雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

李 嵐,劉艷麗

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原030024)

近十年來,隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域已出現(xiàn)交流電機(jī)調(diào)速取代直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于一些高電壓、大功率且調(diào)速范圍不大的應(yīng)用場(chǎng)合,采用繞線型異步電機(jī)雙饋矢量控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱雙饋電機(jī)矢量控制系統(tǒng)),具有裝置可靠性高、造價(jià)低廉、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、諧波污染小等特點(diǎn),因此應(yīng)用前景廣闊。

雙饋的主要優(yōu)點(diǎn)在于能把轉(zhuǎn)差功率饋送到電網(wǎng)中去,或由電網(wǎng)饋入,或高效地利用它,使相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)具有良好的性能。雙饋調(diào)速工作時(shí),除了電機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接外,轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng)或外接電動(dòng)勢(shì)相連。從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看,可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個(gè)交流電動(dòng)勢(shì)[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(huán)境下,構(gòu)建了雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型。并在次同步速、超同步及負(fù)載發(fā)生變化時(shí)的情況進(jìn)行仿真,分析不同運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、定子電流、轉(zhuǎn)子電流及電磁轉(zhuǎn)矩的變化。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,雙饋電機(jī)可通過轉(zhuǎn)子側(cè)串入交流電壓進(jìn)行調(diào)速,當(dāng)雙饋電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下,轉(zhuǎn)子電流保持不變,這時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子外加交流電壓的頻率、大小和相位,既可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率,達(dá)到調(diào)速的目的,又可以調(diào)節(jié)雙饋電機(jī)的功率因數(shù)。

在d、q坐標(biāo)系下,雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型如下[1]：定、轉(zhuǎn)子電壓方程

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)矩方程

運(yùn)動(dòng)方程

式中：Rs,Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻;Ls,Lr,Lm分別為定、轉(zhuǎn)子自感及互感;ω1為同步角速度;ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;np為電機(jī)極對(duì)數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;p為微分算子。

2 控制策略

選取d、q坐標(biāo)系為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(m,t坐標(biāo)系),采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制,將m軸定于定子磁鏈?zhǔn)噶?Ψs方向上,對(duì)其速度和電流進(jìn)行閉環(huán)控制,則雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型變?yōu)閇2,3]：

電壓方程

磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩方程：

將式(9)代入式(4),整理得轉(zhuǎn)速方程：

忽略定子電阻時(shí),由式(5)可得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(jī)矢量控制系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 雙饋電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)雙饋電機(jī)矢量控制原理,在MATLAB6.5環(huán)境下搭建了仿真模型,轉(zhuǎn)子側(cè)IGBT的觸發(fā)脈沖控制模塊如圖2所示,網(wǎng)側(cè)IGBT的觸發(fā)脈沖控制模塊如圖3所示。雙饋電機(jī)參數(shù)如下：額定功率PN=2.2 k W;額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子額定電壓Ur N=260 V,額定電流 IrN=6 A;極對(duì)數(shù)np=2;定子電阻Rs=3.2 Ω;轉(zhuǎn)子等效電阻R′r=2.965 8Ω;定子漏感L s l=0.014 3 H;轉(zhuǎn)子漏感 L r l=0.014 3 H;互感Lm=0.265 4 H 。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)IGBT脈沖觸發(fā)仿真模型

圖3 網(wǎng)側(cè)IGBT的脈沖觸發(fā)仿真模塊

4 仿真結(jié)果

次同步速,對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。空載起動(dòng),0.2 s時(shí)加負(fù)載7.4 N?m;速度給定0 s時(shí)1 337 r/min,2 s時(shí)1 241 r/min;仿真波形如圖4所示。

圖4 次同步速下調(diào)速的仿真波形

次同步速時(shí),空載起動(dòng),0.2 s時(shí)加負(fù)載14.8 N?m;轉(zhuǎn)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(diào)速,空載起動(dòng),0.2 s時(shí)加負(fù)載14.8 N?m;轉(zhuǎn)速給定0 s時(shí)1 427 r/min,1.5 s時(shí)1 720 r/min,仿真波形如圖6所示。

次同步速時(shí),負(fù)載發(fā)生變化情況。速度給定為1 241 r/min,起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4 N?m,2 s時(shí)變?yōu)?.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(diào)速的仿真波形

從仿真結(jié)果可以看出：

1)給定速度變化后,速度和轉(zhuǎn)矩可以快速的跟隨變化,且超調(diào)量小。

2)系統(tǒng)的最高速可達(dá)到1 720 r/min,最低速達(dá)1 050 r/min,且穩(wěn)態(tài)電流趨于正弦,諧波較少。

3)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)能夠快速作出反應(yīng),定子電流變大,轉(zhuǎn)子電流的頻率隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。因轉(zhuǎn)速給定不變,所以轉(zhuǎn)子電流的頻率也不變。

4)電機(jī)由次同步向超同步調(diào)速時(shí),轉(zhuǎn)子電流的相序發(fā)生了變化,因此,轉(zhuǎn)子側(cè)的功率流向也發(fā)生了變化。轉(zhuǎn)子側(cè)的功率流向,由次同步時(shí)從電機(jī)流向電網(wǎng),到超同步時(shí)功率從電網(wǎng)流向電機(jī)。

5 結(jié)論

通過對(duì)雙饋電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jù)該控制策略,搭建了雙饋電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型。通過分析其不同工況下的仿真結(jié)果可以看出,基本達(dá)到了預(yù)期的目的,驗(yàn)證了該調(diào)速系統(tǒng)的 有效性,可行性。

圖7 次同步速下負(fù)載變化的仿真波形

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 李娟娟.雙饋電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)及仿真[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2004.

[3] 洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MA TLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.