異步電動(dòng)機(jī)SVPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

江蘇省徐州技師學(xué)院 陳 斌

異步電動(dòng)機(jī)SVPWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

江蘇省徐州技師學(xué)院 陳 斌

【摘要】本文介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）原理，設(shè)計(jì)了基于SVPWM的變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，在Matlab/simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能，易于實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】異步電機(jī)；SVPWM；變頻調(diào)速；仿真

0 引言

近年來(lái)由于交流電動(dòng)機(jī)矢量變換控制技術(shù)以及單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用，使得交流調(diào)速的性能獲得極大的提高，在許多方面已經(jīng)可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是各類(lèi)通用變頻器的出現(xiàn)，使交流調(diào)速已逐漸成為電氣傳動(dòng)中的主流。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制是日前高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)普遍采用的方法，電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術(shù)是其核心技術(shù)，SVPWM控制技術(shù)是將逆變器與電動(dòng)機(jī)當(dāng)做一個(gè)整體看待，目的是交流電動(dòng)機(jī)獲取幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度小、直流電壓利用率高。

本文在詳細(xì)分析SVPWM原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于SVPWM控制技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，通過(guò)Matlab仿真結(jié)果顯示，該變頻調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)抗干擾性能強(qiáng)，并且其動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能良好。

1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）原理

逆變器的不同開(kāi)關(guān)模式對(duì)應(yīng)不同的基本電壓空間矢量，交替使用不同的電壓空間矢量就可以合成所需的圓形旋轉(zhuǎn)磁鏈。三相電壓型逆變器（如圖1）的開(kāi)關(guān)元件組合為空間的27個(gè)電壓矢量，如果對(duì)三相電壓進(jìn)行變換，根據(jù)空間矢量理論，輸出電壓矢量定義為：

可以得到如圖2所示空間開(kāi)關(guān)矢量圖［2］。根據(jù)矢量關(guān)系的線性組合，可取得更多電壓空間矢量，以此來(lái)獲取近似交流電動(dòng)機(jī)所需的圓形磁場(chǎng)。在實(shí)際調(diào)速控制系統(tǒng)中，為使電壓波形對(duì)稱(chēng)，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，將電壓矢量的作用時(shí)間都一分為二，在滿足最小開(kāi)關(guān)損耗原則的前提下，利用電壓空間矢量生成SVPWM波，獲得接近理想的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

圖1 三電平逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 六角形空間電壓相量圖

2 SVPWM變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制是日前高性能異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)普遍采用的方法，SVPWM控制技術(shù)是其核心技術(shù)，它是將逆變器與電動(dòng)機(jī)當(dāng)做一個(gè)整體看待，目的是交流電動(dòng)機(jī)獲取幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度小、直流電壓利用率高［3］。

圖3所示交流異步電機(jī)矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其采用的控制方法是空間電壓矢量調(diào)制。其總的控制思想是：與從測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得的電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，再通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器PI得到電流。電流與通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到的電流分量相比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到Vsqref。定子電流的勵(lì)磁分量給定值與相比較，再通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器PI得到Vsqref。Vsdref，Vsqref經(jīng)過(guò)Park逆變換得到Vsaref，Vsbref。將得到的Vsaref，Vsbref信號(hào)作為SVPWM的輸入信號(hào)，逆變器受SVPWM準(zhǔn)確控制，從而獲得優(yōu)良的調(diào)速控制性能。

圖3 交流異步電機(jī)矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（SVPWM）

3 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

圖4是在Matlab/simulink環(huán)境下建立的基于SVPWM的異步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。

圖4 基于SVPWM的變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)仿真模型

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)際性能，控制系統(tǒng)仿真模型對(duì)異步電機(jī)的幾種典型的工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真的基本參數(shù)設(shè)置如下：

三相異步電機(jī)的參數(shù)：額定功率：2.2KW；定子電壓：380V；頻率：50Hz；定子電阻：3.435Ω；定子電感：8.0mH；定子磁通：0.6Wb；轉(zhuǎn)子電阻：5.816Ω；轉(zhuǎn)子電感：5.0mH；定轉(zhuǎn)子互感：200.3mH；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.089kgm2。

直流側(cè)參數(shù)：C1=C2=4700μF，Ed1=Ed2=200V。

3.1 系統(tǒng)擾動(dòng)性能

圖5和圖6分別表示應(yīng)用SVPWM優(yōu)化算法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000rpm的情況下，突加、突減負(fù)載（負(fù)載轉(zhuǎn)矩0→200N?m）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖5 突加負(fù)載時(shí)定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線（1000rpm）

圖6 突減負(fù)載時(shí)定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線（1000rpm）

從仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)在電機(jī)高速運(yùn)行負(fù)載擾動(dòng)的情況下，定子電流在負(fù)載突變時(shí)有明顯的變化，隨后在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速的變化微弱；電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快；具有較高的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

3.2 系統(tǒng)調(diào)速性能

圖7所示被控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm→-300rpm變化，空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向發(fā)生改變時(shí)定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖7 轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm→-300rpm變向時(shí)定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線

如圖7所示的仿真波形表示，該調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器參數(shù)不變且空載狀態(tài)時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，定子相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。此時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)處于低速運(yùn)行，隨著摩擦力的減少和限幅作用的消失，超調(diào)減少，過(guò)渡加快，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩在t＝1.2s時(shí)由正變負(fù)經(jīng)過(guò)渡后達(dá)到穩(wěn)定。因此可以得出當(dāng)定子電流在速度變化一定時(shí)，其響應(yīng)速度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速得以改變。

4 結(jié)論

本文探討了基于SVPWM變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，給出了控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)用價(jià)值廣泛，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中有很好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

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［2］李明，馬小平，陳愛(ài)麗.一種改進(jìn)的三電壓矢量PWM過(guò)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用與研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，33∶179-182.

［3］譚國(guó)俊，張旭隆，曹言敬，李廣超.基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2003.

作者簡(jiǎn)介：

陳斌（1980—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，江蘇省徐州技師學(xué)院講師，研究方向：交直流調(diào)速控制系統(tǒng)。