深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張傲然　葉欣磊　陳梓明　刁胤峰

摘? 要：為提高作業(yè)效率和節(jié)約電能，該文設(shè)計(jì)并仿真了一款新型深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），通過檢測(cè)電機(jī)的定子電壓和電流，借助瞬間空間矢量理論來計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的控制。在相同處理器的條件下，DTC模式下的運(yùn)算處理更快，可以更加快速的響應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。Simulink仿真運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)可以達(dá)到調(diào)速的要求，提升了控制操作實(shí)時(shí)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：深井泵;定子磁鏈;直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）;Simulink

中圖分類號(hào)：TM921? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

深井泵是排出地下水的主要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工廠、礦業(yè)、地質(zhì)勘探和地?zé)崮荛_發(fā)等方面。我國(guó)深井泵的發(fā)展始于1946年。經(jīng)過全國(guó)科學(xué)家們對(duì)深水泵多年的研究，得到了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，近年來國(guó)內(nèi)對(duì)深井泵的研究幾乎停滯，廠家僅對(duì)其產(chǎn)品略作改動(dòng)，或從其他國(guó)家進(jìn)口高端產(chǎn)品。在國(guó)外，ITT和丹麥格蘭富等企業(yè)占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng)，而且其產(chǎn)品正快速進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。它們?cè)谑袌?chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來了巨大的生存壓力。

在過去的所謂 “不變速交流驅(qū)動(dòng)”中，泵等通用機(jī)械功率幾乎占工業(yè)總功率半數(shù)以上。深井泵并不是不需要調(diào)節(jié)，目前主要依靠閥門調(diào)節(jié)流量，浪費(fèi)能源。如果換成交流電機(jī)調(diào)速，每個(gè)泵上閥門調(diào)節(jié)的損耗都可以被降低，節(jié)省大約30%的能量。

DTC是一種高性能的交流調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，DTC解決了復(fù)雜計(jì)算易被參數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難達(dá)到期望結(jié)果的問題，具有新穎的控制思想、簡(jiǎn)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的性能。

Simulink是利用計(jì)算機(jī)對(duì)模型的分析和計(jì)算，替代實(shí)際對(duì)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，是MATLAB上工程設(shè)計(jì)的工具。目前廣泛采用這項(xiàng)技術(shù)，研究和分析交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)新模型，如果能使用Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，這對(duì)系統(tǒng)研發(fā)起到了非常重要的作用。

異步發(fā)動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速目前廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)領(lǐng)域。對(duì)于深井泵，更常見的方法是在機(jī)器中設(shè)出泵的輸出揚(yáng)程，通過變頻調(diào)速，平滑無極的調(diào)節(jié)機(jī)泵水流量，提高調(diào)節(jié)能力和水平，減少啟動(dòng)的頻率，實(shí)現(xiàn)節(jié)電能、降能耗的效果。深井泵的運(yùn)行狀態(tài)不同于一般加壓泵，可視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，需要采用合理的交流調(diào)速技術(shù)。該文中設(shè)計(jì)的新型深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)提高廠家的經(jīng)濟(jì)效益有著明顯作用和實(shí)際意義。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 3/2變換

通過交流電流的兩相繞組可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。當(dāng)三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和旋轉(zhuǎn)速度相等時(shí)，兩相繞組等于三相繞組。三相繞組A、B、C和兩相繞組的α、β之間的變換，稱3/2變換。3/2變換用互相垂直的兩相繞組替代2π/3分布的三相繞組，繼而消除定子與轉(zhuǎn)子三相繞組間的相互耦合作用。定子繞組對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組仍有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，因此定、轉(zhuǎn)子繞組互感是非線性的變參數(shù)陣。輸出轉(zhuǎn)矩是關(guān)于定、轉(zhuǎn)子電流和定、轉(zhuǎn)子夾角θ的函數(shù)。和三相初始的模型相比較，3/2 變換減少了狀態(tài)變量的維數(shù)，簡(jiǎn)化了定、轉(zhuǎn)子的自感方程。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)又稱DTC系統(tǒng)，區(qū)別于矢量控制系統(tǒng)，是后發(fā)展起來的高動(dòng)態(tài)性能的交流電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。DTC利用電磁轉(zhuǎn)矩偏差與定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)，不需要精確的磁鏈定向，在當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克谖恢?，選取合適的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差的減小，完成控制電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的目的。

DTC系統(tǒng)中有2個(gè)帶有滯環(huán)的雙位式控制器，一個(gè)是AΨR（定子磁鏈調(diào)節(jié)器），另一個(gè)是ATR（轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器）。定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號(hào)函數(shù)sgn（ΔΨs）和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號(hào)函數(shù)sgn（ΔTe）為DTC系統(tǒng)的輸出。

DTC系統(tǒng)中的P/N稱為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器。當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e大于零時(shí)，取P/N=1;當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e小于零時(shí)，取P/N=0。所以，在DTC系統(tǒng)中，同樣符號(hào)函數(shù)的控制作用對(duì)于不同的電磁轉(zhuǎn)矩期望值是不同的。

當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e大于零，如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，對(duì)應(yīng)的符號(hào)函數(shù)sgn（ΔTe）=1，定子磁場(chǎng)應(yīng)該正向旋轉(zhuǎn)，實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩Te會(huì)升高;如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，對(duì)應(yīng)的符號(hào)函數(shù)sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁場(chǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使電磁轉(zhuǎn)矩降低。當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩T*

e小于零時(shí)，如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，對(duì)應(yīng)的符號(hào)函數(shù)sgn（ΔTe）=0，定子磁場(chǎng)應(yīng)該反向旋轉(zhuǎn)，使實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩Te反向升高;如果電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，對(duì)應(yīng)符號(hào)函數(shù)sgn（ΔTe）=1，一般采用定子磁場(chǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使電磁轉(zhuǎn)矩反向減小。

2 設(shè)計(jì)仿真

深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)利用定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)矩的偏差符號(hào)，在當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克谖恢?，選取合適的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制作用。仿真原理是先進(jìn)行三相繞組A、B、C到兩相繞組α、β之間的變換和定子磁鏈計(jì)算;再選擇電壓空間矢量，進(jìn)行SVPWM控制;最后提取異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子測(cè)量參數(shù)，輸出并處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 仿真的電機(jī)參數(shù)

采用以上深井泵異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，得到定子與轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩、線電流與線電壓、SVPWM輸出電壓的幅值與相角等仿真結(jié)果見表1。

2.2 Simulink仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用DTC系統(tǒng)，相對(duì)于開環(huán)和閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)，在給定的理想轉(zhuǎn)速n*突然變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n波動(dòng)相對(duì)不大，磁通幅值基本保持不變，性能不受其轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響。采用雙位式控制的深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)以及給定電磁轉(zhuǎn)矩的極性，不需要精確定向，只需當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢?，就可以直接生成三相PWM信號(hào)，省去了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)計(jì)結(jié)論

該文設(shè)計(jì)并仿真了一款新型深井泵交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)過Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于定子磁鏈的DTC系統(tǒng)有更優(yōu)的性能，省去旋轉(zhuǎn)變換和對(duì)電流的閉環(huán)控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)，對(duì)魯棒性的提高有很重要的作用，解決了控制的計(jì)算結(jié)果易受控制參數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難以達(dá)到預(yù)期的問題，對(duì)于實(shí)際深井泵生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。

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