劉朝濤 張毅
【摘要】 當(dāng)電源供電功率小于額定功率且不穩(wěn)定無法驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn),為了解決這個(gè)問題,本文建立了功率追蹤模型。對(duì)電源的輸入功率進(jìn)行采樣,再利用模型計(jì)算出需要的控制參數(shù),結(jié)合矢量控制方法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行功率控制,形成動(dòng)態(tài)控制達(dá)到功率追蹤的目的。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果證明該模型可以有效的追蹤輸入功率,電機(jī)能夠以較高速度運(yùn)轉(zhuǎn),能夠達(dá)到了控制目的,具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。
【關(guān)鍵詞】 異步電動(dòng)機(jī) 功率追蹤 矢量控制 Matlab/Simulink
為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題,各國已將使用清潔能源作為重要對(duì)策[1]。當(dāng)下被公認(rèn)的清潔能源主要有太陽能、風(fēng)能和潮汐能等等,利用這些能源發(fā)電不僅可以解決偏遠(yuǎn)地方的能源供應(yīng)難題也可以緩解環(huán)境的污染問題,但是這些能源發(fā)電受到季節(jié),環(huán)境因素的影響較大,且發(fā)出的功率較小。
通用的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都是通過接入電網(wǎng)而獲得功率,功率相對(duì)電機(jī)是無窮的。在本文中,利用清潔能源發(fā)電給異步電機(jī)供電,功率收到了限制;為了解決在功率受限條件下異步電機(jī)難以高速運(yùn)行的問題,建立了功率追蹤模型,再結(jié)合矢量控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,可以使得電機(jī)以較高速度旋轉(zhuǎn)并且使得電磁功率和輸入功率保持一致。
一、建立系統(tǒng)模型
1.1 異步電機(jī)的矢量控制
本文仿真所用的電機(jī)為三相交流異步電動(dòng)機(jī),由于異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、強(qiáng)耦合、非線性、多變量的系統(tǒng) [2~3]。為了使得異步電動(dòng)機(jī)能夠像直流電機(jī)那樣取得良好的調(diào)速性能,本文中采用矢量控制中的間接矢量控制即轉(zhuǎn)差頻率控制。
轉(zhuǎn)差頻率法不需要觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際位置,定向是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來實(shí)現(xiàn)的。在轉(zhuǎn)差頻率中按磁場(chǎng)定向的要求將定子電流矢量iS分解為勵(lì)磁分量i*M和轉(zhuǎn)矩分量i*T,有
綜上所訴,在經(jīng)過磁場(chǎng)定向后,三相交流異步電機(jī)控制模型需要控制定子電流的勵(lì)磁分量i*M和轉(zhuǎn)矩分量i*T,這些變量將是后面功率追蹤模型中將實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)模型的追蹤控制的關(guān)鍵。
1.2 功率追蹤模型
所以由式子1.9知道,可以通過以下三個(gè)方面來對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行:1.改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)p;2.改變電機(jī)的頻率f1;3.改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率s[6][8]。
這樣磁路的飽和程度、激磁電流和電動(dòng)機(jī)的的功率因素均可保持基本不變,這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)定子電壓和頻率同步提高就可以保持氣隙的磁通量φm基本不變,使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,轉(zhuǎn)速上升的速率較快,提高響應(yīng)速率[4][5][7]。在基頻以上的調(diào)速時(shí),考慮到電機(jī)的絕緣限制,不能使電壓繼續(xù)升高,故采用的是弱磁調(diào)節(jié),需要降低氣隙的磁通量φm,定子電壓不再變化為最大值,頻率可以繼續(xù)提高,轉(zhuǎn)矩值會(huì)降低。
二、系統(tǒng)模型仿真及結(jié)果分析
2.1 系統(tǒng)模型仿真
在Simulink環(huán)境中搭建整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型,整體系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示,主電路中的交流異步電動(dòng)機(jī)額定功率為12kW;額定電壓為380V;額定頻率為50Hz;同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。數(shù)據(jù)采集顯示主要采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電磁功率。
2.2 運(yùn)行仿真及仿真結(jié)果分析
在所有模塊連接檢查無誤后,運(yùn)行仿真,仿真時(shí)間為2s。仿真結(jié)束后,電源提供的功率如圖2a所示;電機(jī)的電磁功率如圖2b所示;電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖3所示。
由圖2可以看出,電磁功率能夠跟蹤輸入功率的變化,且誤差很小精度很高。從圖3看出無論電機(jī)的電磁功率是減小還是增大,電機(jī)的轉(zhuǎn)速都能增加,在2s末電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到3750r/min(電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min)。
三、結(jié)論
本文提出了在電源功率受限的情況下,設(shè)計(jì)了功率追蹤模型及改良了電機(jī)控制模型。利用Matlab/Simulink仿真工具,對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,并且實(shí)現(xiàn)了重要仿真結(jié)果的輸出。
綜上所述,從系統(tǒng)的仿真模型結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果可以看出,功率追蹤模型能夠定時(shí)投入使用,使得電機(jī)的電磁功率能夠一直追蹤電源的輸入功率,能夠隨著輸入功率的變化而變化,且誤差很小,能夠滿足要求;由于功率追蹤模型的作用,使得在不太大的輸入功率情況下,電機(jī)能夠以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)起來,并且驅(qū)動(dòng)負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化,使得整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械性能得到了大大的提高。結(jié)果證明,本文建立的控制模型具有良好的實(shí)用性可以移植到其他的控制系統(tǒng)中。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]高尚, 祁新春, 謝濤, 徐震. 共直流母線光伏-混合儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)及其雙重濾波優(yōu)化控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, V42(20): 92-97.
[2]王成元, 夏加寬, 孫宜標(biāo). 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2014.
[3]湯蘊(yùn)繆, 羅應(yīng)立, 梁艷萍. 電機(jī)學(xué)[M]. 第三版. 北京 .機(jī)械工業(yè)出版社. 2008.
[4]李葉松, 雷力. 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)弱磁方法研究[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(5): 34-35.
[5]萬山民, 陳曉. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向下的弱磁控制算法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, V31(30): 93-99.
[6]齊琛, 陳希有,牟憲民. PWM逆變器混合擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, V32(24): 38-44.
[7]楊永昌, 楊海濤. 感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測(cè)磁鏈控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, V35(3): 719-725.
[8]于浩, 阮毅, 黃永利, 管博. 異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制轉(zhuǎn)速估算方案[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2006, 33(5): 30-32.