礦用異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

陳思之

[摘 ? ?要]異步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在礦用領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。文章介紹礦用異步電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用MATLAB/SIMULINK搭建了異步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并對模型進(jìn)行詳細(xì)說明，仿真結(jié)果證明了本文方法的有效性和實(shí)用性。

[關(guān)鍵詞]礦用異步電機(jī);雙閉環(huán);MATLAB/SIMULINK;仿真模型

[中圖分類號(hào)]TM343 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Simulation Research on Double Closed Loop Speed

Regulation System of Mine Asynchronous Motor

Chen Si-zhi

[Abstract]Because of its simple structure， low price and convenient use and maintenance， asynchronous motor has developed rapidly in the field of mining. This paper introduces the double closed-loop speed regulation system of mining asynchronous motor， and uses Matlab / Simulink to build the simulation model of the double closed-loop speed regulation system of mining asynchronous motor， and explains the model in detail. Simulation results show the effectiveness and practicability of the proposed method.

[Keywords]mining asynchronous motor; double closed loop; MATLAB/SIMULINK; simulation model

近年來，異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在礦用領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。其中，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是礦用異步電機(jī)最常使用的調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有啟動(dòng)快速，調(diào)速靈敏，魯棒性高等優(yōu)勢，是近年來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。通過仿真模型的建立，可以大幅提升電機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)的效率，并顯著降低成本。鑒于此，本文使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建礦用異步電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速仿真模型，并對模型進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)

交流調(diào)速系統(tǒng)具有高可靠性和低成本的優(yōu)勢，使得近年來在礦山領(lǐng)域獲得了比直流調(diào)速系統(tǒng)更為廣泛的運(yùn)用。直流調(diào)速系統(tǒng)可以對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的控制，而在早期的交流變頻調(diào)速中，只能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而對力矩是無法做到精確控制的。其原因在于，直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁不是耦合的，這樣對電樞電流和勵(lì)磁電流能夠做到精確控制[1];而對于交流調(diào)速系統(tǒng)，電樞電流和勵(lì)磁電流互相耦合，使得轉(zhuǎn)矩?zé)o法做到精確控制。通過對交流電機(jī)的三相交流電流進(jìn)行變換，變換成兩相分別為直軸電流與交軸電流，可以對這兩相電流進(jìn)行控制從而進(jìn)行調(diào)速，但是如何將直軸電流與交軸電流精確地解耦，使得交流電機(jī)中的勵(lì)磁電流和電樞電流可以被精確控制，是近年來研究的熱點(diǎn)問題[2]。

近年來，學(xué)者們提出了矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。其基本原理是將異步電機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值。根據(jù)磁場定向原理，分別對異步電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的基本思想是經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System，VC系統(tǒng)）。給定和反饋信號(hào)經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)和電樞電流的給定信號(hào)，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)d-q變換得到和，再經(jīng)過2/3變換得到、和。把這3個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)加到電流控制的變頻器上，所輸出的是異步電機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。

2 礦用異步電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

2.1 總電路結(jié)構(gòu)

使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建異步電機(jī)雙閉環(huán)控制的仿真模型，如圖1所示。電機(jī)控制是封裝模塊，總電路主要包括三相整流器和三相逆變器等功率電路;三相感應(yīng)電機(jī)、速度控制器、磁場定向控制器（F.O.C）和制動(dòng)斬波器等驅(qū)動(dòng)電路。左側(cè)輸入端有三相交流電源（A、B、C）、轉(zhuǎn)速給定（SP）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定（Tm）。三相交流電源單相電壓有效值為460 V，頻率為60 Hz;轉(zhuǎn)速給定在系統(tǒng)初始時(shí)為500 r/min，在時(shí)間為1 s時(shí)變?yōu)?;負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定初始值為0，0.5 s時(shí)階躍變?yōu)?92 N·m，到1.5 s時(shí)階躍變?yōu)?792 N·m。電機(jī)控制模塊輸出經(jīng)選擇模塊輸出信號(hào)到示波器。異步電機(jī)的功率為200 HP，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)仿真包含磁場定向控制感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（Field-Oriented Control Induction Motor Drive）、轉(zhuǎn)速給定模塊（Speed reference）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定模塊（Load torque），電源為有效值460 V、60 Hz的三相交流電源;該電路使用專用電源系統(tǒng)庫模塊，它為帶有制動(dòng)斬波器的磁場定向控制（FOC）感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器建模[3]。

2.2 電機(jī)控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器（圖2）是由逆變器和控制器兩部分組成：逆變器接收電池輸送過來的直流電電能，逆變成三相交流電給電機(jī)提供電源，控制器接受電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)反饋到測量儀器，當(dāng)發(fā)生制動(dòng)或者加速行為時(shí)，控制器控制變頻器頻率的升降，從而達(dá)到加速或者減速的目的。

在此模塊內(nèi)，速度控制器（圖3）基于PI調(diào)節(jié)器，對偏差信號(hào)進(jìn)行PI控制，使實(shí)際轉(zhuǎn)速趨向于給定轉(zhuǎn)速。PI調(diào)節(jié)器的輸出加到矢量控制模塊的輸入端，通過與給定的磁通和轉(zhuǎn)矩值計(jì)算可求出三相電流給定值，并與實(shí)際電流比較，求出脈沖信號(hào)大小，控制開關(guān)器件的通斷，從而控制電機(jī)定子輸入電壓大小，進(jìn)而控制速度大小。

3 速度控制模塊參數(shù)設(shè)置

3.1 原始參數(shù)及波形

在本文的仿真模型中，可設(shè)置的參數(shù)為頻率f、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的Ki和Kp、低通濾波器的截止頻率、輸出轉(zhuǎn)矩的值、磁通值及采樣時(shí)間等。若要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，應(yīng)在Speed reference和Load torque模塊中修改，如圖4所示。原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的仿真波形如圖5所示。

3.2 Speed Controller參數(shù)設(shè)置及波形

速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制，比例和積分參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果不斷地變化改動(dòng)，以得到最穩(wěn)定的輸出特性以及動(dòng)態(tài)特性。由于采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的無靜差系統(tǒng)，在負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等擾動(dòng)情況下，保持系統(tǒng)的恒定輸出。PI控制時(shí)，可將比例常數(shù)設(shè)為30，積分時(shí)間常數(shù)設(shè)為300，微分時(shí)間常數(shù)為0。仿真時(shí)，在Speed reference模塊和Load torque模塊中修改轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值，當(dāng)轉(zhuǎn)矩指令由792 N·m變到500 N·m時(shí)，仿真波形如圖6所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速指令由500 r/min到200 r/min時(shí)，仿真波形如圖7所示。

利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，使得系統(tǒng)保持恒定最大允許電流，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。

當(dāng)電機(jī)的加速度設(shè)置為[-1200，1200]時(shí)，轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。

與原始參數(shù)波形對比可看出，圖8中電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間減小。

當(dāng)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp分別為200、400時(shí)，仿真波形如圖9所示。

Kp分別為200、400時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩開始時(shí)峰值隨Kp的增大而增大，但隨Ki變化，波形幾乎沒有變化。

4 結(jié)束語

本文介紹了礦用異步電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并通過MATLAB的SIMULINK工具箱對其主電路和控制電路分別進(jìn)行了建模和參數(shù)設(shè)置，最終建立了礦用異步電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果證明了該模型的有效性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 巨永鋒，王晶，劉幟琦，等.基于模糊控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（1）：98-100.

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