李 嵐,劉艷麗

(太原理工大學電氣與動力工程學院,太原030024)

近十年來,隨著電力電子技術、微電子技術以及現代控制理論的發(fā)展,電氣傳動技術領域已出現交流電機調速取代直流電機調速的發(fā)展趨勢。對于一些高電壓、大功率且調速范圍不大的應用場合,采用繞線型異步電機雙饋矢量控制系統(tǒng)(簡稱雙饋電機矢量控制系統(tǒng)),具有裝置可靠性高、造價低廉、動態(tài)響應快、諧波污染小等特點,因此應用前景廣闊。

雙饋的主要優(yōu)點在于能把轉差功率饋送到電網中去,或由電網饋入,或高效地利用它,使相應的調速系統(tǒng)具有良好的性能。雙饋調速工作時,除了電機定子側與交流電網直接連接外,轉子側也要與交流電網或外接電動勢相連。從電路拓撲結構看,可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢[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,構建了雙饋電機控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型。并在次同步速、超同步及負載發(fā)生變化時的情況進行仿真,分析不同運行狀態(tài)下的轉速、定子電流、轉子電流及電磁轉矩的變化。

1 數學模型

根據電機學理論,雙饋電機可通過轉子側串入交流電壓進行調速,當雙饋電機負載轉矩不變的情況下,轉子電流保持不變,這時調節(jié)轉子外加交流電壓的頻率、大小和相位,既可以調節(jié)轉差率,達到調速的目的,又可以調節(jié)雙饋電機的功率因數。

在d、q坐標系下,雙饋電機數學模型如下[1]：定、轉子電壓方程

定、轉子磁鏈方程

電磁轉矩方程

運動方程

式中：Rs,Rr分別為定、轉子電阻;Ls,Lr,Lm分別為定、轉子自感及互感;ω1為同步角速度;ω為轉子旋轉角速度;np為電機極對數;TL為負載轉矩;J為轉動慣量;p為微分算子。

2 控制策略

選取d、q坐標系為同步旋轉坐標系(m,t坐標系),采用定子磁場定向矢量控制,將m軸定于定子磁鏈矢量 Ψs方向上,對其速度和電流進行閉環(huán)控制,則雙饋電機的數學模型變?yōu)閇2,3]：

電壓方程

磁鏈方程

電磁轉矩方程

由式(6)中的定子磁鏈方程整理得：

將式(8)代入式(3),整理得電磁轉矩方程：

將式(9)代入式(4),整理得轉速方程：

忽略定子電阻時,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。

因此得到雙饋電機矢量控制系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 雙饋電機矢量控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)仿真模型

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

圖2 轉子側IGBT脈沖觸發(fā)仿真模型

圖3 網側IGBT的脈沖觸發(fā)仿真模塊

4 仿真結果

次同步速,對電機進行調速?？蛰d起動,0.2 s時加負載7.4 N?m;速度給定0 s時1 337 r/min,2 s時1 241 r/min;仿真波形如圖4所示。

圖4 次同步速下調速的仿真波形

次同步速時,空載起動,0.2 s時加負載14.8 N?m;轉速給定為1 050 r/min,仿真波形如圖5所示。

由次同步向超同步調速,空載起動,0.2 s時加負載14.8 N?m;轉速給定0 s時1 427 r/min,1.5 s時1 720 r/min,仿真波形如圖6所示。

次同步速時,負載發(fā)生變化情況。速度給定為1 241 r/min,起動時負載轉矩為4 N?m,2 s時變?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速的仿真波形

從仿真結果可以看出：

1)給定速度變化后,速度和轉矩可以快速的跟隨變化,且超調量小。

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

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

4)電機由次同步向超同步調速時,轉子電流的相序發(fā)生了變化,因此,轉子側的功率流向也發(fā)生了變化。轉子側的功率流向,由次同步時從電機流向電網,到超同步時功率從電網流向電機。

5 結論

通過對雙饋電機在兩相旋轉坐標系下的模型分析,確定了以定子磁鏈定向的矢量控制策略,并依據該控制策略,搭建了雙饋電機變頻調速控制系統(tǒng)的仿真模型。通過分析其不同工況下的仿真結果可以看出,基本達到了預期的目的,驗證了該調速系統(tǒng)的 有效性,可行性。

圖7 次同步速下負載變化的仿真波形

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2003.

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

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