有限功率下的異步電機高速旋轉研究

劉朝濤 張毅

【摘要】 當電源供電功率小于額定功率且不穩定無法驅動異步電動機高速運轉，為了解決這個問題，本文建立了功率追蹤模型。對電源的輸入功率進行采樣，再利用模型計算出需要的控制參數，結合矢量控制方法對異步電機進行功率控制，形成動態控制達到功率追蹤的目的。在Matlab/Simulink環境下進行仿真，仿真結果證明該模型可以有效的追蹤輸入功率，電機能夠以較高速度運轉，能夠達到了控制目的，具有較強的實際應用性。

【關鍵詞】 異步電動機 功率追蹤 矢量控制 Matlab/Simulink

為了應對日益嚴峻的能源危機和環境污染問題，各國已將使用清潔能源作為重要對策[1]。當下被公認的清潔能源主要有太陽能、風能和潮汐能等等，利用這些能源發電不僅可以解決偏遠地方的能源供應難題也可以緩解環境的污染問題，但是這些能源發電受到季節，環境因素的影響較大，且發出的功率較小。

通用的異步電機調速系統都是通過接入電網而獲得功率，功率相對電機是無窮的。在本文中，利用清潔能源發電給異步電機供電，功率收到了限制；為了解決在功率受限條件下異步電機難以高速運行的問題，建立了功率追蹤模型，再結合矢量控制對電機進行調速，可以使得電機以較高速度旋轉并且使得電磁功率和輸入功率保持一致。

一、建立系統模型

1.1 異步電機的矢量控制

本文仿真所用的電機為三相交流異步電動機，由于異步電動機動態數學模型是一個高階、強耦合、非線性、多變量的系統 [2～3]。為了使得異步電動機能夠像直流電機那樣取得良好的調速性能，本文中采用矢量控制中的間接矢量控制即轉差頻率控制。

轉差頻率法不需要觀測轉子磁鏈的實際位置，定向是通過控制轉差頻率來實現的。在轉差頻率中按磁場定向的要求將定子電流矢量iS分解為勵磁分量i*M和轉矩分量i*T，有

綜上所訴，在經過磁場定向后，三相交流異步電機控制模型需要控制定子電流的勵磁分量i*M和轉矩分量i*T，這些變量將是后面功率追蹤模型中將實現對電機模型的追蹤控制的關鍵。

1.2 功率追蹤模型

所以由式子1.9知道，可以通過以下三個方面來對異步電機的轉速進行：1.改變電機的極對數p；2.改變電機的頻率f1；3.改變電機的轉差頻率s[6][8]。

這樣磁路的飽和程度、激磁電流和電動機的的功率因素均可保持基本不變，這個時候調節定子電壓和頻率同步提高就可以保持氣隙的磁通量φm基本不變，使得啟動轉矩較大，轉速上升的速率較快，提高響應速率[4][5][7]。在基頻以上的調速時，考慮到電機的絕緣限制，不能使電壓繼續升高，故采用的是弱磁調節，需要降低氣隙的磁通量φm，定子電壓不再變化為最大值，頻率可以繼續提高，轉矩值會降低。

二、系統模型仿真及結果分析

2.1 系統模型仿真

在Simulink環境中搭建整個系統的仿真模型，整體系統的仿真模型如圖1所示，主電路中的交流異步電動機額定功率為12kW；額定電壓為380V；額定頻率為50Hz；同步轉速為1500r/min。數據采集顯示主要采集電機的轉速、轉矩以及電磁功率。

2.2 運行仿真及仿真結果分析

在所有模塊連接檢查無誤后，運行仿真，仿真時間為2s。仿真結束后，電源提供的功率如圖2a所示；電機的電磁功率如圖2b所示；電機的轉速如圖3所示。

由圖2可以看出，電磁功率能夠跟蹤輸入功率的變化，且誤差很小精度很高。從圖3看出無論電機的電磁功率是減小還是增大，電機的轉速都能增加，在2s末電機的轉速已經達到3750r/min（電機的同步轉速為1500r/min）。

三、結論

本文提出了在電源功率受限的情況下，設計了功率追蹤模型及改良了電機控制模型。利用Matlab/Simulink仿真工具，對整套系統進行了仿真，并且實現了重要仿真結果的輸出。

綜上所述，從系統的仿真模型結構和仿真結果可以看出，功率追蹤模型能夠定時投入使用，使得電機的電磁功率能夠一直追蹤電源的輸入功率，能夠隨著輸入功率的變化而變化，且誤差很小，能夠滿足要求；由于功率追蹤模型的作用，使得在不太大的輸入功率情況下，電機能夠以較高轉速運轉起來，并且驅動負載，實現了能量的轉化，使得整個系統的機械性能得到了大大的提高。結果證明，本文建立的控制模型具有良好的實用性可以移植到其他的控制系統中。

參 考 文 獻

[1]高尚， 祁新春， 謝濤， 徐震. 共直流母線光伏-混合儲能發電系統及其雙重濾波優化控制[J]. 電力系統保護與控制， 2014， V42（20）： 92-97.

[2]王成元， 夏加寬， 孫宜標. 現代電機控制技術[M]. 北京. 機械工業出版社. 2014.

[3]湯蘊繆， 羅應立， 梁艷萍. 電機學[M]. 第三版. 北京 .機械工業出版社. 2008.

[4]李葉松， 雷力. 基于轉子磁場定向的異步電動機弱磁方法研究[J]. 電力電子技術， 2007， 41（5）： 34-35.

[5]萬山民， 陳曉. 感應電動機轉子磁場定向下的弱磁控制算法[J]. 中國電機工程學報， 2011， V31（30）： 93-99.

[6]齊琛， 陳希有，牟憲民. PWM逆變器混合擴頻調制技術[J]. 中國電機工程學報， 2012， V32（24）： 38-44.

[7]楊永昌， 楊海濤. 感應電機模型預測磁鏈控制[J]. 中國電機工程學報， 2015， V35（3）： 719-725.

[8]于浩， 阮毅， 黃永利， 管博. 異步電機無速度傳感器矢量控制轉速估算方案[J]. 電機與控制應用， 2006， 33（5）： 30-32.