慧聪网首页 > 电气行业 > 技术文章 > 技术动态
同步电机气隙磁场定向控制系统的仿真研究
 
慧聪网   2006年1月23日9时56分   信息来源:变频器世界    

   摘 要 :文章根据矢量控制的基本原理,基于MATLAB/SIMULINK构造了同步电机气隙磁场定向控制系统的仿真模型。通过仿真试验验证了模型的正确性,并分析验证了文中所建立的调速系统具有良好的调速性能和抗扰动性能。

   英文摘 要 :According to the principle of vector control system, a simulation model of synchronous motor with air-gap flux orientation control system is established in this paper. Simulations not only show the validity of the model, but also validate the good speed regulated performance and excellent disturbance tolerance capability of the drive system.


    关键词: 同步电机 矢量控制 仿真


1 引言

   交-交变频同步电动机矢量控制系统可以分为转子磁场定向控制、定子磁场定向控制、气隙磁场定向控制等方式。其中,转子磁场定向控制,控制系统简单,调速性能好,但这种定向控制策略,随着负载的增加,定子电流增大,由于电枢反应的影响,会造成同步电动机定子电压的大幅度升高,同时,使电动机的功率因数变低,这对于大型同步电动机调速系统是不经济的,因此高性能、大中容量的同步电动机调速系统多采用气隙磁场定向的矢量控制系统[1]。文章将结合矢量控制和MATLAB中SIMULINK的特点,讨论一种交-交变频同步电机按气隙磁场定向控制系统的建模仿真方法,并利用仿真模型,对控制系统进行仿真,为同类调速系统提供有效、可靠的研究分析依据。

2 气隙磁场定向控制的凸极同步电机数学模型

   在气隙磁场定向控制时,同步旋转轴线M轴与气隙磁场矢量ψ重合。气隙磁场定向控制的磁场矢量图如图1所示。


在M-T坐标系,根据矢量控制原理,把有关矢量分解,应有:


(1)气隙磁链是穿过气隙的主磁链,不包括定、转子漏磁链,此在d-q坐标系中有:

(2)由坐标变换知:


(3)将式(1)、(2)代入(3),并整理得气隙磁场方程为:(4.a)

(4.b)

   在M-T轴系中,同步电动机的电压矢量方程仍使用两绕组模型中的电压方程。M-T轴系同步电动机的定子电压方程为:

(5)电磁转矩方程为

(6)

3 同步电机矢量控制系统的仿真模型

    图2所示的交-交变频同步电机气隙磁场定向控制调速系统,主要由主回路和控制回路两大部分组成。主回路包括交-交变频器、同步电动机、转子位置检测器、测速发电机、电流电压检测单元及转子励磁装置;控制回路包括:速度调节单元、功率因数设定单元、转子励磁控制单元、混合式磁场模型(电流模型、电压模型)、磁场调节单元及坐标变换单元。整个系统为转速、磁场的双闭环控制系统,能很好的实现对电机的调速控制。


图2中: ASR—转速调节器;
ACR—定子电流调节器;
AUR—电压调节器;
AψR—磁场调节器;
AFR—励磁电流调节器;
VA—直角至极坐标变换单元;
VD—坐标旋转变换单元;
MU—电压模型磁场观测器;
MI—电流模型磁场观测器;
UC—前馈电压计算单元;
CF—励磁装置。
对整个系统在数学建模时,需要分别考虑这些模型在MATLAB中的实现。
3.1 同步电机气隙磁场定向控制系统中重要模块简介
下面对图2所示的同步电机气隙磁场定向控制系统中一些重要模块作较为详细地说明。
(1) MI模块
电流模型磁场观测器,它利用定子电流两个分量的给定值和磁化电流的期望值计算出期望的负载角ψL,然后,与转子位置检测器实际检测到的转子位置角λ相加,就可获得期望的气隙磁场位置角ψs,这样可近似地辨识出气隙磁链的空间位置,并方便地计算出转子励磁电流的给定值ie*。由矢量图2可以得到电流模型的下列各式(参数的上标“*”表明该参数是给定值或电流模型的计算值):


(7)
(2) MU模块
电压模型磁场观测器,它和电流模型磁场观测器在同步电机矢量控制系统中的作用是一致的,都是用来观测同步电机气隙磁场的大小和空间位置。但是在电流模型中同步电机转子励磁电流到气隙磁场是开环控制的,又由于电流模型本身的不完善、电动机参数给定的不准确和计算误差,使电动机控制变量的实际值往往偏离给定值。为了弥补电流模型的不足,需构造磁场的闭环控制,即构造电压模型磁场观测器。它的任务是根据定子电流、电压实际测量值经3/2变换后得到的 ,计算出气隙磁场的幅值Ψ和位置角(定子α轴到M轴间夹角)。
气隙磁场在α、β轴上的分量为:

 

(8) 从式(8)可以看出,电压模型是通过对反电动势的积分来得到气隙磁场的,它对电机参数变动的依赖性较弱,也不需要电机速度和位置信号。但是磁场估计中使用纯积分器存在一定的困难,因为纯积分器会引入直流偏移和初始值问题。即使直流偏移很小,它也可以使纯积分器饱和。输出直流偏移可以产生直流磁通,而在交流电机中是不存在直流磁通的。另外,输入信号阶越性变化时也会产生直流偏移。因此,我们采用了自适应幅值补偿积分算法,它可以有效地消除由幅值限制器带来的非线性畸变,也可以解决纯积分器引入的直流偏移问题,它还可以在一个很宽的范围内准确的进行磁场估计[2]。该自适应幅值补偿积分算法计算磁场的原理如图3所示。

(3) UC模块
电压前馈计算单元,根据图2和方程(5)可以得到稳态时M-T轴系的定子电压方程为:

(9)式中,Ψ为电机气隙磁场幅值。
(4) 其它环节的模型:
系统中还用到一些其它的环节,如矢量回转器模块、2/3变换、3/2变换、受控电源(为了缩短仿真时间,用它代替交-交变频器模型)、速度调节器、磁场调节器等,这些模型的构建相对比较简单,这里就不一一说明。
3.2 气隙磁场定向控制系统直接带电机运行的仿真实验
根据图2构造同步电机的气隙磁场定向控制系统模型。电机额定频率f=13.3Hz下,转速给定为额定转速:nN=199.5r/min,磁链给定为:Ψ=29.66Wb。
(1) 系统在额定转速,额定频率13.3Hz时突加减负载的仿真波形如图4所示。电机空载起动,然后分别在t=4.5s,t=7s突加负载1.2MW,1.3MW;当电机运行到稳态时,又分别在t=12s,t=16s,t=22s时突减负载至空载。图4中的分图分别是转速,负载转矩,A相电压的局部放大图,A相电流的局部放大图。

    从图4的仿真波形可以看出:电机空载起动,t=3s时到稳态,然后分别在t=4.5s,7s突加负载,当t=11s时系统又重新运行到稳态;再分别在t=12s,t=16s时突减负载至空载,经过几秒后,系统又运行在另一个空载的稳态。
(2) 系统在低频下,即6.67Hz(对应于额定转速是100r/min)时,突加减负载的仿真波形如图5所示。类似,电机空载起动到稳态后,分别在t=5s,t=8s,t=11s突加负载至额定值;当电机运行到稳态时,又分别在t=16s,t=19s,t=22s时突减负载至空载,电机又重新运行到稳态,仿真波形的坐标与图4相同。

    从图4、图5可以看出,控制系统带电机运行有较好的抗扰动性能,在不同的给定频率下,突加减负载,及空载下都能运行到稳态,且转速波动可以忽略不计。但起动时电压,电流有较短时间的冲击响应,且幅值较大,不过持续时间很短。因此该控制方案是可行且有效的。

4 结束语
    文章主要探讨了气隙磁场定向的交-交变频同步电机矢量控制系统的MATLAB建模,在气隙磁场定向控制的凸极同步电动机磁场观测模型中采用了一种自适应幅值补偿积分算法来计算磁场。该磁场观测模型可以解决纯积分器引入的直流偏移问题,而且还可以在一个很宽的范围内准确的进行磁场估计,使得所建立到交-交变频同步机控制系统更加准确。文中所建立的各个模型的构建都已经过MATLAB仿真验证,仿真结果也验证了所搭建的气隙磁场定向的交-交变频同步电机矢量控制系统的正确性以及有效性。该模型为进一步研究变频调速系统提供了基础模型,其使用的灵活性,操作的简单性以及仿真的准确性为进行高效成功的交流调速系统的设计打下了良好的基础。

参考文献
[1] 李志民,张遇杰. 同步电动机调速系统. 北京:机械工业出版社,1998
[2] J.HU, B.WU. New integration algorithms for estimation motor flux over a wide speed range. IEEE, 1997:1075-1081
[3] 陈 桂. 基于MATLAB的异步电动机矢量控制系统的仿真. 电子机械工程,2003,19(5):48-50

 
 
评论    【推荐】 【打印】 【论坛
 
 
[热门关键词]:同步电机 控制系统 
特别推荐:  十月国内电力市场综述 | 2005中国国际能源和电力展览会及高峰论坛现场直播
更多精彩: (精贴) 男女明星接吻瞬间抓拍! | 爆笑网文连载 | 李宇春,五大理由挤进北大[贴图]
 相关文章 更多 
·最新发现与创新:自主知识产权16吨级振动试验台问世  (1.23 8:53)
·步进运动的闭环控制方法及原理  (1.22 9:18)
·艾默生推出智能远程自动化技术  (1.22 8:14)
·金属线缆加工中的谐波及其治理  (1.21 11:25)
·末级线路装设漏电保护器的应用  (1.21 10:35)
·自主创新破题国产高端电梯变频器  (1.21 10:35)
·电气设备维修的十项原则  (1.21 9:28)
·我国可再生能源发电上网价格有了管理办法  (1.21 8:28)
·机器视觉技术及其在包装印刷质量检测中的应用  (1.20 10:44)
·高频开关电源的干扰问题及解决途径  (1.20 9:58)
 我来评两句〖查看最新评论〗 
请您注意:
·遵守中华人民共和国的各项有关法律法规
·承担一切因您的行为而导致的法律责任
·本网留言板管理人员有权删除其管辖留言内容
·您在本网的留言,本网有权在网站内转载或引用
·参与本留言即表明您已经阅读并接受上述条款
昵称:匿名
 
分类广告  
产品超市
·供应调速电机
·供应脚踏开关GF/GFS
·供应扁型橡套电缆
·供应干式变压器
·供应高压并联无功补偿
·供应防爆器
·供应绝缘耐张线夹
热点专题
·05机电十大新闻系列评选
·柳市崛起的中国电器之都
·05年电气TOP10评选揭晓
·组态王电力版新闻发布会
·明星州长施瓦辛格中国行
·汉诺威展之05亚洲能源展
·ABB杯首届全国论文大赛
行业书店