高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的仿真

王英，朱麗媛

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.高壓變頻器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中單元串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是應(yīng)用最普遍且最有發(fā)展前景的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).單元串聯(lián)型高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用使得變頻器有完美無諧波的電壓輸出;其高質(zhì)量的波形輸出使電機(jī)不需要降額使用;其多重化技術(shù)可使電網(wǎng)功率因數(shù)保持在0.95以上，不需要任何的功率補(bǔ)償裝置，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它類型的變頻調(diào)速系統(tǒng)［1］.

單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)采用矢量控制策略進(jìn)行控制，可以提供更好的調(diào)速性能，本文根據(jù)載波移相SPWM控制和矢量控制的基本原理，對(duì)基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，利用MATLAB建立了高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)此進(jìn)行了仿真分析.仿真結(jié)果表明，基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)的交流調(diào)速系統(tǒng)的要求.

1 單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓變頻矢量控制系統(tǒng)主要由移相變壓器、功率單元和矢量控制器組成，圖1為6單元串聯(lián)高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)圖.其中輸入側(cè)采用多重化技術(shù)，可有效消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染;輸出側(cè)功率單元采用載波移相SPWM技術(shù)，能夠提高輸出電壓的等效開關(guān)頻率.功率單元串聯(lián)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，當(dāng)其中一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)時(shí)造成的損失［2］.

圖1 高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的矢量控制

本系統(tǒng)采用的是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制策略..轉(zhuǎn)差頻率矢量控制不需要進(jìn)行復(fù)雜的磁通檢測和繁瑣的坐標(biāo)變換，只要在保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變的前提下，通過檢測定子電流和轉(zhuǎn)子角速度，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算就能實(shí)現(xiàn)間接的磁場定向控制，其控制的基本方程式如下［3］:

式中，ism為定子電流的勵(lì)磁分量;ist為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量;Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);p為微分算子.若保持磁通不變，則Trp=0，由上述矢量控制方程(1)～(3)計(jì)算可以得到:

圖2為基于轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理框圖，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速ω與給定轉(zhuǎn)速ω*比較，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到定子轉(zhuǎn)矩電流.由于單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)采用電壓型變頻器，故需要相應(yīng)的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，其變換關(guān)系為:

圖2 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)原理框圖

2 單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 矢量控制系統(tǒng)建模

根據(jù)前述單元串聯(lián)型高壓變頻器的矢量控制原理，建立基于Simulink的高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示.

圖3 高壓變頻矢量控制系統(tǒng)仿真模型

功率單元模塊采用單元串聯(lián)型的結(jié)構(gòu)，獨(dú)立直流電源供電，相子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示.每個(gè)功率單元的SPWM信號(hào)由載波移相SPWM方法生成.

圖4 相子模塊內(nèi)部示意圖

矢量控制模塊采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算和坐標(biāo)變換組成，利用異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方程式:式(1)～(3)搭建出Simulink仿真模型如圖5所示.其中ASR采用的是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器如圖6所示.

圖5 矢量控制子模塊

圖6 PI調(diào)節(jié)器

載波移相SPWM控制模塊的功能是是將矢量控制中經(jīng)2r/3s變換所得到的三相正弦電壓參考信號(hào)作為調(diào)制波，分別與N對(duì)相位差為π/N的三角載波相比較，從而得到SPWM脈沖信號(hào)，得到的N路SPWM脈沖分別控制單相N個(gè)功率單元，把得到的輸出電壓進(jìn)行串聯(lián)疊加，從而產(chǎn)生2N+1個(gè)電平的輸出相電壓.圖7為單個(gè)功率單元SPWM脈沖發(fā)生模型.

圖7 兩三角波與調(diào)制波比較SPWM脈沖發(fā)生模型

2.2 仿真分析

利用MATLAB對(duì)如圖3所示的單元串聯(lián)型變頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真.變頻器采用6單元串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示.電機(jī)采用380 V普通電機(jī)，功率單元直流電源采用36 V.電機(jī)參數(shù)設(shè)為:線電壓 U=380 V，頻率 f=50 Hz，極對(duì)數(shù) np=2，定子電阻 RS=0.435 Ω，定子電感 Ls=0.002 H，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.816 Ω，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.002 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.19 kg·m2，定轉(zhuǎn)子互感 Lm=0.069 H.仿真給定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)的空載起動(dòng)過程，在啟動(dòng)0.5 s后加TL=60 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩.設(shè)置仿真時(shí)間為0.8 s.圖8為變頻器調(diào)制波波形及輸出電壓波形，其中圖8(a)為變頻器A相載波移相SPWM調(diào)制波，圖8(b)為變頻器A相輸出電壓，圖8(c)為0.64～0.68 s變頻器A相輸出電壓放大圖.圖9為電機(jī)的輸出特性，其中圖9(a)為異步電機(jī)定子A相電流波形，圖9(b)為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，圖9(c)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形.

圖8 變頻器調(diào)制波及輸出電壓波形

圖9 電機(jī)輸出特性波形

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，三相異步電動(dòng)機(jī)在矢量控制、載波移相SPWM以及六個(gè)功率單元串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的條件下，電機(jī)繞組相電壓波形如圖8(c)所示為13電平，符合電平數(shù)與級(jí)聯(lián)單元數(shù)之間表達(dá)式的2N+1關(guān)系，其波形更加接近正弦波;隨時(shí)間變化，轉(zhuǎn)速逐漸上升，在0.42 s時(shí)，轉(zhuǎn)速稍微有超調(diào)后穩(wěn)定在1 400 r/min;啟動(dòng)電流為50 A左右，之后電流下降為空載電流.在異步電機(jī)加載后電流迅速上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也隨之增加，轉(zhuǎn)速在略微調(diào)整后恢復(fù)不變.

由仿真結(jié)果可以得到，異步電機(jī)在單元串聯(lián)型變頻矢量控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，不但其電壓、電流波形諧波含量少，而且其調(diào)速特性有很大的提高.

3 結(jié)論

單元串聯(lián)型高壓變頻器是目前應(yīng)用最為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是在高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域占絕對(duì)優(yōu)勢的一種技術(shù);而單元串聯(lián)型高壓變頻矢量控制系統(tǒng)，能夠很好的提高電網(wǎng)質(zhì)量，減少輸出諧波并有效防止電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).因此，本文對(duì)基于矢量控制的單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，并對(duì)其進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果表明此高壓變頻矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高壓電機(jī)調(diào)速控制的要求.

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