高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的仿真

王英，朱麗媛

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著電氣傳動技術，尤其是變頻調(diào)速技術的發(fā)展，高壓變頻技術得到了廣泛應用.高壓變頻器有多種拓撲結構，其中單元串聯(lián)型拓撲結構是應用最普遍且最有發(fā)展前景的一種拓撲結構.單元串聯(lián)型高壓變頻技術的應用使得變頻器有完美無諧波的電壓輸出;其高質(zhì)量的波形輸出使電機不需要降額使用;其多重化技術可使電網(wǎng)功率因數(shù)保持在0.95以上，不需要任何的功率補償裝置，這遠遠優(yōu)于其它類型的變頻調(diào)速系統(tǒng)［1］.

單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)采用矢量控制策略進行控制，可以提供更好的調(diào)速性能，本文根據(jù)載波移相SPWM控制和矢量控制的基本原理，對基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)進行了分析研究，利用MATLAB建立了高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并對此進行了仿真分析.仿真結果表明，基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，可以滿足工業(yè)領域?qū)Ω咂焚|(zhì)的交流調(diào)速系統(tǒng)的要求.

1 單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構

高壓變頻矢量控制系統(tǒng)主要由移相變壓器、功率單元和矢量控制器組成，圖1為6單元串聯(lián)高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的簡單結構圖.其中輸入側采用多重化技術，可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染;輸出側功率單元采用載波移相SPWM技術，能夠提高輸出電壓的等效開關頻率.功率單元串聯(lián)這種拓撲結構的一個顯著特點是，當其中一個功率單元出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機的運行，減少停機時造成的損失［2］.

圖1 高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的簡單結構圖

1.2 系統(tǒng)的矢量控制

本系統(tǒng)采用的是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制策略..轉(zhuǎn)差頻率矢量控制不需要進行復雜的磁通檢測和繁瑣的坐標變換，只要在保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變的前提下，通過檢測定子電流和轉(zhuǎn)子角速度，經(jīng)過數(shù)學模型的運算就能實現(xiàn)間接的磁場定向控制，其控制的基本方程式如下［3］:

式中，ism為定子電流的勵磁分量;ist為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量;Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù);p為微分算子.若保持磁通不變，則Trp=0，由上述矢量控制方程(1)～(3)計算可以得到:

圖2為基于轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理框圖，異步電機轉(zhuǎn)速ω與給定轉(zhuǎn)速ω*比較，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到定子轉(zhuǎn)矩電流.由于單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)采用電壓型變頻器，故需要相應的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，其變換關系為:

圖2 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)原理框圖

2 單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 矢量控制系統(tǒng)建模

根據(jù)前述單元串聯(lián)型高壓變頻器的矢量控制原理，建立基于Simulink的高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示.

圖3 高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型

功率單元模塊采用單元串聯(lián)型的結構，獨立直流電源供電，相子模塊內(nèi)部結構如圖4所示.每個功率單元的SPWM信號由載波移相SPWM方法生成.

圖4 相子模塊內(nèi)部示意圖

矢量控制模塊采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算和坐標變換組成，利用異步電動機的矢量控制方程式:式(1)～(3)搭建出Simulink仿真模型如圖5所示.其中ASR采用的是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器如圖6所示.

圖5 矢量控制子模塊

圖6 PI調(diào)節(jié)器

載波移相SPWM控制模塊的功能是是將矢量控制中經(jīng)2r/3s變換所得到的三相正弦電壓參考信號作為調(diào)制波，分別與N對相位差為π/N的三角載波相比較，從而得到SPWM脈沖信號，得到的N路SPWM脈沖分別控制單相N個功率單元，把得到的輸出電壓進行串聯(lián)疊加，從而產(chǎn)生2N+1個電平的輸出相電壓.圖7為單個功率單元SPWM脈沖發(fā)生模型.

圖7 兩三角波與調(diào)制波比較SPWM脈沖發(fā)生模型

2.2 仿真分析

利用MATLAB對如圖3所示的單元串聯(lián)型變頻系統(tǒng)進行仿真.變頻器采用6單元串聯(lián)型結構，結構如圖1所示.電機采用380 V普通電機，功率單元直流電源采用36 V.電機參數(shù)設為:線電壓 U=380 V，頻率 f=50 Hz，極對數(shù) np=2，定子電阻 RS=0.435 Ω，定子電感 Ls=0.002 H，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.816 Ω，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.002 H，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.19 kg·m2，定轉(zhuǎn)子互感 Lm=0.069 H.仿真給定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時的空載起動過程，在啟動0.5 s后加TL=60 N·m的負載轉(zhuǎn)矩.設置仿真時間為0.8 s.圖8為變頻器調(diào)制波波形及輸出電壓波形，其中圖8(a)為變頻器A相載波移相SPWM調(diào)制波，圖8(b)為變頻器A相輸出電壓，圖8(c)為0.64～0.68 s變頻器A相輸出電壓放大圖.圖9為電機的輸出特性，其中圖9(a)為異步電機定子A相電流波形，圖9(b)為電機轉(zhuǎn)速波形，圖9(c)電機轉(zhuǎn)矩波形.

圖8 變頻器調(diào)制波及輸出電壓波形

圖9 電機輸出特性波形

根據(jù)仿真結果可以看出，三相異步電動機在矢量控制、載波移相SPWM以及六個功率單元串聯(lián)驅(qū)動的條件下，電機繞組相電壓波形如圖8(c)所示為13電平，符合電平數(shù)與級聯(lián)單元數(shù)之間表達式的2N+1關系，其波形更加接近正弦波;隨時間變化，轉(zhuǎn)速逐漸上升，在0.42 s時，轉(zhuǎn)速稍微有超調(diào)后穩(wěn)定在1 400 r/min;啟動電流為50 A左右，之后電流下降為空載電流.在異步電機加載后電流迅速上升，電動機的轉(zhuǎn)矩也隨之增加，轉(zhuǎn)速在略微調(diào)整后恢復不變.

由仿真結果可以得到，異步電機在單元串聯(lián)型變頻矢量控制系統(tǒng)驅(qū)動下，不但其電壓、電流波形諧波含量少，而且其調(diào)速特性有很大的提高.

3 結論

單元串聯(lián)型高壓變頻器是目前應用最為成熟的一種拓撲結構，是在高壓變頻調(diào)速領域占絕對優(yōu)勢的一種技術;而單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)，能夠很好的提高電網(wǎng)質(zhì)量，減少輸出諧波并有效防止電機的轉(zhuǎn)矩脈動.因此，本文對基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)進行了研究分析，并對其進行了建模仿真，仿真結果表明此高壓變頻矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)對高壓電機調(diào)速控制的要求.

［1］郭建平，歐陽紅林.高壓變頻器的級聯(lián)移相控制［J］.防爆電機，2008，43(5):17-19.

［2］趙文承.單元串聯(lián)多電平高壓變頻器技術分析［J］.山東冶金，2004(6):23-25.

［3］洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［4］吳國祥，江友華.級聯(lián)型多電平高壓變頻器研究［J］.電機與控制應用，2007，34(1):34-38.

［5］南永輝，羅仁俊，伍海林，等.基于級聯(lián)型多電平高壓變頻器的異步電機控制策略［J］.變流技術與電力牽引，2008(5):11-15.

［6］張皓，續(xù)明進，楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.