張傲然　葉欣磊　陳梓明　刁胤峰

摘? 要：為提高作業(yè)效率和節(jié)約電能，該文設(shè)計并仿真了一款新型深井泵交流電機調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)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(yīng)負載轉(zhuǎn)矩的變化。Simulink仿真運行結(jié)果表明，系統(tǒng)可以達到調(diào)速的要求，提升了控制操作實時性和可靠性。

關(guān)鍵詞：深井泵;定子磁鏈;直接轉(zhuǎn)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(shè)備，廣泛應(yīng)用于工廠、礦業(yè)、地質(zhì)勘探和地熱能開發(fā)等方面。我國深井泵的發(fā)展始于1946年。經(jīng)過全國科學(xué)家們對深水泵多年的研究，得到了許多寶貴經(jīng)驗。然而，近年來國內(nèi)對深井泵的研究幾乎停滯，廠家僅對其產(chǎn)品略作改動，或從其他國家進口高端產(chǎn)品。在國外，ITT和丹麥格蘭富等企業(yè)占領(lǐng)了國際市場，而且其產(chǎn)品正快速進入國內(nèi)市場。它們在市場上的競爭優(yōu)勢給國內(nèi)企業(yè)帶來了巨大的生存壓力。

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

DTC是一種高性能的交流調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，DTC解決了復(fù)雜計算易被參數(shù)變化的影響、實際性能難達到期望結(jié)果的問題，具有新穎的控制思想、簡明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)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(shè)計的工具。目前廣泛采用這項技術(shù)，研究和分析交流電機的調(diào)速系統(tǒng)。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(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，這對系統(tǒng)研發(fā)起到了非常重要的作用。

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

1 設(shè)計原理

1.1 3/2變換

通過交流電流的兩相繞組可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。當三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的磁動勢和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子三相繞組間的相互耦合作用。定子繞組對于轉(zhuǎn)子繞組仍有相對的運動，因此定、轉(zhuǎn)子繞組互感是非線性的變參數(shù)陣。輸出轉(zhuǎn)矩是關(guān)于定、轉(zhuǎn)子電流和定、轉(zhuǎn)子夾角θ的函數(shù)。和三相初始的模型相比較，3/2 變換減少了狀態(tài)變量的維數(shù)，簡化了定、轉(zhuǎn)子的自感方程。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)又稱DTC系統(tǒng)，區(qū)別于矢量控制系統(tǒng)，是后發(fā)展起來的高動態(tài)性能的交流電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。DTC利用電磁轉(zhuǎn)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(xiàn)對定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差的減小，完成控制電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的目的。

DTC系統(tǒng)中有2個帶有滯環(huán)的雙位式控制器，一個是AΨR（定子磁鏈調(diào)節(jié)器），另一個是ATR（轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器）。定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數(shù)sgn（ΔΨs）和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號函數(shù)sgn（ΔTe）為DTC系統(tǒng)的輸出。

DTC系統(tǒng)中的P/N稱為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器。當期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e大于零時，取P/N=1;當期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

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

當期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e大于零，如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

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

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

e小于零時，如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

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

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

2 設(shè)計仿真

深井泵交流電機調(diào)速系統(tǒng)利用定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)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(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子測量參數(shù)，輸出并處理實驗結(jié)果。

2.1 仿真的電機參數(shù)

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

2.2 Simulink仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，深井泵交流電機調(diào)速系統(tǒng)采用DTC系統(tǒng)，相對于開環(huán)和閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)，在給定的理想轉(zhuǎn)速n*突然變化時，轉(zhuǎn)速n波動相對不大，磁通幅值基本保持不變，性能不受其轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響。采用雙位式控制的深井泵交流電機調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值偏差的符號以及給定電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)計結(jié)論

該文設(shè)計并仿真了一款新型深井泵交流電機調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)過Simulink仿真實驗，發(fā)現(xiàn)基于定子磁鏈的DTC系統(tǒng)有更優(yōu)的性能，省去旋轉(zhuǎn)變換和對電流的閉環(huán)控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)，對魯棒性的提高有很重要的作用，解決了控制的計算結(jié)果易受控制參數(shù)變化的影響、實際性能難以達到預(yù)期的問題，對于實際深井泵生產(chǎn)具有深遠的意義。

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