有限功率下的異步電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)研究

劉朝濤 張毅

【摘要】 當(dāng)電源供電功率小于額定功率且不穩(wěn)定無法驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為了解決這個(gè)問題，本文建立了功率追蹤模型。對(duì)電源的輸入功率進(jìn)行采樣，再利用模型計(jì)算出需要的控制參數(shù)，結(jié)合矢量控制方法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行功率控制，形成動(dòng)態(tài)控制達(dá)到功率追蹤的目的。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明該模型可以有效的追蹤輸入功率，電機(jī)能夠以較高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠達(dá)到了控制目的，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。

【關(guān)鍵詞】 異步電動(dòng)機(jī) 功率追蹤 矢量控制 Matlab/Simulink

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，各國已將使用清潔能源作為重要對(duì)策[1]。當(dāng)下被公認(rèn)的清潔能源主要有太陽能、風(fēng)能和潮汐能等等，利用這些能源發(fā)電不僅可以解決偏遠(yuǎn)地方的能源供應(yīng)難題也可以緩解環(huán)境的污染問題，但是這些能源發(fā)電受到季節(jié)，環(huán)境因素的影響較大，且發(fā)出的功率較小。

通用的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是通過接入電網(wǎng)而獲得功率，功率相對(duì)電機(jī)是無窮的。在本文中，利用清潔能源發(fā)電給異步電機(jī)供電，功率收到了限制；為了解決在功率受限條件下異步電機(jī)難以高速運(yùn)行的問題，建立了功率追蹤模型，再結(jié)合矢量控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以使得電機(jī)以較高速度旋轉(zhuǎn)并且使得電磁功率和輸入功率保持一致。

一、建立系統(tǒng)模型

1.1 異步電機(jī)的矢量控制

本文仿真所用的電機(jī)為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，由于異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、強(qiáng)耦合、非線性、多變量的系統(tǒng) [2～3]。為了使得異步電動(dòng)機(jī)能夠像直流電機(jī)那樣取得良好的調(diào)速性能，本文中采用矢量控制中的間接矢量控制即轉(zhuǎn)差頻率控制。

轉(zhuǎn)差頻率法不需要觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際位置，定向是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來實(shí)現(xiàn)的。在轉(zhuǎn)差頻率中按磁場(chǎng)定向的要求將定子電流矢量iS分解為勵(lì)磁分量i*M和轉(zhuǎn)矩分量i*T，有

綜上所訴，在經(jīng)過磁場(chǎng)定向后，三相交流異步電機(jī)控制模型需要控制定子電流的勵(lì)磁分量i*M和轉(zhuǎn)矩分量i*T，這些變量將是后面功率追蹤模型中將實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)模型的追蹤控制的關(guān)鍵。

1.2 功率追蹤模型

所以由式子1.9知道，可以通過以下三個(gè)方面來對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行：1.改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)p；2.改變電機(jī)的頻率f1；3.改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率s[6][8]。

這樣磁路的飽和程度、激磁電流和電動(dòng)機(jī)的的功率因素均可保持基本不變，這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)定子電壓和頻率同步提高就可以保持氣隙的磁通量φm基本不變，使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速上升的速率較快，提高響應(yīng)速率[4][5][7]。在基頻以上的調(diào)速時(shí)，考慮到電機(jī)的絕緣限制，不能使電壓繼續(xù)升高，故采用的是弱磁調(diào)節(jié)，需要降低氣隙的磁通量φm，定子電壓不再變化為最大值，頻率可以繼續(xù)提高，轉(zhuǎn)矩值會(huì)降低。

二、系統(tǒng)模型仿真及結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)模型仿真

在Simulink環(huán)境中搭建整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，整體系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示，主電路中的交流異步電動(dòng)機(jī)額定功率為12kW；額定電壓為380V；額定頻率為50Hz；同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。數(shù)據(jù)采集顯示主要采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電磁功率。

2.2 運(yùn)行仿真及仿真結(jié)果分析

在所有模塊連接檢查無誤后，運(yùn)行仿真，仿真時(shí)間為2s。仿真結(jié)束后，電源提供的功率如圖2a所示；電機(jī)的電磁功率如圖2b所示；電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖3所示。

由圖2可以看出，電磁功率能夠跟蹤輸入功率的變化，且誤差很小精度很高。從圖3看出無論電機(jī)的電磁功率是減小還是增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速都能增加，在2s末電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到3750r/min（電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min）。

三、結(jié)論

本文提出了在電源功率受限的情況下，設(shè)計(jì)了功率追蹤模型及改良了電機(jī)控制模型。利用Matlab/Simulink仿真工具，對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并且實(shí)現(xiàn)了重要仿真結(jié)果的輸出。

綜上所述，從系統(tǒng)的仿真模型結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果可以看出，功率追蹤模型能夠定時(shí)投入使用，使得電機(jī)的電磁功率能夠一直追蹤電源的輸入功率，能夠隨著輸入功率的變化而變化，且誤差很小，能夠滿足要求；由于功率追蹤模型的作用，使得在不太大的輸入功率情況下，電機(jī)能夠以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)起來，并且驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化，使得整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械性能得到了大大的提高。結(jié)果證明，本文建立的控制模型具有良好的實(shí)用性可以移植到其他的控制系統(tǒng)中。

參 考 文 獻(xiàn)

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