摘""要：通過(guò)圍繞電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)，探討電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的變頻調(diào)速機(jī)械特性，包括電機(jī)電壓、頻率變頻協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特征，在此基礎(chǔ)上提出利用矢量控制技術(shù)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)、SVPWM算法，進(jìn)行三電平逆變器結(jié)構(gòu)構(gòu)建、電壓空間矢量生成、交流電壓脈寬調(diào)制的控制，做出電氣系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)變頻電壓、電流、轉(zhuǎn)子調(diào)速的矢量控制，可有效保證電動(dòng)機(jī)從負(fù)載轉(zhuǎn)矩到額定轉(zhuǎn)矩、給定轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)變化。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化""矢量控制""變頻調(diào)速技術(shù)""仿真研究

中圖分類號(hào)：TM76""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research"on"Variable-Frequency"Regulating"Speed"Technology"in"Electrical"Automation"Control

LIN"Danyang

（Beijing"Xinjun"Commercial"Management"Co.，"Ltd.，，"Beijing，，"100728"China）

Abstract："Focusing"on"the"three-phase"asynchronous"motor"of"the"electrical"automation"system，"this"paper"discusses"the"mechanical"characteristics"of"frequencynbsp;control"of"motor"drive"equipment，"including"the"stable-state"mechanical"characteristics"of"motor"voltage"and"frequency"conversion"coordinated"control，"and"based"on"this，"proposes"to"use"vector"control"technology，"PWM"pulse"width"modulation"technology"and"the"SVPWM"algorithm"to"control"the"construction"of"three-level"inverter"structure，"generation"of"voltage"space"vector，"and"modulation"of"AC"voltage"pulse"width，"and"make"the"vector"control"of"variable"frequency"voltage，"current"and"rotor"speed"regulation"of"the"electric"system"motor，"which"can"effectively"ensure"the"dynamic"and"stable"change"of"the"motor"from"load"torque"to"rated"torque，"and"given"speed"to"rated"speed.

Key"Words："Electrical"automation;"Vector"control;"Variable-frequency"regulating"speed"technology;"Simulation"study

SVPWM脈寬調(diào)制具有標(biāo)準(zhǔn)化、高速化、低功耗與低成本的特征，可用于電氣自動(dòng)化控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取異步電動(dòng)機(jī)矢量控制方式，將三相異步交流電動(dòng)模型轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)模型，對(duì)強(qiáng)耦合的電流、電壓變量解耦，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)復(fù)雜變頻控制的簡(jiǎn)單化[1]。通過(guò)引入PWM脈寬調(diào)制技術(shù)、SVPWM算法，判定電壓矢量所處的空間區(qū)域、調(diào)制電壓矢量脈寬，將所有電壓矢量合成為空間電壓矢量，對(duì)SVPWM調(diào)制的三相定子電壓、電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩做出控制，實(shí)現(xiàn)電氣交流系統(tǒng)中的電路保護(hù)、電機(jī)動(dòng)靜態(tài)傳動(dòng)的變頻性能控制。

1""電氣系統(tǒng)中自動(dòng)化控制的電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)

電壓空間矢量脈寬調(diào)制也稱為SVPWM，根據(jù)等效磁鏈原則對(duì)空間電壓矢量，進(jìn)行線性組合、輸出總電壓矢量，理論上只要開關(guān)三極管頻率足夠高，就可輸出足夠多的電壓矢量[2]。[2]因而SVPWM為SPWM的改進(jìn)脈寬調(diào)制方案，相當(dāng)于正弦脈寬調(diào)制后，再完成三次的諧波脈寬分量調(diào)制，采用SVPWM調(diào)制的脈寬范圍寬、輸出諧波少，且對(duì)電動(dòng)機(jī)電流、磁通量的控制效果更好，充分保障了系統(tǒng)的低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高電壓利用率。

2""三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性

2.1""恒壓恒頻異步電機(jī)的機(jī)械特性

在不計(jì)勵(lì)磁電流、磁通飽和、時(shí)間諧波等影響因素條件下，可采取恒壓頻比控制方式，設(shè)置異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路的磁通量為Φm、定子電壓和電源角頻率為ω1，交流電機(jī)極對(duì)數(shù)為p，則異步電機(jī)的機(jī)械特性方程為如下。

式（1）中，Te表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩，、U1表示電機(jī)定子相電壓、，s表示轉(zhuǎn)差率；，R1表示定子每相電阻，、表示轉(zhuǎn)子折合到定子的每相電阻；，Ll1表示定子每相漏感、，表示轉(zhuǎn)子折合到定子的每相漏感。當(dāng)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s很小時(shí)，可忽略以上機(jī)械特性方程中含有s項(xiàng)的分母，將方程簡(jiǎn)化為式（2）（2）：。

這時(shí)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)差率s成正比（（Te∝s）），且轉(zhuǎn)矩Te的機(jī)械特性Te=f（s）呈一條直線a。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s≈1時(shí)，忽略機(jī)械特性方程中含有項(xiàng)的分母，將方程簡(jiǎn)化為式（3）（3）：。

這時(shí)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)差率s成正比（（Te∝1/s）），且轉(zhuǎn)矩Te的機(jī)械特性Te=f（s），可表示為對(duì)稱于原點(diǎn)的雙曲線。

2.2""電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性

在三相異步電機(jī)帶有特定負(fù)載TL的情況下，按照固定轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)矩Te運(yùn)行，則需要通過(guò)電機(jī)電壓U1、頻率ω1值的不同配合，來(lái)完成電壓頻率協(xié)調(diào)控制[3]。[3]

（（1））采取“U1/ω1=恒值”的恒壓頻比控制方式，保持磁通量Φm不變，則電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0與角頻率ω1成正比。當(dāng)“U1/ω1”為恒值時(shí)，轉(zhuǎn)速降落?n也是不變的，根據(jù)以上式（（1））可得最大轉(zhuǎn)矩Temax與角頻率ω1的變化關(guān)系為式（4）（4）：。

因此當(dāng)U1/ω1為恒值時(shí)，Temax是隨著ω1的變化而呈正比變化的，頻率ω1值較低時(shí)系統(tǒng)的變頻調(diào)速、負(fù)載能力也降低，這時(shí)需采用定子壓降補(bǔ)償法提高電壓U1的值。

（2）采取“Eg/ω1=恒值”的控制方式，根據(jù)以上式（3）（3）的機(jī)械特性方程，得到異步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Temax與“Eg/ω1”恒值的機(jī)械方程如下。

因此，當(dāng)“Eg/ω1”為恒值時(shí)，Temax不隨ω1的變化而變化，其對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制性能比恒壓頻比控制要更好。綜合而言，若在采取“U1/ω1=恒值”恒壓頻比控制方式的基礎(chǔ)上，使提高電壓U1不僅抵消定子壓降，而且也完成轉(zhuǎn)子漏抗壓降的補(bǔ)償，則可達(dá)到電機(jī)交流變頻調(diào)速的線性控制。

3""電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的電壓空間矢量變換、SVPWM調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1""電機(jī)電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量的關(guān)系

電機(jī)電流、電壓及磁動(dòng)勢(shì)等的空間矢量，都是隨著時(shí)間變化而發(fā)生變動(dòng)的物理量，且電機(jī)繞組電流、電壓在空間上有著明確的方向。如在以AO、BO、CO為轉(zhuǎn)軸（如圖1）的復(fù)平面內(nèi)，分別存在單位矢量ej0、ej2π/3、ej4π/3，這樣電機(jī)定子的電壓空間矢量可表示為沿三軸方向的uAO、uBO、uCO，始終在各相繞組軸線發(fā)生正弦規(guī)律變化，三軸電壓的時(shí)間相位差為120°，電壓空間矢量可用下式（6）（6）表示：。

因而三相異步電機(jī)定子合成的電壓空間矢量us可表示為下式（7）（7）：。

式（7）其中，uAO（t）、uBO（t）、uCO（t）均為電機(jī)定子相電壓的瞬時(shí)值，且隨著時(shí)間變化發(fā)生正弦變化，uAO（t）=Usinωt、uBO（t）=Usin（ωt-2π/3）、uCO（t）=Usin（ωt+2π/3），將該式代入至式（7）（7）整理后，可得電壓空間矢量us表示為下式（8）：（8）。

從以上式（8）（8）可以得出：三相異步電機(jī)定子合成的電壓空間矢量us，是以角速度ω旋轉(zhuǎn)的空間矢量，其幅值為相電壓最大值的3/2倍。當(dāng)AO、BO、CO轉(zhuǎn)軸的某一相電壓取最大值時(shí)，電壓空間矢量us將落在us的軸線上，得到合成電壓矢量us幅值為Ud、三相逆變器電壓值為U=2/3Ud。

在利用三相平衡正弦電壓，對(duì)三相異步電機(jī)定子進(jìn)行繞組供電時(shí)，可以將每一相的電壓平衡方程做出整合，得到總的合成空間矢量的定子電壓方程式，具體如下式（9）（9）所示[4]。[4]若電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不是太低，則可忽略定子電阻電壓降，將式（9）（9）變?yōu)榇沛溈臻g矢量Ψ、電壓空間矢量us的關(guān)系式（10）（10）：

由式（11）（11）可以得出：三相電機(jī)轉(zhuǎn)子的合成磁鏈空間矢量，為落后于三相合成電壓空間矢量90°時(shí)間的矢量，且以同樣角速度ω旋轉(zhuǎn)。因此對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量軌跡、轉(zhuǎn)動(dòng)速率的求取，可轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓空間矢量的旋轉(zhuǎn)軌跡、轉(zhuǎn)動(dòng)速率求取問(wèn)題。

3.2""電壓空間矢量SVPWM調(diào)制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

SVPWM調(diào)制技術(shù)包括電壓SPWM調(diào)制技術(shù)、電流SPWM調(diào)制技術(shù)和磁鏈SPWM調(diào)制技術(shù)，主要利用多個(gè)電子開關(guān)三極管，按照正弦規(guī)律變化，調(diào)制電機(jī)電壓、電流的脈沖波信號(hào)[5]。[5]其中電壓空間矢量生成、脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，通常由電機(jī)三3個(gè)橋臂、六6個(gè)開關(guān)管共同參與，使用（（U，V，W））表示三3個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)，設(shè)置“1”為上橋臂導(dǎo)通、“0”為下橋臂導(dǎo)通，則可得到電壓空間矢量控制的八種開關(guān)狀態(tài)（（"000"））、（（001））、（（010））、（（011））、（（100））、"（（101））、（（110））、（（111）），中間六6種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)單相空間矢量幅值2Ud/3或Ud/3，其余六6種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)零電壓空間矢量。

假設(shè)使用三相電壓型逆變器，對(duì)單相空間矢量的開關(guān)管做出導(dǎo)通、斷開控制，設(shè)置相電壓空間矢量為[UA"UB"UC]T、線電壓空間矢量為[UAB"UBC"UCA]T，則三相電壓逆變電路，與逆變器開關(guān)狀態(tài)矢量之間的關(guān)系可表示為下式（12）（12）：

因此由式（12）（12）可以得出，相電壓、線電壓空間矢量，與逆變器開關(guān)狀態(tài)矢量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6]，可根據(jù)式（12）（12）的計(jì)算公式，用如下表1進(jìn)行表示。

根據(jù)八個(gè)基本電壓空間矢量，構(gòu)建起電機(jī)轉(zhuǎn)子的正六邊形磁鏈結(jié)構(gòu)，將正多邊形的扇區(qū)分成n個(gè)子扇區(qū)，通過(guò)SVPWM調(diào)制技術(shù)，合理調(diào)控基本電壓空間矢量的采樣周期、作用時(shí)間，進(jìn)而完成正多邊形旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，三相逆變器開關(guān)狀態(tài)、子區(qū)電壓空間矢量的控制。

零電壓矢量選擇、分割不同情況下，會(huì)產(chǎn)生不同的SVPWM波形，遵循開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少原則，任何一次電壓空間矢量變換，只動(dòng)作一個(gè)開關(guān)管，從而盡可能減少逆變器開關(guān)損耗。

本文文章采用四段相鄰非零矢量、三段零矢量，合成每個(gè)子區(qū)電壓空間矢量調(diào)制的SVPWM波，SVPWM波以零矢量U0作為開始和結(jié)束，進(jìn)行三路零矢量SVPWM信號(hào)PWM1、PWM3、"PWM5的確定，根據(jù)信號(hào)輸出值為1或0，來(lái)確定控制開關(guān)管V1、V3、V5是連通或關(guān)斷。由電壓空間非零矢量為U1～U6，可知一個(gè)采樣周期內(nèi)共需動(dòng)作6次開關(guān)管。

4""電氣系統(tǒng)電機(jī)變頻調(diào)速的仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1""矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

本文文章依托于SIMULINK仿真試驗(yàn)平臺(tái)，以及A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、光電編碼器測(cè)速控制模塊、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊、定子坐標(biāo)系變換模塊、SVPWM波發(fā)生模塊、磁鏈函數(shù)發(fā)生模塊、矢量控制算法等，進(jìn)行SVPWM控制器仿真模型、變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量控制仿真模型的建構(gòu)，[67]具體矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

利用SIMULINK仿真軟件，三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組為Y型連接，設(shè)置額定功率PN=7.5"kW、額定電壓UN=380"V、額定電流IN=15"A、額定頻率f=50Hz、額定轉(zhuǎn)速nN=1500"r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN=14"N·m、定子繞組自感Ls=165"mH，轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=165.2"mH，定轉(zhuǎn)子之間互感Lm=140.8"mH，定子電阻Rs=0.88"Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.50"Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.015"kg·m2，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)np=2。設(shè)定直流母線電壓Ud=560"V、電容C=50μF，開關(guān)周期設(shè)定Ts=50μs，仿真器設(shè)定仿真時(shí)間為10"s。

按照電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制要求，從A/D轉(zhuǎn)換控制模塊輸入模擬的正弦電流，將定子檢測(cè)到的三相正弦電流iA、iB、iC，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系變換模塊的等效轉(zhuǎn)換，變換為兩相旋轉(zhuǎn)的繞組電流id、iq、iM。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ωr和電流id、iq、iM輸入到磁鏈觀測(cè)器后，可觀測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和位置，磁鏈經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩計(jì)算后形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，可用下式（13）（13）表示：。

4.2""試驗(yàn)結(jié)果分析

將式（13）（13）結(jié)合式（11）（11），計(jì)算電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)，在經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制后，得到的A相、B相定子電流仿真波形，以及三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形，具體如下圖31、圖42所示：。

從以上圖31的仿真波形圖可得出：當(dāng)電機(jī)剛剛啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)矩比較小，只有5"N·m左右，定子電流呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，大約在60"A的正負(fù)方向范圍變化；當(dāng)時(shí)間到第1"s時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩突然增大為額定轉(zhuǎn)矩15"N·m，此時(shí)電流會(huì)突然先增大、再經(jīng)過(guò)少許振蕩后，維持在額定電流15"A左右，可見(jiàn)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，定子電流會(huì)隨著增大。從圖42三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真波形可得出，電機(jī)在剛開始啟動(dòng)的0.1"s時(shí)間內(nèi)，有一定的超調(diào)量；當(dāng)時(shí)間到第0.25"s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由5"N·m增加到額定轉(zhuǎn)矩15"N·m，轉(zhuǎn)子速度會(huì)突然下降10%，經(jīng)過(guò)較短恢復(fù)時(shí)間后維持在1"000"r/min平穩(wěn)運(yùn)行，可見(jiàn)本系統(tǒng)有著良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

5""結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化電氣交流控制系統(tǒng)的變頻調(diào)速，使用傳統(tǒng)模擬電路進(jìn)行控制的策略較為復(fù)雜，且系統(tǒng)電路控制實(shí)現(xiàn)可靠性、穩(wěn)定性不高。因此，通過(guò)借助于矢量控制技術(shù)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)、SVPWM算法，建構(gòu)起矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，使用三相電壓型逆變器，對(duì)單相空間矢量的開關(guān)管做作出導(dǎo)通、斷開控制，運(yùn)用逆變器模型、電壓測(cè)量模塊、電流控制器模塊、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制器模塊、濾波器模塊的數(shù)字化控制技術(shù)，對(duì)電氣電機(jī)的自動(dòng)化變頻調(diào)速控制，并驗(yàn)證SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量控制的策略設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，可保證交流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]"郭艷兵，許海濤.高性能交-直-交同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].""電氣應(yīng)用，."2021（12）：：26-33.

[2]"王翠玉.變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)用[J].""中阿科技論壇（中英文），."2021（10）：：121-123.

[3]"王寶利.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)用探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（27）：3-4.[3]"何亞福，郝祥山，蘇彪.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)用分析[J].""鍛壓裝備與制造技術(shù)."2021（04）：75-77.

[4]"高倩，楊曉峰，孟凡文.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用探究[J].""電子制作，."2021（06）：：93-94.

[5]"蒯申紅.變頻調(diào)速技術(shù)及其在工業(yè)電氣自動(dòng)化控制中的運(yùn)用[J].""科技風(fēng)，."2020（09）：：36.

[6]"李祥志.試談變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（15）：86-87.

[76]"聶萬(wàn)芬.變頻調(diào)速技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用分析[J].""內(nèi)燃機(jī)與配件，."2020（24）：：224-225.