三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

1、    三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速設(shè)計(jì)    孫英奇李雷遠(yuǎn)劉剛?cè)螄?guó)芳張長(zhǎng)江馮舒摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，具有高控性、大轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定等特點(diǎn)的三相感應(yīng)電機(jī)被不斷地應(yīng)用與改進(jìn)，但依舊存在著一些不足，比如核心速度調(diào)控不方便。這是由于傳統(tǒng)形式的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象的影響過(guò)大，影響了三相感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)定。通過(guò)控制矢量數(shù)據(jù)，建立了不同位置的三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，不僅可以減緩轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況，還能將直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型搭建在matlab和simulink中，更加深入地了解了dtc的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)和提升。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速;感應(yīng)電

2、機(jī);直接轉(zhuǎn)矩;矢量控制中圖分類(lèi)號(hào)：tm343.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：adoi： 10.15913/ki.kjycx.2019.11.0241 引言隨著世界范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)科技和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣化工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電子化控制的需求也越來(lái)越大，而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的交流調(diào)速技術(shù)也被不斷地改造和創(chuàng)新1。也因?yàn)樽冾l技術(shù)的快速發(fā)展，提高了交流調(diào)速技術(shù)的速度閾限和控制準(zhǔn)確程度、運(yùn)行動(dòng)力、輸出性能、功率大小、操作效率和便捷程度等。在三相交流電機(jī)繞組空隙圓上出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度又稱(chēng)為同步步速，一般記為n1，但是又因?yàn)橥剿俣韧哂趯?shí)際的電機(jī)速度，所以一般將之稱(chēng)為三相異步電機(jī)。當(dāng)前的控制理論中最常用的設(shè)備是直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）

3、2，它可以在不使用交流和直流電機(jī)的情況下簡(jiǎn)化自身的數(shù)學(xué)架構(gòu)，一般利用選擇智能開(kāi)關(guān)、提升電壓矢量的選擇模式和改善低速性能這幾種方法增強(qiáng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能。2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理2.1 空間電壓矢量三相電磁量表示的是三相電動(dòng)機(jī)中的電壓、磁鏈、電流以及磁動(dòng)勢(shì)四個(gè)因素，如果這些因素能夠在一個(gè)向量中表現(xiàn)出來(lái)，則三維的物理因素將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌啥S，更加便于對(duì)三相電磁量中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集與計(jì)算。而在以下的計(jì)算中，采用了park矢量變換的方式，可以將三個(gè)變量值轉(zhuǎn)換為一個(gè)矢量值，這一規(guī)律同樣也可以用來(lái)處理時(shí)間函數(shù)。以下公式是在park矢量變換的作用下所得出來(lái)的各數(shù)值之間的關(guān)系，其中，u（t）是進(jìn)行合成作用的矢

4、量2，它代表在坐標(biāo)系中三相電磁量的具體分布位置，所以稱(chēng)它為空間矢量。ua （t），ub （t），uc（t）分別為在三相坐標(biāo)系下三相電磁鏈在某一時(shí)刻的振幅函數(shù)，即：三相異步電動(dòng)機(jī)的空間磁勢(shì)矢量和磁通矢量都是一個(gè)實(shí)數(shù)，是切實(shí)存在的，電流矢量和電壓矢量雖然沒(méi)有這一層概念，但卻與磁勢(shì)和磁鏈密切相關(guān)。而在逆變器上下臂運(yùn)行開(kāi)關(guān)器件時(shí)，兩者中的另一個(gè)一定要是斷示開(kāi)的，而且還要保證這一時(shí)刻開(kāi)關(guān)倒易。電壓型逆變器框架如圖1所示。根據(jù)圖1得出，在逆變器上下臂運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)連接，所以開(kāi)關(guān)器件的隨意組合一共有8種可能，分別將開(kāi)關(guān)狀態(tài)表示為sa，sb，se。在sa中，當(dāng)橋臂開(kāi)時(shí)記作sa=1，閉合時(shí)記作sa=0，更加

5、完善具體的數(shù)據(jù)如表1所示。定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的浮動(dòng)數(shù)值以及兩者之間相應(yīng)的夾角都對(duì)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的取值有重要影響。比如兩者之間的角度從o開(kāi)始變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)對(duì)應(yīng)達(dá)到最大值。所以在一般的操作過(guò)程中，定子磁鏈幅值是受電機(jī)磁芯、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值影響的，并且通常都是一個(gè)額定值。同時(shí)如果對(duì)反向有效空間電壓矢量增加作用，那么定子與轉(zhuǎn)子之間的角度噲?jiān)诙ㄗ哟磐ㄐD(zhuǎn)方向相反運(yùn)行時(shí)伴隨減小，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的速度也會(huì)相應(yīng)降低，為：2.3 svpwm變頻調(diào)速原理svpwm的原理是在開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)，將第一個(gè)環(huán)節(jié)所得的電壓空間矢量數(shù)值均勻分配，分配后的平均值與規(guī)定的電壓值在這時(shí)是相同的。所以在鄰近的（0，1）矢量中，不同時(shí)間的

6、電壓矢量通過(guò)改變逆變器開(kāi)關(guān)的運(yùn)行情況所得到的運(yùn)行軌跡近似于理想磁通量圓4。根據(jù)伏秒平衡原理5，假設(shè)uref在一定的時(shí)間段內(nèi)在第二扇區(qū)之內(nèi)，則：通過(guò)以上數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)simulink功能包含內(nèi)容很多，不但可以構(gòu)建相鄰電壓矢量中的計(jì)算模塊，同樣也可以建立扇區(qū)判斷模塊以及生成svpwm波形模塊等。2.4 磁鏈模型的建立在通過(guò)u-i模型、i-n模型和u-i-n模型觀測(cè)磁通的基礎(chǔ)上，相比較可以得出，u-i模型在其中占主要地位，根本原因還是因?yàn)閡-i模型在計(jì)算定子磁鏈時(shí)先對(duì)異步電機(jī)的定子電子和定子電流進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)得出的上述數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，雖然算數(shù)結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是它的算法不簡(jiǎn)單并且很難操作5。而i-n

7、模型通常用來(lái)作為輔助模型和低速模型使用。2.5 轉(zhuǎn)矩模型的建立simulink搭建的轉(zhuǎn)矩模型及其封裝原理如圖4所示。從圖4中我們可以看出，i和ia這兩個(gè)數(shù)值是在相對(duì)靜止坐標(biāo)系中通過(guò)等效轉(zhuǎn)化得出的，同時(shí)a和值也能在三相定子坐標(biāo)定子通過(guò)電流ia，ib，ic計(jì)算得出，然后根據(jù)上述公式相互結(jié)合得到轉(zhuǎn)矩te。2.6 磁鏈滯環(huán)控制模塊為了控制磁鏈，磁滯比較用于通過(guò)給定鏈條的值與電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出定子通量的大小之間的差來(lái)確定輸出變量。滯后鏈路控制模塊如圖5所示，滯后鏈路控制模塊類(lèi)似于滯后控制模塊。在此基礎(chǔ)上，對(duì)公式中利用字母表示的參數(shù)整理之后使其符合控制系統(tǒng)的當(dāng)前狀況，通過(guò)控制速度調(diào)節(jié)器閉環(huán)的轉(zhuǎn)速獲得適宜的轉(zhuǎn)

8、矩值6。圖6-圖9分別展示了四種svpwm模塊的子系統(tǒng)組成部分，依次為相鄰電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算模塊、igbt逆變模塊和開(kāi)關(guān)選擇模塊、扇區(qū)判斷模塊以及矢量點(diǎn)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)模塊。3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在svpwm的永磁同步電動(dòng)機(jī)仿真模塊上的參數(shù)如表2所示。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型如圖10所示，設(shè)定直流側(cè)電壓udc= 310v.pwm載波頻率為5 khz。系統(tǒng)在t=o s時(shí)，以負(fù)載5 n.m啟動(dòng)，到0.05 s時(shí)負(fù)載突變?yōu)閕o n.m。3.3 仿真結(jié)果及分析矢量控制原理通過(guò)svpwm控制技術(shù)抑制了傳統(tǒng)的dtc系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的出現(xiàn)，克服了存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。在通過(guò)實(shí)際仿真和構(gòu)建

9、模型的基礎(chǔ)上，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)計(jì)算出了磁鏈的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和矢量存在的細(xì)小差別量。定子磁鏈?zhǔn)噶咳鐖D11所示，調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖12所示，轉(zhuǎn)矩波形的原理示意結(jié)構(gòu)如圖13所示，三相定子電流波形如圖14所示，轉(zhuǎn)子角速度響應(yīng)波形如圖15所示。從圖14中能看出，在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，三相定子電流波形雖然會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，但是它的正弦波依舊能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速穩(wěn)定下來(lái)，所以在面對(duì)igbt開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的大頻率運(yùn)動(dòng)時(shí)，即使電流波形表面會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的起伏波動(dòng)，也能在負(fù)載增加到0.05 s時(shí)穩(wěn)定下來(lái)。4 總結(jié)本次通對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的研究，筆者感受到隨著當(dāng)今工業(yè)發(fā)展速度的加快，國(guó)家的工業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)它的需求強(qiáng)烈，因?yàn)樗旧砭哂械膹?qiáng)大優(yōu)勢(shì)

10、，如今也在社會(huì)中廣泛應(yīng)用。而本次研究與討論的就是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程和應(yīng)用效果，基于對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的深入了解與分析，在不同坐標(biāo)系下建構(gòu)了數(shù)學(xué)模型，以此為輔助更加便于對(duì)感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行動(dòng)因、定子電壓方程和定子磁鏈方程的研究與探索，所得的結(jié)論也能為深入研究感應(yīng)電機(jī)提供理論基礎(chǔ)。直接轉(zhuǎn)矩控制6是通過(guò)控制空間電壓矢量實(shí)現(xiàn)的，但是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不能進(jìn)一步深入了解和研究轉(zhuǎn)矩和磁鏈，根本原因在于滯環(huán)調(diào)節(jié)的出現(xiàn)造成了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)行下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在非線(xiàn)性磁滯調(diào)控下運(yùn)轉(zhuǎn)快且穩(wěn)定，而本文中提到的采用svpwm控制技術(shù)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)與檢測(cè)，將傳統(tǒng)的滯環(huán)比較器替換為pi調(diào)節(jié)器7。參考文獻(xiàn)：

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