交流调速系统的仿真分析

1 交流调速系统的发展及展望

交流调速系统虽然早已有多种方案问世, 并已获得一些实际应用的领域, 但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。但经过多年探索与研究, 一直被认为是天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。以后, 交流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用:一般性能的节能调速;高性能交流调速系统;特大容量, 极高转速的交流调速。

2 直接转矩控制的基本原理

异步电动机转矩直接控制的系统框图如图1所示。该系统中定子的三相电流和电压经过3ϕ/2ϕ变换转变成i1α和i1β与U1α和U1β, 得到定子电流和电压的综合矢量

得出电机的实际转矩T。把电机的实际转矩T和转矩给定值T*一起输入转矩比较器进行比较, 利用它的三态输出 (-1, 0, 1) 作为只读寄存器ROM的A0, A1二位地址信号输入到存储着电压矢量开关表格的ROM中。另一方面, 将定子磁链幅值的给定值与实际的磁链幅值通过磁链比较器, 把它的输出状态作为ROM的A2位地址码输入ROM中。ROM的其它三位地址码A3, A4, A5由磁链综合矢量ψ的空间位置判别器θ (N) 根据磁链的幅值及其分量ψ1α和ψ1β的大小加以判定。这样ROM就可以根据作为地址码的6位输入信号, 输出事先存储在其中的表格数据——定子电压矢量的数据Sa, Sb, Sc。用它去控制逆变器的开关, 是所需要的电压综合矢量加到异步电动机的端子上, 从而实现转矩的直接控制。

上述异步电动机通过普通三项逆变器供电, 电动机输入的非零电压的综合矢量只有6种。开关切换引起的波动比较大, 控制还不稳。这种状况可以通过以下方案得到改善, 异步电动机采用二个三相逆变桥供电, 通过二组三相开关的切换, 电机每相的输入电压可以有E, 0, -E三种。于是电机输入电压的综合矢量U1 (Sa, Sb, Sc) 可以有18种不同的非零输入模式和三种零电压输入矢量。

3 直接控制系统的仿真

本文应用MATLAB软件的SIMULANK软件对交流调速系统的直接力矩控制进行系统仿真, 以期得到定子侧的圆形磁链以及相应的波形图。

3.1 系统数学模型

步电动机在正交定子坐标系的数学模型可由以下几个式子表示。其中, 下标d、q分别代表d轴和q轴分量;Ids、Iqs、Idr、Iqr为定子、转子电流;Uds、Uqs为定子电压;ψds、ψqs为定子磁链;为电磁转矩、负载转矩;ωr为转子电角速度;Rs、rR为定子、转子电阻;为定子自感、转子自感、定子转子互感;Pn为极对数;J为机械转动惯量;α=1/ (Lm2-LsLr) 。

用以下计算式表示出相应的模型:

为判断定子磁链ψs当前的空间位置, 可将定子三相轴线顺时针旋转120°, 变为a1, b1, c1轴线, 分别记ψs在此三轴上的投影为ψa1, ψb1, ψc1, 则有:

ψa1=-0.5ψds+0.866ψqs

ψb1=-0.5ψds-0.866ψqs

ψc1=ψds

然后定义如下的开关函数;

如果4Sa1+2Sb1+Sc1=N

则定子磁链ψs在SN区间 (N=1, 2, 3, 45, 6) 。

定子磁链的幅值计算式如下: