定向的矢量控制方法,建立了定子磁鏈的電流模型。在MATLAB/Simulink環境下,構建了雙饋電機控制系統的速度和電流雙閉環仿真模型。并在次同步速、超同步及負載發生變化時的情況進行仿真,分析不同運行狀態下的轉速、定子電流、轉子電流及電磁轉矩的變化。

1 數學模型

根據電機學理論,雙饋電機可通過轉子側串入交流電壓進行調速,當雙饋電機負載轉矩不變的情況下,轉子電流保持不變,這時調節轉子外加交流電壓的頻率、大小和相位,既可以調節轉差率,達到調速的目的,又可以調節雙饋電機的功率因數。

在d、q坐標系下,雙饋電機數學模型如下[1]：定、轉子電壓方程

定、轉子磁鏈方程

電磁轉矩方程

運動方程

式中：Rs,Rr分別為定、轉子電阻;Ls,Lr,Lm分別為定、轉子自感及互感;ω1為同步角速度;ω為轉子旋轉角速度;np為電機極對數;TL為負載轉矩;J為轉動慣量;p為微分算子。

2 控制策略

選取d、q坐標系為同步旋轉坐標系(m,t坐標系),采用定子磁場定向矢量控制,將m軸定于定子磁鏈矢量 Ψs方向上,對其速度和電流進行閉環控制,則雙饋電機的數學模型變為[2,3]：

電壓方程

磁鏈方程

電磁轉矩方程

由式(6)中的定子磁鏈方程整理得：

將式(8)代入式(3),整理得電磁轉矩方程：

將式(9)代入式(4),整理得轉速方程：

忽略定子電阻時,由式(5)可得系統穩態的定子電壓和磁鏈方程為：

式中,us為定子相電壓幅值。

因此得到雙饋電機矢量控制系統原理見圖1。

圖1 雙饋電機矢量控制系統

3 系統仿真模型

根據雙饋電機矢量控制原理,在MATLAB6.5環境下搭建了仿真模型,轉子側IGBT的觸發脈沖控制模塊如圖2所示,網側IGBT的觸發脈沖控制模塊如圖3所示。雙饋電機參數如下：額定功率PN=2.2 k W;額定轉速n N=1 420 r/min;定子額定電壓UsN=380 V,f N=50 Hz;額定電流 IsN=5 A;轉子額定電壓Ur N=260 V,額定電流 IrN=6 A;極對數np=2;定子電阻Rs=3.2 Ω;轉子等效電阻R′r=2.965 8Ω;定子漏感L s l=0.014 3 H;轉子漏感 L r l=0.014 3 H;互感Lm=0.265 4 H 。

圖2 轉子側IGBT脈沖觸發仿真模型

圖3 網側IGBT的脈沖觸發仿真模塊

4 仿真結果

次同步速,對電機進行調速?？蛰d起動,0.2 s時加負載7.4 N?m;速度給定0 s時1 337 r/min,2 s時1 241 r/min;仿真波形如圖4所示。

圖4 次同步速下調速的仿真波形

次同步速時,空載起動,0.2 s時加負載14.8 N?m;轉速給定為1 050 r/min,仿真波形如圖5所示。

由次同步向超同步調速,空載起動,0.2 s時加負載14.8 N?m;轉速給定0 s時1 427 r/min,1.5 s時1 720 r/min,仿真波形如圖6所示。

次同步速時,負載發生變化情況。速度給定為1 241 r/min,起動時負載轉矩為4 N?m,2 s時變為7.4 N?m,仿真波形如圖7所示。

圖5 次同步速下的仿真波形

圖6 由次同步速向超同步調速的仿真波形

從仿真結果可以看出：

1)給定速度變化后,速度和轉矩可以快速的跟隨變化,且超調量小。

2)系統的最高速可達到1 720 r/min,最低速達1 050 r/min,且穩態電流趨于正弦,諧波較少。

3)負載發生變化時,系統能夠快速作出反應,定子電流變大,轉子電流的頻率隨轉速的變化而變化。因轉速給定不變,所以轉子電流的頻率也不變。

4)電機由次同步向超同步調速時,轉子電流的相序發生了變化,因此,轉子側的功率流向也發生了變化。轉子側的功率流向,由次同步時從電機流向電網,到超同步時功率從電網流向電機。

5 結論

通過對雙饋電機在兩相旋轉坐標系下的模型分析,確定了以定子磁鏈定向的矢量控制策略,并依據該控制策略,搭建了雙饋電機變頻調速控制系統的仿真模型。通過分析其不同工況下的仿真結果可以看出,基本達到了預期的目的,驗證了該調速系統的 有效性,可行性。

圖7 次同步速下負載變化的仿真波形

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社,2003.

[2] 李娟娟.雙饋電機矢量控制調速系統及仿真[D].合肥：合肥工業大學,2004.

[3] 洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MA TLAB仿真[M].北京：機械工業出版社,2006.