深井泵交流電機調速系統的設計

張傲然　葉欣磊　陳梓明　刁胤峰

摘? 要：為提高作業效率和節約電能，該文設計并仿真了一款新型深井泵交流電機調速系統。該系統采用基于定子磁鏈的直接轉矩控制（DTC），通過檢測電機的定子電壓和電流，借助瞬間空間矢量理論來計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得的差值，實現磁鏈與轉矩的控制。在相同處理器的條件下，DTC模式下的運算處理更快，可以更加快速的響應負載轉矩的變化。Simulink仿真運行結果表明，系統可以達到調速的要求，提升了控制操作實時性和可靠性。

關鍵詞：深井泵;定子磁鏈;直接轉矩控制（DTC）;Simulink

中圖分類號：TM921? ? ? 文獻標志碼：A

0 概述

深井泵是排出地下水的主要設備，廣泛應用于工廠、礦業、地質勘探和地熱能開發等方面。我國深井泵的發展始于1946年。經過全國科學家們對深水泵多年的研究，得到了許多寶貴經驗。然而，近年來國內對深井泵的研究幾乎停滯，廠家僅對其產品略作改動，或從其他國家進口高端產品。在國外，ITT和丹麥格蘭富等企業占領了國際市場，而且其產品正快速進入國內市場。它們在市場上的競爭優勢給國內企業帶來了巨大的生存壓力。

在過去的所謂 “不變速交流驅動”中，泵等通用機械功率幾乎占工業總功率半數以上。深井泵并不是不需要調節，目前主要依靠閥門調節流量，浪費能源。如果換成交流電機調速，每個泵上閥門調節的損耗都可以被降低，節省大約30%的能量。

DTC是一種高性能的交流調速技術。與矢量控制不同，DTC解決了復雜計算易被參數變化的影響、實際性能難達到期望結果的問題，具有新穎的控制思想、簡明的系統結構和優秀的性能。

Simulink是利用計算機對模型的分析和計算，替代實際對象進行仿真實驗，是MATLAB上工程設計的工具。目前廣泛采用這項技術，研究和分析交流電機的調速系統。對于一個新模型，如果能使用Simulink對其進行仿真，就可以及時發現系統問題，這對系統研發起到了非常重要的作用。

異步發動機的變頻調速目前廣泛應用于拖動領域。對于深井泵，更常見的方法是在機器中設出泵的輸出揚程，通過變頻調速，平滑無極的調節機泵水流量，提高調節能力和水平，減少啟動的頻率，實現節電能、降能耗的效果。深井泵的運行狀態不同于一般加壓泵，可視為恒轉矩負載，需要采用合理的交流調速技術。該文中設計的新型深井泵交流電機調速系統，對提高廠家的經濟效益有著明顯作用和實際意義。

1 設計原理

1.1 3/2變換

通過交流電流的兩相繞組可以產生旋轉磁動勢。當三相繞組和兩相繞組產生的磁動勢和旋轉速度相等時，兩相繞組等于三相繞組。三相繞組A、B、C和兩相繞組的α、β之間的變換，稱3/2變換。3/2變換用互相垂直的兩相繞組替代2π/3分布的三相繞組，繼而消除定子與轉子三相繞組間的相互耦合作用。定子繞組對于轉子繞組仍有相對的運動，因此定、轉子繞組互感是非線性的變參數陣。輸出轉矩是關于定、轉子電流和定、轉子夾角θ的函數。和三相初始的模型相比較，3/2 變換減少了狀態變量的維數，簡化了定、轉子的自感方程。

1.2 直接轉矩控制系統

直接轉矩控制系統又稱DTC系統，區別于矢量控制系統，是后發展起來的高動態性能的交流電機變壓變頻調速系統。DTC利用電磁轉矩偏差與定子磁鏈幅值偏差的符號，不需要精確的磁鏈定向，在當前定子磁鏈矢量所在位置，選取合適的電壓空間矢量，實現對定子磁鏈幅值和電磁轉矩的偏差的減小，完成控制電磁轉矩與定子磁鏈的目的。

DTC系統中有2個帶有滯環的雙位式控制器，一個是AΨR（定子磁鏈調節器），另一個是ATR（轉矩調節器）。定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數sgn（ΔΨs）和電磁轉矩偏差ΔTe的符號函數sgn（ΔTe）為DTC系統的輸出。

DTC系統中的P/N稱為給定轉矩極性鑒別器。當期望的電磁轉矩T*

e大于零時，取P/N=1;當期望的電磁轉矩T*

e小于零時，取P/N=0。所以，在DTC系統中，同樣符號函數的控制作用對于不同的電磁轉矩期望值是不同的。

當期望的電磁轉矩T*

e大于零，如果電磁轉矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，對應的符號函數sgn（ΔTe）=1，定子磁場應該正向旋轉，實際的電磁轉矩Te會升高;如果電磁轉矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，對應的符號函數sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁場停止轉動，使電磁轉矩降低。當期望的電磁轉矩T*

e小于零時，如果電磁轉矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，對應的符號函數sgn（ΔTe）=0，定子磁場應該反向旋轉，使實際電磁轉矩Te反向升高;如果電磁轉矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，對應符號函數sgn（ΔTe）=1，一般采用定子磁場停止轉動，使電磁轉矩反向減小。

2 設計仿真

深井泵交流電機調速系統利用定子磁鏈幅值與轉矩的偏差符號，在當前定子磁鏈矢量所在位置，選取合適的電壓空間矢量，實現對電磁轉矩和定子磁鏈的控制作用。仿真原理是先進行三相繞組A、B、C到兩相繞組α、β之間的變換和定子磁鏈計算;再選擇電壓空間矢量，進行SVPWM控制;最后提取異步電動機的定子和轉子測量參數，輸出并處理實驗結果。

2.1 仿真的電機參數

采用以上深井泵異步電動機參數，對直接轉矩控制系統進行Simulink仿真實驗，得到定子與轉子磁鏈、轉速與轉矩、線電流與線電壓、SVPWM輸出電壓的幅值與相角等仿真結果見表1。

2.2 Simulink仿真結果

仿真結果顯示，深井泵交流電機調速系統采用DTC系統，相對于開環和閉環調壓系統，在給定的理想轉速n*突然變化時，轉速n波動相對不大，磁通幅值基本保持不變，性能不受其轉子參數的影響。采用雙位式控制的深井泵交流電機調速系統，根據電磁轉矩和定子磁鏈幅值偏差的符號以及給定電磁轉矩的極性，不需要精確定向，只需當前定子磁鏈矢量的位置，就可以直接生成三相PWM信號，省去了旋轉坐標變換，簡化了控制器的結構。

3 設計結論

該文設計并仿真了一款新型深井泵交流電機調速系統。經過Simulink仿真實驗，發現基于定子磁鏈的DTC系統有更優的性能，省去旋轉變換和對電流的閉環控制，簡化了控制器的結構，對魯棒性的提高有很重要的作用，解決了控制的計算結果易受控制參數變化的影響、實際性能難以達到預期的問題，對于實際深井泵生產具有深遠的意義。

參考文獻

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