基于矢量控制的軋鋼機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真

李中望

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學院電氣工程學院 安徽蕪湖 241006）

隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等學科的迅速發(fā)展，在工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域，交流調(diào)速已有逐步取代直流調(diào)速的趨勢。特別在像以軋鋼機為代表的大容量生產(chǎn)機械中，應(yīng)用尤其廣泛。交流調(diào)速目前已具有與直流傳動相似的調(diào)速動靜態(tài)性能，此外，還具有效率高、體積小、重量輕、使用時間長、環(huán)境適用性廣等優(yōu)點。交流調(diào)速的方案包括變極對數(shù)調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速，在以上調(diào)速方案中，變極對數(shù)調(diào)速屬于有級調(diào)速，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速主要有調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、轉(zhuǎn)子串附加電動式調(diào)速和電磁離合器調(diào)速幾種形式，該種調(diào)速方法并不調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，低速時效率比較低。而變頻調(diào)速與前兩種交流調(diào)速方式完全不同，該種方法屬于無級調(diào)速，對同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)節(jié)，從低速到高速都能維持有限的轉(zhuǎn)差率，調(diào)速范圍相對較大，效率較高，調(diào)速精度高。目前，變頻控制憑借著它無可比擬的優(yōu)勢成為應(yīng)用最多的控制方式。在調(diào)速過程中，往往將含有矢量變換的交流電動機控制稱為矢量控制，它是目前交流調(diào)速中最先進的控制方式。本文主要討論了基于矢量控制的軋鋼機變頻調(diào)速系統(tǒng)。

一、設(shè)計方案

電動機對轉(zhuǎn)矩控制能力的強弱直接影響系統(tǒng)動態(tài)性能指標，對于直流電動機而言，通過對電流的控制就可以完成對轉(zhuǎn)矩控制，這是因為其轉(zhuǎn)矩和電流成正比關(guān)系較易實現(xiàn)，但交流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩受到氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流、功率因數(shù)等多個因素的影響，而之中的關(guān)鍵參變量轉(zhuǎn)差率不容易進行直接測量，控制起來會復(fù)雜許多。本軋鋼機變頻調(diào)速系統(tǒng)主要依靠電動機轉(zhuǎn)差頻率來進行控制，即認為電動機定子角頻率由轉(zhuǎn)子角頻率和轉(zhuǎn)差角頻率共同構(gòu)成，從而保證在電動機速度變化過程中，電動機的定子電流能夠伴隨著轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速實現(xiàn)同步變化。采用轉(zhuǎn)差頻率控制的終極目的是將交流電機相對繁瑣的轉(zhuǎn)矩模型轉(zhuǎn)化成與直流電機相似的簡單模型，這種方法從理論上將電動機的定子電流分解成兩部分勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別進行控制，勵磁分量建立磁場，轉(zhuǎn)矩分量形成轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)主電路采用目前工業(yè)現(xiàn)場通用的SPWM電壓型逆變器，該種裝置采用電容器作為濾波環(huán)節(jié)，開關(guān)器件采用目前應(yīng)用很廣泛的全控型器件IGBT，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖中，ω*為給定角頻率，i*ml為電機定子電流勵磁分量，i*tl為電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，u*ml為電機定子電壓勵磁分量，u*tl為電機定子電壓轉(zhuǎn)矩分量，ω1*為電機定子角頻率， ωs*為電機轉(zhuǎn)差角頻率，-ω 和+ω 分別為轉(zhuǎn)子角頻率負反饋和正反饋；θ*為定子電壓矢量轉(zhuǎn)角。ωs*+ω=ω1*，在調(diào)速的過程中，定子電流頻率總是跟隨轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速增大和減小，調(diào)速平滑性好。

根據(jù)矢量變換理論，可以得到交流異步電動機的矢量控制方程式：

在式中，Te為電動機電磁轉(zhuǎn)矩，np為電機極對數(shù)，Lm為兩相坐標系同軸繞組間互感，Lr為兩相坐標系定、轉(zhuǎn)子繞組自感，ist為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，ism為定子電流的勵磁分量，ωs為轉(zhuǎn)差角頻率，φr為電動機轉(zhuǎn)子磁鏈，Tr為電機轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，P為微分算子。從以上公式可以歸納出，在轉(zhuǎn)子磁鏈φr恒定的前提下，電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist將直接控制電動機的轉(zhuǎn)矩Te，并且轉(zhuǎn)子磁鏈φr和轉(zhuǎn)差角頻率ωs可以分別通過ist和ism進行計算。

二、系統(tǒng)仿真與分析

以上變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。本模型的控制環(huán)節(jié)由給定模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、坐標變換模塊、函數(shù)運算模塊、PWM脈沖發(fā)生器模塊等構(gòu)成。給定模塊主要包含了定子電流的勵磁分量以及給定轉(zhuǎn)速，PI調(diào)節(jié)器模塊主要是建立了有限幅功能的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，坐標變換模塊完成的是二相旋轉(zhuǎn)坐標系與三相靜止坐標系之間的變換，函數(shù)運算模塊主要完成了轉(zhuǎn)差角頻率ωs的合成計算，并且與轉(zhuǎn)子頻率ω 進行代數(shù)和運算得到定子角頻率ω1，并且通過積分輸出電機電壓矢量轉(zhuǎn)角θ。PWM發(fā)生器模塊的三相調(diào)制信號由dq0_to_abc模塊輸出，G3環(huán)節(jié)的加入是為了有效保障調(diào)制信號幅度符合要求。系統(tǒng)仿真了電機在給定轉(zhuǎn)速1400r/min時的空載起動的過程，起動之后經(jīng)過0.5s的時間加上負載TL=70N·m。

圖2 系統(tǒng)仿真模型圖

本系統(tǒng)仿真采用的為ode5的固定步長算法。仿真波形如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真波形圖

其中，圖3-1為軋鋼機變頻調(diào)速系統(tǒng)中電動機起動和增加負載時的轉(zhuǎn)動速度仿真波形，起動初始階段，電機速度呈現(xiàn)快速的線性增長，經(jīng)過一段時間的加速過程，轉(zhuǎn)速達到期望速度，在加上一定的負載后，電動機的轉(zhuǎn)速稍有波動，但由于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速負反饋的調(diào)節(jié)作用，速度會很快被調(diào)整至穩(wěn)定。圖3-2為系統(tǒng)運行過程中電動機定子角頻率的仿真波形，可以觀察到，其變化過程與電動機的轉(zhuǎn)速變化過程近似一致。圖3-3為系統(tǒng)運行過程中轉(zhuǎn)矩的仿真波形，由波形可見，電機起動后，轉(zhuǎn)矩也有明顯的增長過程，在很短的時間內(nèi)穩(wěn)定在80N.m左右，加上負載后，經(jīng)過短時間的調(diào)整也會很快地趨于恒定。圖3-4和圖3-5分別描述了系統(tǒng)運行過程中電動機的三相電流和三相電壓仿真波形，可以觀察到，在起動初始階段，電流維持在給定最大電流值上基本不變，電壓逐漸在提高，在電機轉(zhuǎn)速經(jīng)調(diào)整達到穩(wěn)定時，電流和電壓都有所下降，而在電動機加上負載后，電流和電壓又有明顯的上升。圖3-6為工作過程中電動機的旋轉(zhuǎn)磁場仿真波形，可以看到，在起動初始階段，開始逐步建立旋轉(zhuǎn)磁場，磁場的變化呈現(xiàn)出不規(guī)則性，這也直接導致了電動機的轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)一個較大的脈動（如圖3-3），經(jīng)過0.3s左右，該磁場開始呈現(xiàn)出圓形形狀，電動機的轉(zhuǎn)矩也隨之趨于穩(wěn)定。在軋鋼機工作過程中，如果想改變電動機的輸出轉(zhuǎn)矩最大值，可以嘗試通過改變速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來實現(xiàn)。

三、結(jié)語

通過對軋鋼機工作過程中的特點進行分析，借鑒目前最先進的交流電機的控制方法，有針對性地進行了一種軋鋼機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真模型建立，成功地獲得了系統(tǒng)各項變量的仿真波形，在仿真過程中，進行了大量的參數(shù)優(yōu)化，例如系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)與積分常數(shù)、坐標變換模塊的比例系數(shù)等。綜合最終的仿真結(jié)果，驗證了該種調(diào)速系統(tǒng)具備了良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，同時相關(guān)的分析工作也為今后同領(lǐng)域系統(tǒng)的研究與設(shè)計提供了一種新的思路。

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