转差频率矢量控制的电机调速系统设计与研究

转差频率矢量控制的电机调速系统设计与研究

朱军;郝润科;黄少瑞;高渊炯;朱政

【摘要】鉴于直接转子磁场定向矢量控制系统较为复杂、磁链反馈信号不易获取等缺点,而转差频率矢量控制方法是按转子磁链定向的间接矢量控制系统,不需要进行磁通检测和坐标变换,并具有控制简单、控制精度高、具有良好的动、静态性能等特点.在分析其控制原理的基础上,应用Matlab/Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型,并通过各模块间的参数配合调节与优化,对其进行了仿真分析.仿真结果验证了,采用转差频率矢量控制的调速系统具有良好的控制性能.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2010(033)020

【总页数】4页(P171-173,177)

【关键词】转差频率;矢量控制;Matlab/Simulink;调速系统

【作者】朱军;郝润科;黄少瑞;高渊炯;朱政

【作者单位】上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,上海,200093

【正文语种】中文

【中图分类】TN919-34

0 引言

常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制(即V/F比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。其中，矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U/f恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对输出频率f进行控制的[1]。采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动，从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能，同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。

Simulink仿真系统是Matlab最重要的组件之一，系统提供了标准的模型库，能够帮助用户在此基础上创建新的模型库，描述、模拟、评价和细化系统，从而达到系统分析的目的。在此利用Matlab/Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型，并对此仿真模型进行了实验分析。

1 转差频率矢量控制系统

1.1 数学模型[2]

转差频率矢量控制是按转子磁链定向的间接矢量控制系统，不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换,只要在保证转子磁链大小不变的前提下,通过检测定子电流和旋转磁场角速度，通过两相同步旋转坐标系(M-T坐标系)上的数学模型运算就可以实现间接的磁场定向控制。其控制的基本方程式如下：

电压方程：

式中：usm，ust，urm，urt为定、转子在M-T轴上的电压分量； Ls为定子自感；Lr为转子自感；Lm为定、转子互感；ω1为定子角频率、ωs为转差角频率；P为微分算子；Rs，Rr为定、转子电阻。

磁链方程为：

(2)

式中：ψs m，ψrm为定、转子磁链励磁分量；ψst，ψrt为定、转子磁链转矩分量；

M-T坐标上的电磁转矩方程：

Te=npLm(istirm-ismirt)

(3)

式中：np为转子极对数; Te为电磁转矩。

当按转子磁链定向时，应有ψrm=ψr，ψrt=0，代入以上3个方程中，即得：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：M为定、转子互感系数；ψr为转子总磁链；Tr为转子电磁时间常数，

Tr=Lr/Rr。异步电动机转矩为：

(8)

当电机稳态运行时，S很小，因此很小，转矩的近似表达式为：

(9)

式中：为电机结构常数；R2为转子电阻,为折算到定子边的转子电阻；φm为气隙磁通。

由式(9)可见，只要能保证φm不变，控制ωs即可控制Te，从而间接地控制电机的转速。

1.2 转差频率矢量控制系统结构[3-4]

基于转差频率控制的异步电动机矢量控制调速系统原理如图1所示。主电路采用SPWM电压型逆变器，转速采取转差频率控制，即异步电动机定子角频率ω1由

转子角频率ω和转差角频率ωs组成(ω1=ω+ωs)。

图1中：ω、-ω分别为转子角频率给定和转子角频率负反馈；i1m、i1t分别为定子电流的转矩分量和励磁分量；ω1、+ω分别为定子角频率和转子角频率正反馈；u1m、u1t分别为定子电压的转矩分量和励磁分量；

根据基本方程，以及图1可以看出，在保持转子磁链ψr不变的情况下，电动机转矩直接受定子电流的转矩分量ist控制，并且转差角频率ωs可以通过定子电流的

转矩分量ist计算，转子磁链ψr也可以通过定子电流的励磁分量ism来计算。在

系统中，转速通过转速调节器ASR调节，输出定子电流的转矩分量ist，然后计算得到转差ωs。如果采用磁通不变的控制，则Pψr=0，由式(7)可得ψrm=Lmirm，代入式(6)，得ωs=ist/(Trism)。

图1 转差频率矢量控制系统原理图

由于矢量控制方程得到的是定子电流的励磁分量和转矩分量，而本系统采用电压型

逆变器，需要将电流的控制方式转换为电压控制。由于ψrm=Lmirm，ψrt=0，

而变频调速时电动机转子短路即urm=urt=0，将其代入式(1)，并展开可得定子电压的励磁分量usm和转矩分量ust，其变换关系为：

usm=Rsism-ω1σLsist

(10)

ust=ω1Lsism+(Rs+σLsP)ist

(11)

式中：σ为漏磁系数

2 转差频率矢量控制调速系统仿真与研究

2.1 仿真模型的建立[5-10]

根据转差频率矢量控制系统的原理框图,采用Matlab/Simulink软件构建转差频率矢量控制调速系统模型如图2所示。图中控制部分由给定、PI转速调节器、函数

运算、两相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节组成。

2.2 仿真与结果分析

2.2.1 模型参数

模型参数主要有电机模型参数、控制系统放大器参数、给定值模块参数、限幅模块参数等，其中电机参数设定为：额定电压UN=380 V；频率fN=50 Hz；极对数

P=2；定子电阻Rs=0.435 Ω；额定功率PN=25 kW；转子电阻Rr=0.435 Ω;定、转子互感Lm=0.069 H；转动惯量J=0.19 kg·m2；转矩给定值= 80 N·m；逆变

器直流电压510 V；定子绕组自感Ls=0.071 H；转子绕组自感Lr=0.071 H；漏

磁系数转子时间常数Tr=Lr/Rr=0.087。其它参数: 励磁电流给定值 A；额定转速

n*=1 400 r/min。仿真时间设定为0.6 s。

图2 转差频率控制的矢量控制调速系统仿真模型框图

将参数代入式(6)，式(10)，式(11)中可得Usm,Ust和ωs函数表达式为: