转差频率控制的转速闭环调速系统的改进方法

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转差频率控制的转速闭环调速系统的改进方法

第３５卷第５期２０１２牟５月

合肥工业大学学报（自然科学版）

ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ０ＦＴＢＣＨＮｏ“）ＧＹ

Ｖ０１．３５Ｎｏ．５

Ｍａｖ２０１２

Ｉ）ｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓ儿１００３—５０６０．２０１２．０５．００９

转差频率控制的转速闭环调速系统的改进方法

陈

中，胡国文

（盐城工学院电气工程学院，江苏盐城２２４００３）

摘要：文章对转差频率控制的调速系统固有的缺陷，提出了一种新的改进方法，从理论上阐述了改进方法的工作原理；并运用Ｍａｔｌａｂ的ｓｉｍｕｌｉｌｌＩ【和ＰｏｗｅｒｓｙｓｔＨｎ工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了改进的转差频率控制系统的建模与仿真；介绍了调速系统的建模，给出了改进的转差频率交流调速系统的仿真模型和仿真结果，对于开环和改进的转差频率的仿真结果作了对比．说明了改进方法的正确性和优良性。关键词：交流异步电动机；仿真建模；Ｍａｔｌａｂ软件；转差频率中图分类号：ＴＭ３４１

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３—５０６０｛２０１２）０５一０６０９一０４

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交流电动机是一个多变量、强耦合非线性系统，存在着在高性能上难控问题。比较常见的一种交流电动机调速方法是采用闭环变频控制系统，对于闭环变频交流调速系统，动、静态性能要比开环变频调速系统强。但闭环变频调速系统具有特殊性，不是简单地加个负反馈就行，其根本原因是电磁转矩和电机频率没有特定的数学关系［Ｉ］，在保证恒磁通的情况下，通过控制转差频率来控制电机的转矩；但是，对于电压源型逆变器，当采用ＳＰｗＭ方式控制策略时，由于转差频率控制本身结构的特点，电机无法正常起动，本文为此类调速系统的起动问题提出一种改进方法。

的电磁转矩的调节。对于交流电动机，影响转矩的因素很多，按照恒磁通控制方式时的电磁转矩公式为‘２｜：

将Ｅ＝４．４４＾Ｎ５后Ｎ。瓯代入（１）式，可得：

ｔ确ｒ（鲁）２燕

Ｌ≈专，ｚｒ赠愚氛砩秽

㈣

ｔ＝詈却腿硫砩爿髫‰

令魄一跗】，可得：

（２）

ｔ＝罢却腿魄酥万笔血

可以看出，当叫。很小时，则转矩可表示为：

‘３）

（４）

１转差频率交流电机调速系统工作原理

众所周知，电动机的转速调节归根到电动机

收稿日期：２０１１—１０－１１；修回日期：２０１２—０３—２５

当地很小时，转矩ｔ和地成正比，也即当在恒磁通情况下，控制眠就可以控制电磁转矩Ｔｅ，进而控

作者简介：陈中（１９６８一），男，安徽六安人，盐城工学院讲师；

胡国文（１９５８一），男，江苏盐城人．博士，盐城工学院教授，江苏大学硕士生导师．

万方数据

６１０

合肥工业大学学报（自然科学版）第３５卷

制电机的转速。这就是转差频率控制的基本规律。

上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统的原理图如图１所示，图１中，转速调节器的输出信号是转差频率给定信号∞：，与实测转速信号甜相加，即可得定子频率给定信号∞？，当电机达到稳态时候，通过控制转差频率就可以控制电机转速。

圈１转差频率闭环交流调速控制系统

但是，转差频率控制原理是基于交流异步电动机稳态数学模型的，电机起动过程是个动态过

程，按照图ｌ的控制策略，仿真结果表明，在转差

频率控制的转速闭环系统中，无论如何设定调节器参数，当电机处于起动阶段，很容易造成起动失败。图２所示为此系统的仿真结果。

如

圈２转差频率控制的转速波形

造成起动失败的根本原因如下：

（１）对于电压源型变频器，当采用ＳＦＷＭ方式控制时，频率变化的时刻不一定是发生在调制信号一个完整周期的末尾，在调制正弦信号一周期尚未结束时，频率发生了变化就可能使下一周期信号的前半周期变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增加，这时的三相电压的相序也可能出现异常，出现瞬时的负相序，电动机也产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧波动，这就是所谓“跳频”现象，这就使得变频器输出的频率降低，进而使转速降低，由于是正反馈，使得电机转速进一步下降，因此当电压源型变频器常用Ｓｎ矾ｄ控制时，转差频率控制往往造成无法正常起动。

万方数据

（２）在起动阶段，存在许多扰动，当扰动引起转速波动时，由于转差频率控制结构的固有缺点，都会导致转速持续下降，最终造成电机只能在低速下爬行，甚至不能正常起动Ｌ引。

２转差频率交流异步电动机闭环控制改进

既然在交流电机起动阶段，存在“跳频”和其他扰动影响电机转速，进而影响电机的频率，那么就对电机的频率实现动态补偿，补偿要求是电机降速越大，补偿就越大，保证电机在一定频率下正常起动，当电机达到稳态转速时，补偿为。ｏ，使得

电机在转差功率进行调节。本文采用的改进的转

差频率控制方式如图３所示Ｊ在ＰＩ调节器饱和

时，输出最大转差频率不为埘，一，而为∞７～，两

者之问的关系：

∞㈣，２∞～一＾￡¨∞７蛐，＝∞一一Ｋ△叫

（５）Ｌ０，

圈３改进后的转差频率控制原理圈

在ｚ＝Ｏ时，突加给定，转速调节器输出饱和，输出限幅为：

∞’～＝甜～一Ｋ幽一∞一，一硒。（６）

由于转速和电流尚未建立，即Ⅲ一Ｏ，ｆ。一Ｏ，给定

定子频率ｍ一．定子电压为：

Ｕ＝￣／Ｒ：＋（（￡，。Ｌｌ。）２ｊ。＋Ｅｇ＝

Ｚ玉ｌｆ。＋（Ｅ／Ⅲ１Ｎ）（ｃ，１＝

乙１Ｉ；＋国１＝Ｇｃ，一

（７）

１赆丽廷孓ｉ

电流和转矩快速上升，则有：

ｒ：

垦——：

ｇ

当卢￡，时，电流达到最大值，起动电流等于

最大的允许电流，即

一ｔ

ｉ赫一

√（笔）２“ｎ２

ｇ

延于五

（９）

第ｊ期

陈

中．等：转差频率控制的转速用环调速系统的改进方法

６１】

起动转矩等于系统的最大允许输出转矩，即

，Ｆ、：

由直流电压源、逆变器、交流电动机等组成‘。对于逆变器．可以在电力电子模块组中选取ｕｎ－一

ｖｃｒｓａｌ

一。；≈３ｍ｛ｏ）：严＝３”Ｐ暖：严（１０）

』、’

、ｍ】㈨ｒ

Ｂｒｌｄｇｃ模块。取桥臂数为３，电力电子元

ｓＩ

随着电流的建立和转速的卜升．定子电压和

件没置为Ｉ（ｊＢＴ／Ｄ１０ｄｅｓ。交流电动机取Ｍａｃｈｍｃｓ库中ＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭａｃｈｌｎｅ

ｊ０Ｈｚ、二对极、Ｌｋ—Ｏ．００２Ｌ’Ｊ，＝０００２

Ｈ、Ｌ。一Ｏ．０６９

频率上升．但由于补偿适当，‰。。不变，起动电流

和起动转矩不变，电机在允许的最大输出转矩下加速运行。（１ｏ）式表明Ｆ彻。与埘…有唯一的对应关系，假设异步电动机的基频为５０Ｈｚ，固有机械特性的ｓ、一Ｏ１２，对应的最大转差频率为６

Ｈｚ。

ｕｎｌｔｓ模

Ｖ、ｎ、

块．参数设置为：交流异步电动机、电压为３８０

Ｈ、Ｒ４，一Ｏ８１６

Ｈ、Ｊ—１．９ｋｇ?ｍ２．

则定子绕组自感Ｌ，一Ｌ．．＋Ｌ“一ｏ．０７ｌＨ。直流电压源参数为８８０

ＰｗＭ

Ｖ。

起动时．＾＝４０Ｈｚ√一ｏＨｚ．速度调节器很快就输出饱和值，．一５Ｈｚ．变频器以５Ｈｚ的转差频率输出．电机频率疗也为５Ｈｚ．电机从零速开始起动，在速度加速到４。Ｈｚ之前．已经饱和的凋肯器输出保持不变，随着电机的起动，在／（相应于电机转速）增加的过程中．－厂÷始终与其同步增长，且总是大５Ｈｚ，也就足说随着电机开始升速，变频器也开始升频．在发生“跳频”时刻．电机的转速下降．△Ⅲ一ｕ。

ｍ增加，使得输入到逆

控制电路主要由１００ｋ—Ｕｐ、Ｆｃｎ、“ｓｃｒｅｌｅ

ＧｅｎｅⅢｏｒ和ＰＩ调节器等模块组成，Ｉｏｏｋ＿

ｏｆ１ｎｐｕｔ

ｕｐ模块参数设置：Ｖｅｃｔｏｒ：ｏ：５０］，Ｖｅｃｔｏｒ

５０～２２０

ｏｆｏｕｔｐｕｔ

Ｖａｌｕｃｓ为

Ｖａｌｕｅｓ为［５０：３．４：

２２０］．表明输人的频率为ｏ～ｓ０Ｈｚ．输出电压为

Ｖ，其作用是保持恒压频比．在低频时候

适当提高电机电压，补偿定子绕组造成的压降ｊ。

从Ｍｕｘ模块输出的是３个信号向量，分别是电压、频率和时间。Ｆｃｎ、Ｆｃｎ】、Ｆｃｎ２的参数分别设置为：

Ｈ（１）”ｓｌｎ（Ｍ（２）＊６．２８＋Ｍ（３））／２２０，

“（１）ｏｓｌｎ（“（２）＊６．２８。“（３）＋４＊３．１４／３）／２２０．

变器的频率为叫，＝甜’～＋Ｋ（叫’一Ⅲ），只要补偿适当，逆变器的频率可以一直保持在叫～，当电

机继续升速过４０Ｈｚ后。调节器退出饱和，经过几次振荡．而转速最终稳定，整个起动过程完成。当电机稳定运行时，“’一∞．补偿为ｏ。斟此在调速过程中，／？实际频率随着实际转速，同步地上卅或下降．因而加、减速平滑且稳定．同时．由于在动态过程中转速调节器饱和．系统能用对应于最大转差频率的限幅转矩ｒ伽。进行控制，保证了在允许条件下的快速性，从而提高了系统动态性能。

“（１）‘ｓｊｎ（“（２）＊６．２８＋“（３）＋２＊３．Ｍ／３）／２２０，

其中，“（１）为电源相电压；“（２）为频率；“（３）为

时间。

时钟模块参数ｉ殳置为Ｄｃｃ肌ａｌＩｏｎ

１ｏ－Ｄ１ｓ

ｃⅢｅ

Ｉ’ｗＭＧｅｎｅｒａｔｏｒ模块设置参数为３桥臂６

０８０

脉冲，载波频率为ｌＨｚ。ＰＩ调节器参数设置

１０］。

为Ｋ，＝１０，Ｋ。一ｌ，上下限幅［５．

３仿真试验