交流異步電機平穩啟動限幅反饋優化仿真

張小石

(重慶建設工業(集團)有限責任公司, 重慶 400054)

我國在異步電機產業的國產化水平已經有了質的突破，國產異步電機的市場份額也在逐步提升，但是和國外歐美品牌在技術上相比，還是有一定距離。異步電動機以其優良的性能及無需維護的特點，在各行各業中得到廣泛的應用。然而由于其起動時要產生較大沖擊電流(一般為額定電流的5～8倍)，同時由于起動應力較大，使負載設備的使用壽命降低，影響設備的正常工作。因此，研究電機的平穩無沖擊地起動有著重要的意義。在前人研究3/2坐標變換的基礎上，本文的創新在于磁鏈控制磁鏈調節器、轉速控制轉速調節器和轉矩調節器的雙閉環反饋限幅控制的方案，能夠控制電機平穩啟動，進而控制傳動負載。通過電機平穩啟動中轉速、轉矩、磁鏈調節器的參數匹配設計來研究調節器限幅反饋優化，為交流異步電機平穩啟動提供了一些理論依據和改進方向[1-7]。

1 交流異步電機平穩啟動系統原理的建立

交流異步電機平穩啟動原理如圖1所示，因為定子、轉子互感是轉子位置的函數，轉子旋轉時，這些互感是時變的，使分析計算不變，解決的辦法就是坐標變換，由三相電流iabc經坐標變換得ist、ism。

圖1 交流異步電機平穩啟動系統原理框圖

(1)

(2)

由轉速調節器得T*e

(3)

(4)

(5)

(6)

經2/3坐標反變換得

(7)

(7)

2 建模仿真

2.1 交流異步電機平穩啟動模型

圖2 帶轉矩內環的轉速、磁鏈閉環控制矢量圖

圖3 3/2坐標變換模塊矢量圖

圖4 脈沖產生模塊矢量圖

2.2 仿真參數的設定

在原理圖中，ASR轉速調節器內部結構為圖5、圖6、圖7和表1所示，電機的啟動仿真參數如圖8和表2所示，ATR轉矩調節器、ApsiR磁鏈調制器的參數設定與ASR轉速調節器一樣。

圖5 轉速調節器內部結構

圖6 轉速調節器輸出限幅

圖7 轉速積分器限幅

表1 調節器參數

圖8 電機啟動參數

表2 電機啟動仿真參數

2.3 仿真模型的建立

在Simulink中建立了無反饋的三相交流電機模型，該模型由直流電源DC模塊、逆變器universal bridge模塊、調制器PWM generator模塊、三相電機模塊、以及測量模塊組成[10-12]。輸入轉矩TL為階躍step函數，具體如圖9所示。

圖9 無反饋的電機啟動帶負載運行Simulink模型示意圖

在Simulink中建立了有反饋的三相交流電機模型，該模型由直流電源DC模塊、逆變器universal bridge模塊、ASR轉速調節器、ATR轉矩調節器、ApsiR磁鏈調制器、PWM generator模塊、三相電機模塊、以及測量模塊組成。輸入轉矩TL為階躍step函數，具體如圖10所示。

圖10 帶磁鏈、轉矩反饋的電機啟動帶負載運行Simulink模型示意圖

3 動態仿真分析

圖11、圖12是無反饋的電機啟動的定子轉子的三相電流曲線，在電機啟動是電流的曲線的包絡是上下振蕩的，幅值80～100A的范圍內變化，幅值變化大，限幅控制效果差；圖13、圖14是帶磁鏈、轉矩反饋閉環控制的電機啟動的定子轉子的三相電流曲線的包絡幅值在60 A的數值整齊的變化，幅值一致，能夠說明磁鏈、轉速限幅控制性能的優越性。

圖14 有反饋轉子的三相電流曲線

圖13 有反饋定子的三相電流曲線

圖12 無反饋轉子的三相電流曲線

圖11 無反饋定子的三相電流曲線

圖15、圖16是在無反饋的情況下，通過仿真可以看出直流電機啟動過程中的定子的磁鏈軌跡曲線有許多毛邊，這是啟動過程中，對電機的磁鏈、轉矩沒有進行限幅反饋控制造成的。造成的后果是電機的轉速、力矩不能平穩啟動。圖17、圖18在有反饋的情況下，通過仿真可以看出直流電機啟動過程中的定子、轉子的磁鏈軌跡曲線比較規整[13-15]。

圖15 無反饋定子的磁鏈軌跡曲線

圖16 有反饋定子的磁鏈軌跡曲線

圖17 無反饋轉子的磁鏈軌跡曲線

圖18 有反饋轉子的磁鏈軌跡曲線

電機在0.3 s后，達到預定的轉速3 100 r/min。由于在0.6 s加了60 N·m的轉矩，電機的輸出功率一定，所以在0.6 s后電機的轉速降低到2 800 r/min。轉速曲線A在達到預定轉速3 100 r/min和降到額定轉速2 800 r/min時波動的阻尼比與無反饋曲線B相比降低了約60.3%，說明電機的轉速穩定性得到改良，曲線如圖19所示。

圖19 電機的轉速曲線

電機在0.3 s后達到預定轉速3 100 r/min，沒有施加轉矩，所以此時的轉矩曲線為0 r/min；在0.6 s加了60 r/min的轉矩，轉矩曲線也有相應的變化。轉矩曲線在電機啟動后轉矩0 r/min和施加負載轉矩60 r/min時曲線A波動的阻尼比與無反饋曲線B的比小了87.9%，說明電機的轉矩穩定性得到改良，其次就是通過轉矩曲線可以看出電機的啟動比較平穩。曲線A的阻尼比為0.96，曲線B的阻尼比為0.63；曲線A的超調量為5%，曲線B的超調量為1.6%。無磁鏈、轉矩反饋時，電機的啟動曲線呈衰減的正弦曲線，說明無反饋時電機啟動不穩定。轉矩曲線如圖20所示。

圖20 電機的轉矩曲線

為了說明本研究結果的可行性，采用了可信性的比較標準阻尼比和超調量M，圖19中曲線A的阻尼比為0.95，曲線B的阻尼比為0.13，阻尼比越趨近于1，系統越穩定；曲線A的超調量為25%，曲線B的超調量為3.3%，超調量越小，系統越穩定，可見對轉速、轉矩、磁鏈的限幅優化是有效可行的。

表3 電機轉速參數優化前后

表4 電機轉矩參數優化前后

4 結論

運用Matlab/Simulink軟件，建立帶磁鏈、轉矩反饋的電機啟動控制仿真模型，通過數值仿真求解，并和無反饋的電機啟動方案進行比較，電機轉速的阻尼比相對減小60.3%和超調量M相對減小76.1%，電機轉矩的阻尼比相對減小87.9%和超調量M相對減小88.2%，對電機啟動過程的振動抑制比較明顯，對于電機平穩啟動、轉速平穩過渡是有效和可行的。