李 瑾

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330099)

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雙饋調(diào)速在泵站電機(jī)上的應(yīng)用

李 瑾

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330099)

目前不少泵站仍使用不調(diào)速的交流電機(jī)，白白浪費(fèi)了不少電能，而使用普通的變頻調(diào)速，需選用高壓變頻器，調(diào)速較困難。針對(duì)上述現(xiàn)狀，給出了一個(gè)主電路為交-交變頻器，采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制雙饋調(diào)速系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)控制框圖和控制部分主程序流程圖，且用MatLab/Simulink軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立了仿真模型，并給出了仿真波形。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：該調(diào)速系統(tǒng)定子電流諧波小，控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，工作性能穩(wěn)定；而且當(dāng)所需調(diào)速范圍不大時(shí)，可大大減小變頻器容量從而顯著降低成本，因此在泵站電機(jī)調(diào)速改造中具有廣闊的應(yīng)用前景。

雙饋調(diào)速；調(diào)頻電機(jī)；矢量控制；MatLab/Simulink；仿真試驗(yàn)

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，建在江河湖泊上的電力排灌站數(shù)量眾多，在拖動(dòng)風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)中，大功率電動(dòng)機(jī)在數(shù)量上占20%，但在容量上卻占80%以上，目前仍有不少泵站還在使用著不調(diào)速的交流電機(jī)，大量的電能被白白浪費(fèi)掉了[1]。若采用普通的變頻調(diào)速，將變頻器接于定子側(cè)，不但要求變頻容量需接近或超過電機(jī)全功率，而且由于泵站電機(jī)定子采用高壓供電，需選用高壓變頻器，采用恒壓頻比控制時(shí)，電壓還可能超過電網(wǎng)電壓，調(diào)速很難實(shí)現(xiàn)。

本文提出了一種繞線電機(jī)雙饋?zhàn)冾l調(diào)速方案，調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)定子接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)接變頻器。由于變頻器只處理轉(zhuǎn)差功率，而泵站使用的電機(jī)一般為多極低速電機(jī)，要求的調(diào)速范圍不大(多數(shù)<±10%同步轉(zhuǎn)速)，因此可大大減小變頻器容量，顯著降低成本；雙饋電機(jī)既具有交流異步電動(dòng)機(jī)，又具有交流同步電機(jī)特性，其定子側(cè)無(wú)功功率可按需調(diào)節(jié)，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)高效節(jié)能運(yùn)行[2]。由于雙饋調(diào)速為轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)速，一旦變頻器出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)子短路后電機(jī)還可在額定轉(zhuǎn)速下可靠運(yùn)行，使生產(chǎn)保持連續(xù)性和安全性。將該雙饋調(diào)速方案用于泵站電機(jī)調(diào)速，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)從低同步到超同步運(yùn)行范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，既能實(shí)現(xiàn)降速節(jié)能灌溉(對(duì)應(yīng)電機(jī)“低同步狀態(tài)”)，也能實(shí)現(xiàn)提速排漬(對(duì)應(yīng)電機(jī)“超同步狀態(tài)”)，因此該方案是我國(guó)泵站電機(jī)調(diào)速改造的最佳選擇，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景[3]。

2 雙饋調(diào)速系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

雙饋調(diào)速就是將電能分別饋入繞線電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，其中定子繞組接工頻電源，通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)所接交流電源電壓的頻率、幅值和相位，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的無(wú)功功率[4]。這種雙饋調(diào)速的異步電機(jī)不但可在低同步轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行，而且能在超同步轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行，既可工作在電動(dòng)狀態(tài)，也可工作在發(fā)電狀態(tài)[5]。

雙饋調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)的定子接工頻電網(wǎng)，變頻器和可調(diào)電阻通過開關(guān)KM1和KM2分別接電機(jī)轉(zhuǎn)子，KM1與KM2相并聯(lián)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)KM2閉合，電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)以減小起動(dòng)電流；待轉(zhuǎn)速上升到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)令KM1閉合接入變頻器。

圖1 雙饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the double-fed speed regulation system

本調(diào)速系統(tǒng)中變頻器用來給電機(jī)提供一定幅值、頻率和相位的勵(lì)磁電壓，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)。由于交-交變頻器具有能量轉(zhuǎn)換效率高，能量雙向流動(dòng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，故選用由6個(gè)晶閘管智能模塊構(gòu)成的三相橋式交-交變頻器，不僅價(jià)格低于全控型器件構(gòu)成的變頻器，而且使用晶閘管模塊后，線路簡(jiǎn)單，大大降低了晶閘管觸發(fā)難度，提高了電路工作的可靠性，且在技術(shù)上適應(yīng)我國(guó)泵站工人的維修水平。另外，由于轉(zhuǎn)差頻率一般<10 Hz，變頻器工作于低頻，換流波形好，效率高。

主控制器選用專用于電機(jī)控制領(lǐng)域的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2407A，它接受檢測(cè)電路送來的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)，并在DSP內(nèi)部對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)矢量控制功能。另外，6路SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 波形也是由DSP產(chǎn)生來控制交-交變頻器中的6個(gè)晶閘管模塊。

圖3 系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Block diagram of system control

3 矢量控制原理

在雙饋調(diào)速中主要有“按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向”、“按氣隙磁場(chǎng)定向”和“按定子磁場(chǎng)定向”3種矢量控制方法。定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的M軸放在定子磁鏈Ψ1方向上，此時(shí)定子磁通的T軸分量為0。如果保持定子磁通恒定，轉(zhuǎn)矩就跟T軸電流成正比，轉(zhuǎn)矩公式簡(jiǎn)單，是2個(gè)標(biāo)量之積，而且磁鏈只有一個(gè)分量。因此本文采用基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法。以定子磁鏈Ψ1為定向矢量，在同步旋轉(zhuǎn)的M和T坐標(biāo)系中建立雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下[6]：

UM1=r1iM1+PψM1-ψT1ω1，

(1)

UT1=r1iT1+PψT1+ψM1ω1，

(2)

UM2=r2iM2+PψM2-

ψT2(ω1-ωr) ，

(3)

UT2=r2iT2+PψT2+

ψM2(ω1-ωr)，

(4)

ψM1=L1iM1+LmiM2，

(5)

ψT1=L1iT1+LmiT2，

(6)

ψM2=L2iM2+LmiM1，

(7)

ψT2=L2iT2+LmiT1，

(8)

Tem=np(ψM1iT1-ψT1iM1)。

(9)式中：U,ψ,r和i分別表示電壓、磁鏈、電阻和電流，下標(biāo)中M和T分別表示沿M軸和T軸方向的分量；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；Lm表示定轉(zhuǎn)子間的互感；ω1為電源角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)電角頻率；np為極對(duì)數(shù)；L1,L2分別表示定子和轉(zhuǎn)子繞組的自感；下標(biāo)1和2分別對(duì)應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子側(cè)。

該矢量控制系統(tǒng)的矢量圖如圖2所示，它由定子側(cè)以ω1旋轉(zhuǎn)的M,T坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子側(cè)以ωr旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系組成(設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的參考軸與定子A相的基準(zhǔn)軸α重合)。

圖2 矢量圖Fig.2 Vector diagram

由于M軸與Ψ1同向，則ψ1=ψM1，ψT1=0，

由式(5)、式(6)可得：

(10)

(11)

將式(10)代入式(9)可得

Tem=np(ψM1iT1-ψT1iM1)=-npψM1LmiT2/L1。

(12)

所以當(dāng)定子磁鏈保持不變時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的T軸分量即可控制轉(zhuǎn)矩從而控制轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)控制框圖

雙饋調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖中功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速是外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。將功率因數(shù)的給定值與反饋值比較后得到的偏差值傳送到功

圖5 矢量轉(zhuǎn)換仿真總圖Fig.5 General chart of vector conversion simulation

率因數(shù)調(diào)節(jié)器，經(jīng)計(jì)算后得到轉(zhuǎn)子電流無(wú)功分量的期望值iM2﹡，給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，經(jīng)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電流有功分量的期望值iT2﹡，經(jīng)2r/3s的坐標(biāo)變換后得到轉(zhuǎn)子三相電流的給定值ia2﹡，ib2﹡和ic2﹡，分別與實(shí)際轉(zhuǎn)子電流值比較后送到電流調(diào)節(jié)器，由電流調(diào)節(jié)器的輸出去觸發(fā)6個(gè)晶閘管模塊，從而控制變頻器的輸出。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序采用TMS320LF2407A的C語(yǔ)言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由初始化程序、主程序(循環(huán)等待執(zhí)行)和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，首先執(zhí)行初始化程序，主要完成對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)相應(yīng)寄存器的初始化、DSP片內(nèi)外設(shè)的配置、變量賦初值等任務(wù)，為其后控制程序正確執(zhí)行做準(zhǔn)備。

圖4 主程序流程Fig.4 Flow chart of main progran

控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示，它是個(gè)循環(huán)等待中斷的過程，完成的功能相對(duì)簡(jiǎn)單。進(jìn)入主程序后首先將中斷關(guān)閉，然后進(jìn)行故障判斷，有故障則轉(zhuǎn)到屏蔽PWM輸出并中止主程序，沒有故障則進(jìn)入循環(huán)中斷等待狀態(tài)。一旦有中斷發(fā)生，則按照中斷信號(hào)級(jí)別的高低來轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序之后又返回到主程序。

6 系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果

本文在Matlab軟件仿真環(huán)境中采用Simulink界面模塊對(duì)該雙饋調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，所用三相繞線電機(jī)的主要參數(shù)為：額定功率PN=10 kW，額定電壓UN=380 V，額定轉(zhuǎn)速nN=1 440 r/min，極對(duì)數(shù)np=2，cosN=0.81，ηN=82.5%。

圖6 給定轉(zhuǎn)速突變時(shí)定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形Fig.6 Waveforms of stator current, rotational speed and torque on the condition of abrupt change of given rotational speed

調(diào)速系統(tǒng)矢量變換部分的Simulink仿真圖如圖5所示。采用Simulink軟件根據(jù)圖3所示的矢量控制框圖對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)建立仿真模型，電機(jī)帶額定負(fù)載，t=0 s時(shí)給定轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，t=l s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)? 430 r/min，電機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形分別如圖6所示。

由圖6可看出，當(dāng)t=1 s電機(jī)給定轉(zhuǎn)速發(fā)生突變后，實(shí)際轉(zhuǎn)速能很快由原來的1 150 r/min上升到新的給定轉(zhuǎn)速即1 430 r/min，響應(yīng)迅速；而且電機(jī)給定轉(zhuǎn)速突變后定子電流響應(yīng)時(shí)間也很短，說明定子電流受轉(zhuǎn)速變化的影響較??；電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí),轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化過程快，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變又快速恢復(fù)，表明調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過渡速度較快，避免了較大的擾動(dòng)對(duì)電流波形的影響，從而減小了電流諧波。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于DSP的采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制雙饋調(diào)速系統(tǒng)，給出了調(diào)速系統(tǒng)控制框圖及其控制部分主程序流程圖，并用MatLabSimulink軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明該矢量控制調(diào)速系統(tǒng)定子電流諧波小，控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有較穩(wěn)定的運(yùn)行性能。而且該雙饋調(diào)速系統(tǒng)中變頻器僅處理轉(zhuǎn)差功率，可用較小容量的變頻器對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載能夠較好地滿足節(jié)能和擴(kuò)容改造2個(gè)方面的需求，再加上成本較低，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

[1] 李永東．高性能大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(2)：1-10.

[2] 王曉晨，李紅梅，孫鳳香．基于矢量控制的礦井提升機(jī)交流雙饋調(diào)速系統(tǒng)[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(10)：1424-1429．

[3] 沈 睿．基于DSP的雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究[D]．武漢:湖北工業(yè)大學(xué)，2007.1.

[4] 陳 健，趙 磊，楊彥杰，等. 一種新型的雙饋電機(jī)的矢量控制方法[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(7)：24-25．

[5] 李永亮，趙 飛，王殿俊. 雙饋電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及仿真[J]．機(jī)電元件，2011，(6)：47-50.

[6] 李文杰，李 梅，朱一凡. 提升機(jī)基于雙饋調(diào)速的研究[J]．煤礦機(jī)械，2010，31(7): 40-42.

[7] 張 軍，王彩虹，陳 濤．基于雙變量交-交變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)的研究[J]．礦山機(jī)械，2006，34(1)：92-93．

(編輯：黃 玲)

Doubly-fed Speed Regulation Applied in Motorof Pumping Station

LI Jin

(School of Mechanical & Electrical Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099，China)

The alternating current dynamo with invariable speed is used in many pumping stations at present, which wastes lots of electric energy, but the common speed regulation is relatively difficult due to the high-voltage. In order to solve the problem above，we provided a doubly-fed speed regulation system. An AC/AC cycloconverter was taken as main circuit, and the vector control of stator magnetic field orientation was adopted in this system. Besides，we provided the block diagram and flow chart of main program for control part of the system, and simulated the overall system by MatLab/Simulink, and obtained the simulation waveform. The simulation results indicate that the speed regulation system has small harmonic stator current, high control precision, quick dynamic response and stable working performance. In addition, the capability of frequency converter can be decreased largely and the costs are reduced dramatically with limited speed range, so the system has broad application prospect in the speed regulation of pumping station motor.

doubly-fed speed regulation；motor with frequency modulation；vector control；MatLab/Simulink；simulation test

2014-08-02；

2015-01-28

李 瑾(1974-)，女，湖北武漢人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮樱?電話)13027220617(電子信箱)meimei9022@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20140634

2016,33(01):147-150

TM343

A

1001-5485(2016)01-0147-04