李中望

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院 安徽蕪湖 241006）

隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科的迅速發(fā)展，在工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域，交流調(diào)速已有逐步取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。特別在像以軋鋼機(jī)為代表的大容量生產(chǎn)機(jī)械中，應(yīng)用尤其廣泛。交流調(diào)速目前已具有與直流傳動(dòng)相似的調(diào)速動(dòng)靜態(tài)性能，此外，還具有效率高、體積小、重量輕、使用時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。交流調(diào)速的方案包括變極對(duì)數(shù)調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速，在以上調(diào)速方案中，變極對(duì)數(shù)調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速主要有調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、轉(zhuǎn)子串附加電動(dòng)式調(diào)速和電磁離合器調(diào)速幾種形式，該種調(diào)速方法并不調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，低速時(shí)效率比較低。而變頻調(diào)速與前兩種交流調(diào)速方式完全不同，該種方法屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，對(duì)同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，從低速到高速都能維持有限的轉(zhuǎn)差率，調(diào)速范圍相對(duì)較大，效率較高，調(diào)速精度高。目前，變頻控制憑借著它無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)成為應(yīng)用最多的控制方式。在調(diào)速過(guò)程中，往往將含有矢量變換的交流電動(dòng)機(jī)控制稱(chēng)為矢量控制，它是目前交流調(diào)速中最先進(jìn)的控制方式。本文主要討論了基于矢量控制的軋鋼機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

一、設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩控制能力的強(qiáng)弱直接影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，通過(guò)對(duì)電流的控制就可以完成對(duì)轉(zhuǎn)矩控制，這是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)矩和電流成正比關(guān)系較易實(shí)現(xiàn)，但交流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩受到氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流、功率因數(shù)等多個(gè)因素的影響，而之中的關(guān)鍵參變量轉(zhuǎn)差率不容易進(jìn)行直接測(cè)量，控制起來(lái)會(huì)復(fù)雜許多。本軋鋼機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要依靠電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率來(lái)進(jìn)行控制，即認(rèn)為電動(dòng)機(jī)定子角頻率由轉(zhuǎn)子角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率共同構(gòu)成，從而保證在電動(dòng)機(jī)速度變化過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的定子電流能夠伴隨著轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)同步變化。采用轉(zhuǎn)差頻率控制的終極目的是將交流電機(jī)相對(duì)繁瑣的轉(zhuǎn)矩模型轉(zhuǎn)化成與直流電機(jī)相似的簡(jiǎn)單模型，這種方法從理論上將電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成兩部分勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別進(jìn)行控制，勵(lì)磁分量建立磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩分量形成轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)主電路采用目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通用的SPWM電壓型逆變器，該種裝置采用電容器作為濾波環(huán)節(jié)，開(kāi)關(guān)器件采用目前應(yīng)用很廣泛的全控型器件IGBT，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖中，ω*為給定角頻率，i*ml為電機(jī)定子電流勵(lì)磁分量，i*tl為電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，u*ml為電機(jī)定子電壓勵(lì)磁分量，u*tl為電機(jī)定子電壓轉(zhuǎn)矩分量，ω1*為電機(jī)定子角頻率， ωs*為電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率，-ω 和+ω 分別為轉(zhuǎn)子角頻率負(fù)反饋和正反饋；θ*為定子電壓矢量轉(zhuǎn)角。ωs*+ω=ω1*，在調(diào)速的過(guò)程中，定子電流頻率總是跟隨轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速增大和減小，調(diào)速平滑性好。

根據(jù)矢量變換理論，可以得到交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方程式：

在式中，Te為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Lm為兩相坐標(biāo)系同軸繞組間互感，Lr為兩相坐標(biāo)系定、轉(zhuǎn)子繞組自感，ist為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，ism為定子電流的勵(lì)磁分量，ωs為轉(zhuǎn)差角頻率，φr為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，Tr為電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，P為微分算子。從以上公式可以歸納出，在轉(zhuǎn)子磁鏈φr恒定的前提下，電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist將直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te，并且轉(zhuǎn)子磁鏈φr和轉(zhuǎn)差角頻率ωs可以分別通過(guò)ist和ism進(jìn)行計(jì)算。

二、系統(tǒng)仿真與分析

以上變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。本模型的控制環(huán)節(jié)由給定模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、坐標(biāo)變換模塊、函數(shù)運(yùn)算模塊、PWM脈沖發(fā)生器模塊等構(gòu)成。給定模塊主要包含了定子電流的勵(lì)磁分量以及給定轉(zhuǎn)速，PI調(diào)節(jié)器模塊主要是建立了有限幅功能的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，坐標(biāo)變換模塊完成的是二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與三相靜止坐標(biāo)系之間的變換，函數(shù)運(yùn)算模塊主要完成了轉(zhuǎn)差角頻率ωs的合成計(jì)算，并且與轉(zhuǎn)子頻率ω 進(jìn)行代數(shù)和運(yùn)算得到定子角頻率ω1，并且通過(guò)積分輸出電機(jī)電壓矢量轉(zhuǎn)角θ。PWM發(fā)生器模塊的三相調(diào)制信號(hào)由dq0_to_abc模塊輸出，G3環(huán)節(jié)的加入是為了有效保障調(diào)制信號(hào)幅度符合要求。系統(tǒng)仿真了電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速1400r/min時(shí)的空載起動(dòng)的過(guò)程，起動(dòng)之后經(jīng)過(guò)0.5s的時(shí)間加上負(fù)載TL=70N·m。

圖2 系統(tǒng)仿真模型圖

本系統(tǒng)仿真采用的為ode5的固定步長(zhǎng)算法。仿真波形如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真波形圖

其中，圖3-1為軋鋼機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和增加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度仿真波形，起動(dòng)初始階段，電機(jī)速度呈現(xiàn)快速的線(xiàn)性增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加速過(guò)程，轉(zhuǎn)速達(dá)到期望速度，在加上一定的負(fù)載后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有波動(dòng)，但由于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，速度會(huì)很快被調(diào)整至穩(wěn)定。圖3-2為系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中電動(dòng)機(jī)定子角頻率的仿真波形，可以觀察到，其變化過(guò)程與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化過(guò)程近似一致。圖3-3為系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的仿真波形，由波形可見(jiàn)，電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)矩也有明顯的增長(zhǎng)過(guò)程，在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在80N.m左右，加上負(fù)載后，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的調(diào)整也會(huì)很快地趨于恒定。圖3-4和圖3-5分別描述了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的三相電流和三相電壓仿真波形，可以觀察到，在起動(dòng)初始階段，電流維持在給定最大電流值上基本不變，電壓逐漸在提高，在電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電流和電壓都有所下降，而在電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載后，電流和電壓又有明顯的上升。圖3-6為工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)仿真波形，可以看到，在起動(dòng)初始階段，開(kāi)始逐步建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的變化呈現(xiàn)出不規(guī)則性，這也直接導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的脈動(dòng)（如圖3-3），經(jīng)過(guò)0.3s左右，該磁場(chǎng)開(kāi)始呈現(xiàn)出圓形形狀，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也隨之趨于穩(wěn)定。在軋鋼機(jī)工作過(guò)程中，如果想改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大值，可以嘗試通過(guò)改變速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軋鋼機(jī)工作過(guò)程中的特點(diǎn)進(jìn)行分析，借鑒目前最先進(jìn)的交流電機(jī)的控制方法，有針對(duì)性地進(jìn)行了一種軋鋼機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真模型建立，成功地獲得了系統(tǒng)各項(xiàng)變量的仿真波形，在仿真過(guò)程中，進(jìn)行了大量的參數(shù)優(yōu)化，例如系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)與積分常數(shù)、坐標(biāo)變換模塊的比例系數(shù)等。綜合最終的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該種調(diào)速系統(tǒng)具備了良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，同時(shí)相關(guān)的分析工作也為今后同領(lǐng)域系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

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