異步電動機SVPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

江蘇省徐州技師學院 陳 斌

異步電動機SVPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

江蘇省徐州技師學院 陳 斌

【摘要】本文介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）原理，設計了基于SVPWM的變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，在Matlab/simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)仿真模型，并進行仿真研究，仿真結果證明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)、動態(tài)性能和抗干擾性能，易于實現(xiàn)。

【關鍵詞】異步電機；SVPWM；變頻調(diào)速；仿真

0 引言

近年來由于交流電動機矢量變換控制技術以及單片微型計算機的發(fā)展應用，使得交流調(diào)速的性能獲得極大的提高，在許多方面已經(jīng)可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是各類通用變頻器的出現(xiàn)，使交流調(diào)速已逐漸成為電氣傳動中的主流。轉子磁場定向矢量控制是日前高性能異步電機調(diào)速系統(tǒng)普遍采用的方法，電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術是其核心技術，SVPWM控制技術是將逆變器與電動機當做一個整體看待，目的是交流電動機獲取幅值恒定的圓形旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，它的優(yōu)點是運行噪聲低、轉矩脈動幅度小、直流電壓利用率高。

本文在詳細分析SVPWM原理的基礎上，設計了基于SVPWM控制技術的異步電動機變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，通過Matlab仿真結果顯示，該變頻調(diào)速系統(tǒng)在負載發(fā)生變化時抗干擾性能強，并且其動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能良好。

1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）原理

逆變器的不同開關模式對應不同的基本電壓空間矢量，交替使用不同的電壓空間矢量就可以合成所需的圓形旋轉磁鏈。三相電壓型逆變器（如圖1）的開關元件組合為空間的27個電壓矢量，如果對三相電壓進行變換，根據(jù)空間矢量理論，輸出電壓矢量定義為：

可以得到如圖2所示空間開關矢量圖［2］。根據(jù)矢量關系的線性組合，可取得更多電壓空間矢量，以此來獲取近似交流電動機所需的圓形磁場。在實際調(diào)速控制系統(tǒng)中，為使電壓波形對稱，減小轉矩脈動，將電壓矢量的作用時間都一分為二，在滿足最小開關損耗原則的前提下，利用電壓空間矢量生成SVPWM波，獲得接近理想的圓形旋轉磁場。

圖1 三電平逆變器的主電路結構圖

圖2 六角形空間電壓相量圖

2 SVPWM變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)設計

轉子磁場定向矢量控制是日前高性能異步電機拖動系統(tǒng)普遍采用的方法，SVPWM控制技術是其核心技術，它是將逆變器與電動機當做一個整體看待，目的是交流電動機獲取幅值恒定的圓形旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，它的優(yōu)點是運行噪聲低、轉矩脈動幅度小、直流電壓利用率高［3］。

圖3所示交流異步電機矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結構圖，其采用的控制方法是空間電壓矢量調(diào)制。其總的控制思想是：與從測速發(fā)電機測得的電動機的實際轉速進行對比，再通過比例積分調(diào)節(jié)器PI得到電流。電流與通過旋轉坐標變換得到的電流分量相比較，通過PI調(diào)節(jié)器得到Vsqref。定子電流的勵磁分量給定值與相比較，再通過比例積分調(diào)節(jié)器PI得到Vsqref。Vsdref，Vsqref經(jīng)過Park逆變換得到Vsaref，Vsbref。將得到的Vsaref，Vsbref信號作為SVPWM的輸入信號，逆變器受SVPWM準確控制，從而獲得優(yōu)良的調(diào)速控制性能。

圖3 交流異步電機矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結構圖（SVPWM）

3 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

圖4是在Matlab/simulink環(huán)境下建立的基于SVPWM的異步電機變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。

圖4 基于SVPWM的變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)仿真模型

為了驗證該系統(tǒng)實際性能，控制系統(tǒng)仿真模型對異步電機的幾種典型的工況進行仿真實驗，仿真的基本參數(shù)設置如下：

三相異步電機的參數(shù)：額定功率：2.2KW；定子電壓：380V；頻率：50Hz；定子電阻：3.435Ω；定子電感：8.0mH；定子磁通：0.6Wb；轉子電阻：5.816Ω；轉子電感：5.0mH；定轉子互感：200.3mH；轉動慣量：0.089kgm2。

直流側參數(shù)：C1=C2=4700μF，Ed1=Ed2=200V。

3.1 系統(tǒng)擾動性能

圖5和圖6分別表示應用SVPWM優(yōu)化算法對異步電機進行控制時，定子電流、電機轉速、電機轉矩在電機轉速為1000rpm的情況下，突加、突減負載（負載轉矩0→200N?m）的動態(tài)響應曲線。

圖5 突加負載時定子電流、電機轉速、電機轉矩的響應曲線（1000rpm）

圖6 突減負載時定子電流、電機轉速、電機轉矩的響應曲線（1000rpm）

從仿真結果可以看出，本系統(tǒng)在電機高速運行負載擾動的情況下，定子電流在負載突變時有明顯的變化，隨后在較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)，而轉速的變化微弱；電磁轉矩響應速度快；具有較高的抗負載擾動能力。

3.2 系統(tǒng)調(diào)速性能

圖7所示被控電動機轉速從300rpm→-300rpm變化，空載狀態(tài)下，轉向發(fā)生改變時定子電流、電機轉速、電機轉矩的動態(tài)響應曲線。

圖7 轉速從300rpm→-300rpm變向時定子電流、電機轉速、電機轉矩的響應曲線

如圖7所示的仿真波形表示，該調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器參數(shù)不變且空載狀態(tài)時，改變電動機轉向，定子相電流、電機轉速及電機轉矩的動態(tài)響應特性。此時，調(diào)速系統(tǒng)處于低速運行，隨著摩擦力的減少和限幅作用的消失，超調(diào)減少，過渡加快，而電機轉矩在t＝1.2s時由正變負經(jīng)過渡后達到穩(wěn)定。因此可以得出當定子電流在速度變化一定時，其響應速度以及電機轉速得以改變。

4 結論

本文探討了基于SVPWM變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，給出了控制器的設計結構，并進行了仿真研究，結果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)、動態(tài)性能和抗擾動性能，易于數(shù)字化實現(xiàn)。因此，應用價值廣泛，在工業(yè)應用領域中有很好的推廣前景。

參考文獻

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京∶機械工業(yè)出版社，2003.

［2］李明，馬小平，陳愛麗.一種改進的三電壓矢量PWM過調(diào)制技術的應用與研究［J］.東南大學學報（自然科學版），2003，33∶179-182.

［3］譚國俊，張旭隆，曹言敬，李廣超.基于DSP的異步電動機SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計［J］.工礦自動化，2003.

作者簡介：

陳斌（1980—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，江蘇省徐州技師學院講師，研究方向：交直流調(diào)速控制系統(tǒng)。