三電平異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)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(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022; 2.大慶油田工程建設(shè)有限責(zé)任公司油建公司，黑龍江 大慶 163712)

●電網(wǎng)設(shè)備●

三電平異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)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(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022; 2.大慶油田工程建設(shè)有限責(zé)任公司油建公司，黑龍江 大慶 163712)

針對(duì)傳統(tǒng)SVPWM控制算法存在大量的函數(shù)計(jì)算,計(jì)算精度低,實(shí)時(shí)性與精確性差,難以滿足礦用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制要求,結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、采用新型三電平60°坐標(biāo)系SVPWM算法,搭建了基于二極管鉗位三電平變換器60°坐標(biāo)系SVPWM的新型MATLAB異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)。通過對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該算法減少了運(yùn)算時(shí)間,提高了計(jì)算精度,滿足了礦山實(shí)際應(yīng)用需求。

三電平SVPWM;60°坐標(biāo)系;矢量控制

目前礦用異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),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(shù)計(jì)算,計(jì)算精度低,實(shí)時(shí)性與精確性滿足不了現(xiàn)在對(duì)逆變器控制的要求,限制了新型逆變器的發(fā)展。對(duì)此,為解決這些問題,本文在分析異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,采用新型三電平60°坐標(biāo)系SVPWM算法,搭建了基于二極管鉗位三電平變換器60°坐標(biāo)系SVPWM的新型MATLAB異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng),以驗(yàn)證該算法的可行性。

1 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文選擇籠型異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,因此按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向時(shí)異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,得到轉(zhuǎn)子磁鏈與定轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系式為

(1)

根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可得電流的交軸分量和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

(2)

式中:np為磁極對(duì)數(shù);Lm為定轉(zhuǎn)子繞組之間的等效互感;Lr為轉(zhuǎn)子繞組值得的等效自感。

兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)子相對(duì)定子的相對(duì)角速度;ω1、ωr分別為同步角速度和轉(zhuǎn)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(gè)分量與轉(zhuǎn)差角速度和轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系為

(4)

由于異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,交、直軸分量并沒有完全解耦,因此需要對(duì)電壓進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變,即:φr=Lmism,則由式(3)可得關(guān)系式為

(5)

由式(5)得出電壓前饋補(bǔ)償值為

(6)

2 三電平60°坐標(biāo)系SVPWM

2.1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在逆變器部分采用中點(diǎn)二極管鉗位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以一相橋臂為例,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及橋臂上四個(gè)開關(guān)管之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 逆變器的一相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的開關(guān)模式

通過開關(guān)模式可以分析逆變器1相輸出有三種狀態(tài),即S1、S2導(dǎo)通時(shí)為P狀態(tài);S2、S3導(dǎo)通時(shí)為O狀態(tài);S3、S4導(dǎo)通時(shí)為N狀態(tài)。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(biāo)系到60°坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化

由于60°坐標(biāo)系下的空間矢量控制方法相比于傳統(tǒng)方法在計(jì)算復(fù)雜度與精度等方面擁有很大優(yōu)勢(shì),因此在控制系統(tǒng)中采用此種算法。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)化過程中必須遵循能量守恒和磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t,從數(shù)學(xué)角度與物理角度上,將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成60°坐標(biāo)系需要的變換關(guān)系式為

(7)

由此可得到在60°坐標(biāo)下的矢量空間分布,如圖2所示。

圖2 60°坐標(biāo)系空間矢量圖

在扇區(qū)的判斷和矢量作用時(shí)間計(jì)算的方法上與傳統(tǒng)算法相類似,但是從空間矢量圖2可以看出,60°坐標(biāo)系SVPWM算法在計(jì)算的難度和復(fù)雜度方面都有所降低,所以在軟件的實(shí)現(xiàn)中,提高了精確性與實(shí)時(shí)性。

3 模型建立與仿真分析

通過以結(jié)構(gòu)層次化與模塊化的結(jié)合思想,并借助于MATLAB優(yōu)越的仿真運(yùn)算能力構(gòu)建了控制系統(tǒng)整體仿真模型,如圖3所示。

現(xiàn)實(shí)中電機(jī)的啟動(dòng)有一個(gè)充磁的過程,當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁鏈值沒有達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的初始值,整個(gè)控制系統(tǒng)是不起作用的,如圖4所示。

本文在系統(tǒng)仿真中采用的異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)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(duì)數(shù)取np=2，其仿真波形如圖5所示。

圖3 控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 充磁仿真模型

從圖5可以看到,在給定轉(zhuǎn)速N*=600 r/min,0到1.3 s之間,電機(jī)處在充磁環(huán)節(jié),充磁完成后電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速,整個(gè)過程轉(zhuǎn)速上升平滑，超調(diào)很小,即使在1.5 s加上負(fù)載后,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子三相電流有明顯的響應(yīng),但電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大,基本實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的恒速運(yùn)行。在隨后的幾個(gè)時(shí)刻加上不同負(fù)載,通過波形觀察也證明了該控制系統(tǒng)仿真模型的合理性和有效性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)室,對(duì)搭建的三電平矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),目的是驗(yàn)證應(yīng)用新型三電平60°坐標(biāo)系SVPWM算法的可行性。

本文搭建的三電平矢量控制系統(tǒng)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(hào)FGL40N150D的IGBT作為開關(guān)管,控制器以TMS320F2812作為控制芯片。為了增強(qiáng)抗干擾能力,DSP與控制對(duì)象的之間的信號(hào)采用光的形式傳輸,而且為了保證信號(hào)傳輸?shù)木_性,在實(shí)驗(yàn)中使用光纖作為信號(hào)傳輸線,其中光發(fā)射器型號(hào)為HFBR-1522、光接觸器型號(hào)為HFBR-2522。由于DSP輸出的PWM信號(hào)無法驅(qū)動(dòng)IGBT,因此在驅(qū)動(dòng)電路上采用型號(hào)PSPC 0330的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專用驅(qū)動(dòng)模塊，它是基于新一代PSHI 0330驅(qū)動(dòng)核設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),模塊內(nèi)部含有電源欠壓保護(hù);內(nèi)置驅(qū)動(dòng)用DC/DC隔離驅(qū)動(dòng);最高工作頻率可達(dá)80 kHz;具有故障同步功能等特點(diǎn)。以一相橋臂上開關(guān)S3、S4為例,其驅(qū)動(dòng)接線方式如圖6所示。

圖5 仿真波形圖

圖6 開關(guān)S3、S4的驅(qū)動(dòng)接線圖

驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT連接如圖7所示。

圖7 柵極驅(qū)動(dòng)連接圖

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用的異步電動(dòng)機(jī)為5.5 kW的YTSZ31L-4,輸入直流電壓1500 V,系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形與系統(tǒng)仿真輸出結(jié)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(tǒng)控制算法相比,在程序的運(yùn)算過程中減少了大量的函數(shù)計(jì)算,而且在逆變器的交流側(cè)還能得到較好的相電壓與線電壓波形。

5 結(jié) 語

通過上述分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,基于60°坐標(biāo)系三電平變換器SVPWM算法搭建的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)有效、可行,而且多電平逆變器結(jié)構(gòu)以及60°坐標(biāo)系SVPWM算法能夠與異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行合理組合,簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟,提高了計(jì)算精度,滿足了實(shí)際需求。這表明,該算法能為中壓大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的控制提供新的控制方法,也能為礦用電氣設(shè)備中高壓驅(qū)動(dòng)實(shí)際控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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[6] SUBBA G.REDDY.Vector controller based speed control of induction motor drive with 3-Level SVPWM based inverter[J].IJETEE,2013,1(4):1-11.

(責(zé)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(xiàng)目:12541733。

郭殿林(1972—),副教授,在讀博士,從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究。

TM46； TM343

A

2095-6843(2016)06-0525-04