三電平異步電機矢量控制系統的研究

郭殿林,包 兵,于宗艷,陳 坤,萬 丹，王寶春

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022; 2.大慶油田工程建設有限責任公司油建公司，黑龍江 大慶 163712)

●電網設備●

三電平異步電機矢量控制系統的研究

郭殿林1,包 兵1,于宗艷1,陳 坤1,萬 丹1，王寶春2

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022; 2.大慶油田工程建設有限責任公司油建公司，黑龍江 大慶 163712)

針對傳統SVPWM控制算法存在大量的函數計算,計算精度低,實時性與精確性差,難以滿足礦用異步電動機驅動系統的控制要求,結合異步電動機的數學模型、采用新型三電平60°坐標系SVPWM算法,搭建了基于二極管鉗位三電平變換器60°坐標系SVPWM的新型MATLAB異步電動機矢量控制系統。通過對控制系統進行仿真分析與實驗,結果表明該算法減少了運算時間,提高了計算精度,滿足了礦山實際應用需求。

三電平SVPWM;60°坐標系;矢量控制

目前礦用異步電動機的驅動系統為多電平逆變器拓撲結構,其控制采用三電平SVPWM算法[1-4]，但是該控制算法存在大量的函數計算,計算精度低,實時性與精確性滿足不了現在對逆變器控制的要求,限制了新型逆變器的發展。對此,為解決這些問題,本文在分析異步電動機數學模型的基礎上,采用新型三電平60°坐標系SVPWM算法,搭建了基于二極管鉗位三電平變換器60°坐標系SVPWM的新型MATLAB異步電動機矢量控制系統,以驗證該算法的可行性。

1 異步電動機數學模型

本文選擇籠型異步電動機為研究對象,因此按轉子磁場定向時異步電動機在兩相同步旋轉坐標系下,得到轉子磁鏈與定轉子電流的關系式為

(1)

根據轉矩公式可得電流的交軸分量和電機轉矩的關系為

(2)

式中:np為磁極對數;Lm為定轉子繞組之間的等效互感;Lr為轉子繞組值得的等效自感。

兩相同步旋轉坐標系下電壓約束方程為

(3)

式中:Rs為定子繞組的等效電阻;ωs為轉子相對定子的相對角速度;ω1、ωr分別為同步角速度和轉子角速度;ρ為微分算子。

由式(1)和式(3)可以得出定子電流兩個分量與轉差角速度和轉子磁鏈的關系為

(4)

由于異步電動機的定子電壓在旋轉坐標系下,交、直軸分量并沒有完全解耦,因此需要對電壓進行前饋補償控制。

在穩態時轉子磁鏈恒定不變,即:φr=Lmism,則由式(3)可得關系式為

(5)

由式(5)得出電壓前饋補償值為

(6)

2 三電平60°坐標系SVPWM

2.1 逆變器拓撲結構

在逆變器部分采用中點二極管鉗位式三電平拓撲結構,以一相橋臂為例,其拓撲結構以及橋臂上四個開關管之間的邏輯關系如圖1所示。

圖1 逆變器的一相橋臂拓撲結構與對應的開關模式

通過開關模式可以分析逆變器1相輸出有三種狀態,即S1、S2導通時為P狀態;S2、S3導通時為O狀態;S3、S4導通時為N狀態。三相輸出共有27種組合,其中大矢量和中矢量各有6種、小矢量12種以及零矢量3種[5-6]。

2.2 90°坐標系到60°坐標系轉化

由于60°坐標系下的空間矢量控制方法相比于傳統方法在計算復雜度與精度等方面擁有很大優勢,因此在控制系統中采用此種算法。在坐標轉化過程中必須遵循能量守恒和磁鏈守恒原則,從數學角度與物理角度上,將直角坐標系轉換成60°坐標系需要的變換關系式為

(7)

由此可得到在60°坐標下的矢量空間分布,如圖2所示。

圖2 60°坐標系空間矢量圖

在扇區的判斷和矢量作用時間計算的方法上與傳統算法相類似,但是從空間矢量圖2可以看出,60°坐標系SVPWM算法在計算的難度和復雜度方面都有所降低,所以在軟件的實現中,提高了精確性與實時性。

3 模型建立與仿真分析

通過以結構層次化與模塊化的結合思想,并借助于MATLAB優越的仿真運算能力構建了控制系統整體仿真模型,如圖3所示。

現實中電機的啟動有一個充磁的過程,當轉子的磁鏈值沒有達到系統所設定的初始值,整個控制系統是不起作用的,如圖4所示。

本文在系統仿真中采用的異步電動機參數為:UN=1140 V,RS=10.91 mΩ,Lls=0.36 mH,Rr=7.65 mΩ,Llr=0.36 mH,Lm=11.842 mH,J=4.0 kg·m2,直流母線電壓取500 V,極對數取np=2，其仿真波形如圖5所示。

圖3 控制系統仿真模型

圖4 充磁仿真模型

從圖5可以看到,在給定轉速N*=600 r/min,0到1.3 s之間,電機處在充磁環節,充磁完成后電機轉速達到給定轉速,整個過程轉速上升平滑，超調很小,即使在1.5 s加上負載后,電機的轉矩與定子三相電流有明顯的響應,但電機轉速波動不大,基本實現了電動機的恒速運行。在隨后的幾個時刻加上不同負載,通過波形觀察也證明了該控制系統仿真模型的合理性和有效性。

4 系統實現

在實驗室,對搭建的三電平矢量控制系統進行了實驗,目的是驗證應用新型三電平60°坐標系SVPWM算法的可行性。

本文搭建的三電平矢量控制系統主要由主回路與控制回路兩部分組成,主回路中逆變部分采用型號FGL40N150D的IGBT作為開關管,控制器以TMS320F2812作為控制芯片。為了增強抗干擾能力,DSP與控制對象的之間的信號采用光的形式傳輸,而且為了保證信號傳輸的精確性,在實驗中使用光纖作為信號傳輸線,其中光發射器型號為HFBR-1522、光接觸器型號為HFBR-2522。由于DSP輸出的PWM信號無法驅動IGBT,因此在驅動電路上采用型號PSPC 0330的三電平拓撲結構專用驅動模塊，它是基于新一代PSHI 0330驅動核設計用于驅動三電平拓撲結構,模塊內部含有電源欠壓保護;內置驅動用DC/DC隔離驅動;最高工作頻率可達80 kHz;具有故障同步功能等特點。以一相橋臂上開關S3、S4為例,其驅動接線方式如圖6所示。

圖5 仿真波形圖

圖6 開關S3、S4的驅動接線圖

驅動模塊與IGBT連接如圖7所示。

圖7 柵極驅動連接圖

在實驗平臺,采用的異步電動機為5.5 kW的YTSZ31L-4,輸入直流電壓1500 V,系統運行實驗結果如圖8所示。

圖8 實驗結果波形

從圖8可以看出,采用新型SVPWM算法的三電平異步電機矢量控制系統的轉速響應波形與系統仿真輸出結果一致,并且通過DSP編寫的新型三電平SVPWM算法程序可以看出該算法與傳統控制算法相比,在程序的運算過程中減少了大量的函數計算,而且在逆變器的交流側還能得到較好的相電壓與線電壓波形。

5 結 語

通過上述分析及仿真實驗結果得知,基于60°坐標系三電平變換器SVPWM算法搭建的異步電動機矢量控制系統有效、可行,而且多電平逆變器結構以及60°坐標系SVPWM算法能夠與異步電動機調速系統進行合理組合,簡化了計算步驟,提高了計算精度,滿足了實際需求。這表明,該算法能為中壓大功率傳動系統中電動機的控制提供新的控制方法,也能為礦用電氣設備中高壓驅動實際控制系統的研究與設計提供理論依據。

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(責任編輯 郭金光)

Research on vector control system of three-level asynchronous motor

GUO Dianlin1， BAO Bing1， YU Zongyan1， CHEN kun1， WAN Dan1,WANG Baochun2

(1.Institute of Electric and Control Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China; 2.Oilfield Construction Company of Daqing Oifield Engineering Construction Co.,Ltd.Daqing 163712,China)

Since the traditional three-level SVPWM algorithm has many disadvantages,such as a great amount of function computation,low calculation accuracy,poor real time and accuracy,it hardly meets the requirements of three-level asynchronous motor using in mine for control system.According to the mathematical model of asynchronous motor,the author used the new type of three-level 60° coordinates SVPWM algorithm to design the new vector control system of MATLAB asynchronous motor based on Diode clamp three-level 60° coordinates SVPWM.Through the simulation and experiment of the control system,it is proved that the algorithm,reducing the operation time and enhancing the calculation accuracy,is convenient for practical application in mine.

three-level SVPWM; 60° coordinates; vector control

2016-05-24。

黑龍江省教育廳面上項目:12541733。

郭殿林(1972—),副教授,在讀博士,從事電力電子與電力傳動的研究。

TM46； TM343

A

2095-6843(2016)06-0525-04