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        高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的仿真

        2012-07-02 03:27:08王英朱麗媛
        大連交通大學(xué)學(xué)報 2012年3期
        關(guān)鍵詞:串聯(lián)變頻矢量

        王英,朱麗媛

        (大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

        0 引言

        隨著電氣傳動技術(shù),尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,高壓變頻技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.高壓變頻器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中單元串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)用最普遍且最有發(fā)展前景的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).單元串聯(lián)型高壓變頻技術(shù)的應(yīng)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(jī)不需要降額使用;其多重化技術(shù)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(bǔ)償裝置,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了仿真分析.仿真結(jié)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(lǐng)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(jié)構(gòu)

        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(jié)構(gòu)圖.其中輸入側(cè)采用多重化技術(shù),可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染;輸出側(cè)功率單元采用載波移相SPWM技術(shù),能夠提高輸出電壓的等效開關(guān)頻率.功率單元串聯(lián)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個顯著特點(diǎn)是,當(dāng)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(jī)的運(yùn)行,減少停機(jī)時造成的損失[2].

        圖1 高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)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(jìn)行復(fù)雜的磁通檢測和繁瑣的坐標(biāo)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(xué)模型的運(yùn)算就能實(shí)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(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,異步電機(jī)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(yīng)的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制,其變換關(guān)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(jié)構(gòu),獨(dú)立直流電源供電,相子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yùn)算和坐標(biāo)變換組成,利用異步電動機(jī)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(jìn)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(jìn)行仿真.變頻器采用6單元串聯(lián)型結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖1所示.電機(jī)采用380 V普通電機(jī),功率單元直流電源采用36 V.電機(jī)參數(shù)設(shè)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(fù)載轉(zhuǎn)矩.設(shè)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(jī)的輸出特性,其中圖9(a)為異步電機(jī)定子A相電流波形,圖9(b)為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,圖9(c)電機(jī)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(jī)輸出特性波形

        根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,三相異步電動機(jī)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(jī)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(dá)式的2N+1關(guān)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(jī)加載后電流迅速上升,電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩也隨之增加,轉(zhuǎn)速在略微調(diào)整后恢復(fù)不變.

        由仿真結(jié)果可以得到,異步電機(jī)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(jié)論

        單元串聯(lián)型高壓變頻器是目前應(yīng)用最為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是在高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢的一種技術(shù);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(jī)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(jìn)行了研究分析,并對其進(jìn)行了建模仿真,仿真結(jié)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(jī)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(jī),2008,43(5):17-19.

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

        [3]洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機(jī)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(jī)與控制應(yīng)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(jī)控制策略[J].變流技術(shù)與電力牽引,2008(5):11-15.

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

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