转差频率控制交流异步电机矢量控制系统虚拟实验

转差频率控制交流异步电机矢量控制系统虚拟实验

张厚升;王艳萍;于兰兰;季画;谭博学

【摘要】在分析转速闭环转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统基本工作原理的基础上,利用Matlab/Simulink建立了转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统的动态仿真模型,给出了仿真参数,利用仿真结果详细分析了调速系统的起动过程、加载过程,验证了所建调速系统模型的实用性与可行性,该调速系统仿真模型对于研究和开发异步电机调速系统具有重要意义.

【期刊名称】《实验室研究与探索》

【年(卷),期】2016(035)010

【总页数】5页(P90-94)

【关键词】异步电机;矢量控制;调速系统;仿真模型;Simulink

【作者】张厚升;王艳萍;于兰兰;季画;谭博学

【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049

【正文语种】中文

【中图分类】TM921

随着现代电力电子技术的进步与发展，交流调速系统及其控制策略也随之得到日益广泛的关注与研究[1-5]，依照转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律构思形

成的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机调速系统同样也能获取良好的动、静态性能。对于交流异步电机来说，矢量控制是一种比较先进、比较优越的控制策略，其控制结构也并不十分复杂，矢量控制通常泛指含有矢量变换的交流异步电机控制系统[6]。

作者在多年“运动控制系统”课程的授课、实验与科研过程中发现：许多学生和研究人员对于直流双闭环控制系统都能够比较好的理解与掌握，而且也能进行有效的实验验证，但是对于异步电机的转差频率控制系统却感到比较迷茫，尤其是加入矢量控制之后。目前教材上对于该部分内容的讲解也是仅限于理论知识的介绍，而且对于电机的电磁转矩来说，影响转矩的因素比较多，通常和气隙磁通、功率因数、转子电流等都有关系[7-8]，这些电气参数都不是独立变量，他们都和转差率有函

数关系，同时也很难进行直接的测量与控制[9-15]，难以通过实验的手段进行学习与验证。

本文拟对现行教材内容进行拓展，分析转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制系统的组成与原理，借助Simulink建立系统仿真模型，通过仿真实验详细分析该矢量控制系统的起动过程与加载过程，旨在让学者透彻理解转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统的动态调节过程。

要解决交流异步电动机的转矩控制问题，可以通过对转差频率的控制来实现，这也就是转差频率控制的基本思想[4]。图1给出了转速闭环转差频率控制的交流异步

电动机矢量控制调速系统的原理框图。该调速系统的主电路为由直流电源供电的SPWM电压型逆变器，即通用变频器一般所采用的电路拓扑结构。异步电机的转

速控制选择转差频率控制方式[6]：ω1=ω+ωs，其中：ωs为转差角频率；ω为

转子的角频率；ω1为异步电机的定子角频率。依据该公式，在电机转速的调节过程中，交流异步电动机的定子电流频率ω1和转子的实际转速自始至终都能进行同步上升或者下降[6]，使得转速得以平滑调节。

异步电动机的矢量控制方程[9-10]可以描述为：

式中:np为极对数；ist为定子电流的转矩分量；ism为定子电流的励磁分量；Ψr 为电动机的转子磁链；Tr为转子电磁时间常数，Tr=Lm/Rr，Lm为两相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感，Rr为转子一相绕组的电阻值。

从式(1)～(3)看出，如果保持Ψr不变，Te会直接受到ist的控制[6]，而且转差角频率ωs也可由ist直接求出，Ψr可通过ism来求取[6,11-12]。在转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统中，转速调节器(ASR)采用PI(比例积分)控制模式，PI的输出信号是定子电流转矩分量的给定值[6]，由此可以得出转差频率的给定值。在控制调节过程中，保持磁通为恒定值不变，则pΨr=0，由式(3)可得:

依据式(2)可得:

仿真模型中，定子电流的励磁分量ism由励磁给定环节给出，在基速(额定转速)以下ism为一额定值。

依照式(1)～(3)可以得到ist和ism[6]，而本文所设计的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统采用了直流电源供电的电压型SPWM逆变器，因此需将控制策略中的电流控制相应的变换为电压控制模式，两者之间的变换关系可描述为:

式中:σ为漏磁系数,;ust、usm为定子电压的转矩分量和励磁分量。ust、usm通过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换(2r/3s)，就可以得到逆变器的三相电压调制信号即SPWM调制信号，进而就可以控制逆变器输出异步电机所需的工作电压。

2.1 仿真模型

利用Matlab/Simulink所构建的调速系统仿真模型见图2。该矢量控制调速系统由SPWM脉冲信号发生器模块[6]、2r/3s坐标变换模块、函数功能运算模块、PI

调节器(ASR)模块、定子电流励磁分量给定模块和转速给定n*模块等组成。其中ASR为带限幅作用的转速PI调节器，由放大器G1、G2和带限幅的积分器组成。电流到电压控制模型的转换由两个函数模块和依据式(6)来实现。函数功能运算模块按照式(5)来计算出ωs然后和ω求和，得到ω1，经积分可得转角θ，并计算其sin、cos值。仿真系统中sin、cos、dq0/abc可以完成两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换(2r/3s)，dq0/abc模块输出端输出的就是PWM发生器的三相脉宽调制信号，由于三相脉宽调制信号幅值小于1，所以在其输出端接入了一个衰减模块G4。在仿真期间，可先将此处断开，让矢量控制调速系统工作在开环状态，把PWM发生器调整为内部模式，然后进行仿真，依据dq0/abc的输出和三相脉宽调制信号幅值小于1的要求，求解出G4的衰减系数[8-9]。为了更直接观察系统的动态调节过程，在矢量控制调速系统仿真模型中用阶跃信号环节n*设定转速的给定值，这样可以观测调速系统在不同给定速度值时的动态运行情况。

2.2 仿真参数

对于如图2所示的转速闭环转差频率控制的交流异步电动机矢量控制调速系统的仿真模型，采用的电动机参数为：380 V，50 Hz，2对极，Rs=0.435 Ω，

L1s=0.002 mH，Rr=0.816 Ω，L1r=0.002 mH，Lm=0.069 mH，J=0.19 kg·m2，转子绕组的自感值Lr=Lm+L1r=0.069+0.002=0.071 mH，定子绕组的自感Ls=Lm+L1s=0.069+0.002=0.071 mH，逆变器直流电源510 V。放大器

G1的放大倍数为35，放大器G2的放大倍数为0.15，放大器G3的放大倍数为0.007 6，放大器G4的放大倍数为2(即极对数)，放大器G5的放大倍数为

30/pi(表单位换算)、放大器G6的放大倍数为pi/30。

仿真时，异步电机矢量控制调速系统空载起动，给定转速设为1 400 r/min，运行到0.4 s时利用阶跃信号突加负载TL=60 N·m，0.6 s时给定转速n*突降为1 000 r/min。由于该系统比较庞大与复杂，经多次仿真试验，选择算法ode45、步长取