发电厂用异步电机双闭环矢量控制系统案例分析 摘要：研究了一种发电厂用转速、磁链双闭环控制的异步电机矢量控制系统，分析了其工作原理，并对 滞环电流控制P逆变器的工作原理进行了深入分析。建立了带转矩内环的转速、磁链双闭环异步电机 矢量控制系统的仿真模型，分析了建模过程，给出了系统的仿真参数。依据仿真波形，详细分析了系统 空载、带载运行过程中的主要动态过程，仿真实验结果表明：所设计系统能够有效抑制负载的扰动，且 能保证电机稳速运行。 关键词：异步电机：矢量控制：转矩：滞环控制 Research on Double Closed-loop Vector Control System of Asynchronous Motor in Power Plant contro system for asynch ous motor with closed-loop speed and fu linkage co flux linkage double closed-loop with torque inner loop is established.The modeling process is analyzed and the simulation parameters I the syst n are given ording to the simulation wa s.the ed st em nd ca realize the constant-current speed rising process and ensure the steady operation of the motor in steady state. Key words:asynchronous motor,vector control;torque,hysteresis control 0案例研究思维导图 1案例说明 2转速磁链双闭环矢量控制系统的原理分析 异步电机双用环 矢量控制系统案例 、3电流滞环PWM控制器隙理分析 4.1仿真模型的建立 」系统建模与参影设置 、5系统仿真验证 4.2仿真参数设置 6结论 参考文献 1案例说明 发展的一项重要战略川，同时也具有复杂性 我国对节约能源越来越重视，异步电机 和紧迫性，而且，近年来电机系统的高效、 的节能、高效运行也是我国经济发展与社会 节能运行也被列为我国的重点工程。 笼型异步电动机在各类发电厂中具有非
发电厂用异步电机双闭环矢量控制系统案例分析 摘要：研究了一种发电厂用转速、磁链双闭环控制的异步电机矢量控制系统，分析了其工作原理，并对 滞环电流控制 PWM 逆变器的工作原理进行了深入分析。建立了带转矩内环的转速、磁链双闭环异步电机 矢量控制系统的仿真模型，分析了建模过程，给出了系统的仿真参数。依据仿真波形，详细分析了系统 空载、带载运行过程中的主要动态过程，仿真实验结果表明：所设计系统能够有效抑制负载的扰动，且 能够实现恒流升速过程，稳态时能保证电机稳速运行。 关键词：异步电机；矢量控制；转矩；滞环控制 Research on Double Closed-loop Vector Control System of Asynchronous Motor in Power Plant Abstract: A vector control system for asynchronous motor with closed-loop speed and flux linkage control is introduced and analyzed in this paper. The working principle the inverter under hysteresis current control is analyzed simultaneously. The simulation model of the vector control system based on speed and flux linkage double closed-loop with torque inner loop is established. The modeling process is analyzed and the simulation parameters of the system are given. According to the simulation waveforms, the main dynamic processes in the no-load and on-load operation of the system are analyzed in detail. The simulation results show that the designed system can effectively suppress the disturbance from the load, and can realize the constant-current speed rising process and ensure the steady operation of the motor in steady state. Key words: asynchronous motor; vector control; torque; hysteresis control 0 案例研究思维导图 发电厂用 异步电机双闭环 矢量控制系统案例 1 案例说明 2 转速磁链双闭环矢量控制系统的原理分析 4 系统建模与参数设置 3 电流滞环PWM控制器原理分析 4.1 仿真模型的建立 4.2 仿真参数设置 6 结论 参考文献 5 系统仿真验证 1 案例说明 我国对节约能源越来越重视，异步电机 的节能、高效运行也是我国经济发展与社会 发展的一项重要战略 [1]，同时也具有复杂性 和紧迫性，而且，近年来电机系统的高效、 节能运行也被列为我国的重点工程。 笼型异步电动机在各类发电厂中具有非
常重要的作用，例如一次风机用异步电机 在控制的过程中，仍然是以建立的等效直流 送风机电机，磨煤机电机等，异步电机具有 电动机的模型为控制对象，并按照转子磁链 环境适应力强、成本较低、结构简单和容易 进行准确的定向与控制，这样就能让三相异 制造等特点，因此异步电机的高效、节能运 步电动获得优良的静动态性能。 行关系到发电厂相关的生产过程，同时也关 对于传统的按转子磁链定向的矢量控制 系到发电厂生产的业绩。 系统，转速闭环控制虽然能够通过调节电济 对于异步电机的驱动控制技术，目前在 转矩分量，实现因转子磁链波动引起的电磁 电厂中主要体现在风机、泵类等系统的节能 转矩的变化，但是这种调节只有当异步由机 调速运行方面，但是这种节能控制技术主要 的转速发生变化以后才能起抗扰作用， 为 采用基于异步电机稳态数学模型的变压变 改善动态性能，本文基于传统控制策略引 频调速模式。目前我国电厂的各类异步电机 了转矩控制方式。 的实际运行效率相对国外较低，而且耗电量 所提出的带转矩内环的转速、磁链双闭 巨大☒ 这就使得异步电机的节能、高效运 环矢量控制系统如图1所示。图1 中主电路 行日益成为研究热点。本文研究了 一种电 部分采用交-直-交三相PWM逆变器作为变 用异步电机的转速、磁链双闭环矢量控制系 频主电路，逆变器的控制器采用三相电流滞 统，能够实现电机的稳速运行，为了改善动 环WM箭路在制系结中，平用 态性能 引入转矩控制方式。由于采用了转 个PI调节器， 和传统控制系统相比B 矩内环控削和三相电流滞环PWM控制策 在转谏周节器ASR之后增加了 一个转矩轻 略，能让电机在稳态运行时，保证PWM递 制内环，在能有效控制转谏的同时，实现对 变器输出三相正弦电流， ”实现异步电机输入 相异步电机电磁转矩的无静差控制[6刀」 三相平衡的正弦电流，保证异步电机能产生 当转子磁链发生波动时， 可以通过转矩调节 恒定的申磁转矩 器ATR及时调整电流转矩分量给定值，以 所研究案例为：带转矩内环的转速磁链 纸消转子磁链变化的影响，尽可能不影向或 双闭环三相异步电动机矢量控制系统， 者少影响异步电机的转速。由于转子磁链扰 异步电机参数为：380V,50Hz,极对数np=2, 动作用点位于转矩环内，所以可以通过转知 R,=0.4352,L,=0.002H,R,=0.4352, 反馈来实现对转子磁裤被动的仰制，而不 L=0.002H,Lm-0.069H,J0.19kgm2 需要再通讨转速环来实现磁浒被动的抑制。 L=0.071H, T,=0.087s 转速调节器ASR的限幅输出值T是转矩调 2转速磁链双闭环矢量控制系统的原 节器的输入给定值，而转矩的号一路输入信 理分析 ,即转矩反馈信号T来源于矢量控制方程 矢量控制是截至目前为止三相异步电机 交流调速最先进、性能最好的控制方式，通 (1) 常将含有矢量变换控制的 异步电动机 的控制系统统称为矢量控制系统。实际上， m,人L sin HH ASR ATR 2r3 FBS 逆变器 ApsiR 田1控制系统原理
常重要的作用，例如一次风机用异步电机， 送风机电机，磨煤机电机等，异步电机具有 环境适应力强、成本较低、结构简单和容易 制造等特点，因此异步电机的高效、节能运 行关系到发电厂相关的生产过程，同时也关 系到发电厂生产的业绩。 对于异步电机的驱动控制技术，目前在 电厂中主要体现在风机、泵类等系统的节能 调速运行方面，但是这种节能控制技术主要 采用基于异步电机稳态数学模型的变压变 频调速模式。目前我国电厂的各类异步电机 的实际运行效率相对国外较低，而且耗电量 巨大 [2]，这就使得异步电机的节能、高效运 行日益成为研究热点。本文研究了一种电厂 用异步电机的转速、磁链双闭环矢量控制系 统，能够实现电机的稳速运行，为了改善动 态性能，引入转矩控制方式。由于采用了转 矩内环控制和三相电流滞环 PWM 控制策 略，能让电机在稳态运行时，保证 PWM 逆 变器输出三相正弦电流，实现异步电机输入 三相平衡的正弦电流，保证异步电机能产生 恒定的电磁转矩。 所研究案例为：带转矩内环的转速磁链 双闭环三相异步电动机矢量控制系统。三相 异步电机参数为：380V，50Hz，极对数 np=2， Rs=0.435 Ω ， Lls=0.002H,Rr=0.435 Ω ， Llr=0.002H ， Lm=0.069H ， J=0.19kg·m2 ， Lr=0.071H，Tr=0.087s。 2 转速磁链双闭环矢量控制系统的原 理分析 矢量控制是截至目前为止三相异步电机 交流调速最先进、性能最好的控制方式，通 常将含有矢量变换控制的三相异步电动机 的控制系统统称为矢量控制系统。实际上， 在控制的过程中，仍然是以建立的等效直流 电动机的模型为控制对象，并按照转子磁链 进行准确的定向与控制，这样就能让三相异 步电动获得优良的静动态性能 [2]。 对于传统的按转子磁链定向的矢量控制 系统，转速闭环控制虽然能够通过调节电流 转矩分量，实现因转子磁链波动引起的电磁 转矩的变化，但是这种调节只有当异步电机 的转速发生变化以后才能起抗扰作用，为了 改善动态性能，本文基于传统控制策略引入 了转矩控制方式。 所提出的带转矩内环的转速、磁链双闭 环矢量控制系统如图 1 所示。图 1 中主电路 部分采用交-直-交三相 PWM 逆变器作为变 频主电路，逆变器的控制器采用三相电流滞 环 PWM 控制策略。在控制系统中，采用了 三个 PI 调节器，和传统控制系统相比 [3-5]， 在转速调节器 ASR 之后增加了一个转矩控 制内环，在能有效控制转速的同时，实现对 三相异步电机电磁转矩的无静差控制 [6-7] 。 当转子磁链发生波动时，可以通过转矩调节 器 ATR 及时调整电流转矩分量给定值，以 抵消转子磁链变化的影响，尽可能不影响或 者少影响异步电机的转速。由于转子磁链扰 动作用点位于转矩环内，所以可以通过转矩 反馈来实现对转子磁链波动的抑制 [8]，而不 需要再通过转速环来实现磁链波动的抑制。 转速调节器 ASR 的限幅输出值 * Te 是转矩调 节器的输入给定值，而转矩的另一路输入信 号，即转矩反馈信号Te来源于矢量控制方程 p m e st r r n L T i L = ψ (1) 图 1 控制系统原理
式中：刀为电磁转矩，n,为极对数，L为 的输出电流减小或者增加，进而能将实际的 两相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感 输出电流值与给定电流值的偏差 空制在 值，i,为异步电机经3s/2r变换后得到的定 定误差范围内，下面以单相（或者单桥臂） 子电流的转矩分量，以，为异步电机转子磁 为例进行说明，其工作原理如图2(a)所示。 链，L,为两相坐标系上转子绕组的自感 图2(a)中开关管VT1和开关管VT2 值川。 图1中的磁链调节器ApsiR用于对异步 片地 电机定子磁链的控制，并设置了相应的电流 变换和磁链观测环节，磁链按照矢量控制方 程式(2)来进行计算与控制。 1 (2) 式中：工为异步电机转子电磁时间常数 T=L/R,其中R为折算到定子侧的转子 (a)原理 相绕组电阻值，i为异步电机经3s/2r变 换后得到的定子电流的励磁分量山。 261 异步电机的转差角频率满足 0.=0-0= T (3) 式中：o,是异步电机的转差角频率，@，是定 子频率，0是转子角速度。通过矢量控制方 程(3)可以计算出异步电机的转差角频率 和定子频率，且，=0+0，。 (b)驱动电路与脉冲波形 转矩调节器ATR和磁链调节器ApsiR 的输出分别是异步电机定子电流的转矩分 图2滞环控制原理 量给定值和励磁分量的给定值，给定值 组成PWM逆变器的一相桥臂，L是其感性 和经过2/3s(两相旋转坐标系/三相静 负载，实时检测负载电流并与参考电流给 止坐标系)变换后得到三相定子电流的给定 定值讲行比较，将由流偏差信号△三- 值、和，通过三相电流滞环跟踪PWM 送入滞环控制器H1和H2,当偏差信号△超 控制逆变器之后就可以控制异步电机的三 过滞环控制器的环宽△时，则改变PWM逆 相定子电流[，从而实现对异步电机的调速 变器的开关状态，且当开关管VT1导通时， 控制，进而能有效地拖动电厂风机或者其他 相当于电感储能，电路中的负载电流增加， 开关管VT2导通时， 电路中的负载电流减 相关负载运行。 3电流滞环PWM控制器原理分析 小。其脉冲驱动波形和电流波形如图2(b) 所示，在1时刻，开关管VT1导通，电路中 电流滞环PWM控制技术可以使PWM 逆变器的输出电流实时跟踪给定电流的波 的负载电流1开始增加，直至，时刻， 形变化而近似呈现正弦波，是一种PWM控 i>i+△,开关管VT1关断而开关管VT2 制方式。常用的电流滞环PWM控制技术 导通，电路中的负载电流开始下降，至1，时 般采用滞环控制，即：当逆变器实际的输 刻， i<i'-,，开关管VT2关断而开关管 出电流值与给定电流值（参考电流信号， VT1导通。如此周而复始，PWM逆变器实 船为正核波)的信差招讨某一个值时，系 际的输出电流值i将跟随给定正弦电流值 统改变逆变器的工作状态，使PWM逆变器 而做锯齿形变化，滞环控制器的环宽2△决
式中：Te 为电磁转矩， p n 为极对数， Lm 为 两相坐标系上同轴定、转子绕组间的互感 值， st i 为异步电机经 3s/2r 变换后得到的定 子电流的转矩分量，ψ r 为异步电机转子磁 链， Lr 为两相坐标系上转子绕组的自感 值 [9-11] 。 图 1 中的磁链调节器 ApsiR 用于对异步 电机定子磁链的控制，并设置了相应的电流 变换和磁链观测环节，磁链按照矢量控制方 程式（2）来进行计算与控制。 m 1 = 1 rm s r L i T s ψ⋅ ⋅ + (2) 式中：Tr 为异步电机转子电磁时间常数， TLR r mr = ，其中 Rr 为折算到定子侧的转子 一相绕组电阻值， smi 为异步电机经 3s/2r 变 换后得到的定子电流的励磁分量 [10-11] 。 异步电机的转差角频率满足 1 m s st r r L i T ω ωω ψ = −= (3) 式中：ωs 是异步电机的转差角频率，ω1是定 子频率，ω 是转子角速度。通过矢量控制方 程（3）可以计算出异步电机的转差角频率ωs 和定子频率ω1，且ωωω 1= + s 。 转矩调节器 ATR 和磁链调节器 ApsiR 的输出分别是异步电机定子电流的转矩分 量给定值 * st i 和励磁分量的给定值 * smi ，给定值 * st i 和 * smi 经过 2r/3s（两相旋转坐标系/三相静 止坐标系）变换后得到三相定子电流的给定 值 * sa i 、* sb i 和 * sc i ，通过三相电流滞环跟踪 PWM 控制逆变器之后就可以控制异步电机的三 相定子电流 [10] ，从而实现对异步电机的调速 控制，进而能有效地拖动电厂风机或者其他 相关负载运行。 3 电流滞环 PWM 控制器原理分析 电流滞环 PWM 控制技术可以使 PWM 逆变器的输出电流实时跟踪给定电流的波 形变化而近似呈现正弦波，是一种 PWM 控 制方式。常用的电流滞环 PWM 控制技术一 般采用滞环控制 [11] ，即：当逆变器实际的输 出电流值与给定电流值（参考电流信号，一 般为正弦波）的偏差超过某一个数值时，系 统改变逆变器的工作状态，使 PWM 逆变器 的输出电流减小或者增加，进而能将实际的 输出电流值与给定电流值的偏差控制在一 定误差范围内，下面以单相（或者单桥臂） 为例进行说明，其工作原理如图 2（a）所示。 图 2（a）中开关管 VT1 和开关管 VT2 （a）原理 （b）驱动电路与脉冲波形 图 2 滞环控制原理 组成 PWM 逆变器的一相桥臂，L 是其感性 负载，实时检测负载电流i 并与参考电流给 定值 * i 进行比较，将电流偏差信号 * ∆= − ii i 送入滞环控制器 H1 和 H2，当偏差信号 ∆i 超 过滞环控制器的环宽 ∆I 时，则改变 PWM 逆 变器的开关状态，且当开关管 VT1 导通时， 相当于电感储能，电路中的负载电流增加， 开关管 VT2 导通时，电路中的负载电流减 小。其脉冲驱动波形和电流波形如图 2（b） 所示，在 1 t 时刻，开关管 VT1 导通，电路中 的负载电流 i 开始增加 ，直至 2t 时 刻 ， * ii I > +∆ ，开关管 VT1 关断而开关管 VT2 导通，电路中的负载电流i 开始下降，至 3t 时 刻， * ii I < −∆ ，开关管 VT2 关断而开关管 VT1 导通。如此周而复始，PWM 逆变器实 际的输出电流值i 将跟随给定正弦电流值 * i 而做锯齿形变化，滞环控制器的环宽 2 ∆I 决
定了锯齿形变化的范围，而且环宽2△越 小，PWM逆变器输出电流的跟踪效果越好 但是相应PWM逆变器的开关频率也就越 上出来3个物理量i、i和，由于不需要 高，开关损耗相应也会增加，所以，在电流 0轴的物理量，所以将其封锁，im即为d 跟踪型滞环PWM控制逆变器中选择合适的 轴的动磁由流分量，乘以1=0069H.再乘 环宽2△1非常重要。 以(T,s+),就得到转子磁链Ψ，在函数 4系统建模与参数设置 模块Fcnl中，0.0693是Lm的数值，1)是i 所建立的带转矩内环转速、磁链双闭环 信号，2)是平信号，0.0874是T的数值 三相异步电动机矢量控制系统如图3所示。 由干))是转子链信号，位是一个变品 系统的主要仿真参数如表1所示。图3中电 为了防止在仿真过程中出现传递函数分母 流跟踪控制环节采用三相电流滞环PWM抖 为0而使仿真过程终止，在分母中专门加了 制技术，环宽设为0.95。图3中，逆变器模 -个很小的数值1e-3,即0.001。Fcnl模块 块采用IGBT/Diode,其他参数取默认值， 回 2-0.060-vtp2V0.07 图3带转矩内环的转速磁链双闭环三相异步电动机矢量控制系统仿真模型 sin cos d abc to da0 2 sin 69.31e3uf1u2r0.0874+1e3) 2 图4电流变换与磁链观测仿真棋型
定了锯齿形变化的范围，而且环宽 2 ∆I 越 小，PWM 逆变器输出电流的跟踪效果越好， 但是相应 PWM 逆变器的开关频率也就越 高，开关损耗相应也会增加，所以，在电流 跟踪型滞环 PWM 控制逆变器中选择合适的 环宽 2 ∆I 非常重要。 4 系统建模与参数设置 所建立的带转矩内环转速、磁链双闭环 三相异步电动机矢量控制系统如图 3 所示。 系统的主要仿真参数如表 1 所示。图 3 中电 流跟踪控制环节采用三相电流滞环 PWM 控 制技术，环宽设为 0.95。图 3 中，逆变器模 块采用 IGBT/Diode，其他参数取默认值， Current model 是电流变换与磁链观测仿真 模型，其电路模型如图4所示，图中从 Demux 上出来 3 个物理量 smi 、 st i 和 0 i ，由于不需要 0 轴的物理量 0 i ，所以将其封锁， smi 即为 d 轴的励磁电流分量，乘以 Lm=0.069H，再乘 以1 ( 1) T sr + ，就得到转子磁链 Ψr ，在函数 模块 Fcn1 中，0.0693 是 Lm的数值，u(1)是 st i 信号，u(2)是Ψr 信号，0.0874 是 Tr的数值， 由于 u(2)是转子磁链信号，它是一个变量， 为了防止在仿真过程中出现传递函数分母 为 0 而使仿真过程终止，在分母中专门加了 一个很小的数值 1e-3，即 0.001。Fcn1 模块 图 3 带转矩内环的转速磁链双闭环三相异步电动机矢量控制系统仿真模型 图 4 电流变换与磁链观测仿真模型
表1系统的主要仿真参数 出了三相异步电机的实时转速、电流和转矩 参数 的仿真波形 。图5(d) 图5(e)和图5(f 模块 380V,50Hz,极对数n。=2, 分别给出了三相异步电机矢量控制系统中 R,-0.4350, 三个PI调节器即：转速调节器(ASR)、转 三相异 L=0.002H 矩调节器(ATR)和磁链调节器(ApsiR) 步电机 R,=0.4352,L-=0.002H 的输出仿真波形。从图(a)中可以看出 Lm=0.069H,J-0.19kgm2 三相异步电机在矢量控制和滞环电流跟踪 L=0.071H,T.=0.087s 控制的作用下，电机的转速能够实现平稳上 ASR Kpl=3.8,Ki1=0.8, 升。在到达0.35s时，三相异步电机的转速 1限幅：±80，P限幅：±75 Kp2=45,Ki2=12, 上升至给定转速n-1400r/min，实现了输 ATR 出对命入的无静差跟踪。而日在06s电机加 1限幅：±60，PI限幅：±60 载55Nm(额定负载为60Nm)时，电机的 ApsiR Kp3=1.8,Ki3=100, 转速略有下降，但能基本维持在1400r/min I限幅：+15.p限幅：+13 左右，实现了转速的无静差调节。 转子磁链观测 Lm0.069H,L,=0.071H, 电流模型 T,=0.087s 1500 转矩计算Fcn n.=2,L=0.0693H,L=0071H 转子磁链给定 Pim=1.5 转速给定n* ne=1400 的输出就是转差频率®，同转速信号相加 就成为定子频率信号。，对其积分后，即可 os 1/s 得到旋转相位角信号。进而可以设置sin和 (a)异步电机的转速响应 cos信号。 为了抑制电磁转矩T和电机转子磁链的 相互耦合，在图3所示仿真模型中设置了 数模块Fcn,其中2是极对数，0.0693是L 的数值，(1)是转子磁链信号，(2)是i信号， 它的输出就是异步电机的转矩输出信号： 由于从电机检测端m出来的转速信号单 位为弧度，采用Gain模块并取值为 601(2π)=9.55，将其变换为单位为rmin的 05 转速信号，连接至ASR的输入端口，转速 b)异步电机的A相电滴 调节器(ASR)、转矩调节器(ATR)和磁链 调节器(ApsiR)均采用带饱和限幅的PI调 节器，并分别对其积分环节和PI环节的输 出进行限幅，限幅值如表1所示。 5系统仿真验证 假设三相异步电机空载状态下启动，并 令转速给定值m=l400r/min, 系统空载肩 1/s 动并达到稳定后，在0.6s电机加载60Nm, (⊙)异步电机的电磁转矩T。 系统的仿真波形如图5所示。 图5(a)、图5(b)和图5(c)分别给
表 1 系统的主要仿真参数 模块 参数 三相异 步电机 380V，50Hz，极对数 np=2， Rs=0.435 Ω ，Lls=0.002H, Rr=0.435 Ω ，Llr=0.002H， Lm=0.069H，J=0.19kg·m2 ， Lr=0.071H，Tr=0.087s ASR Kp1=3.8，Ki1=0.8， I 限幅：±80，PI 限幅：±75 ATR Kp2=4.5，Ki2=12， I 限幅：±60，PI 限幅：±60 ApsiR Kp3=1.8，Ki3=100， I 限幅：±15，PI 限幅：±13 转子磁链观测 电流模型 Lm=0.069H，Lr=0.071H， Tr=0.087s 转矩计算 Fcn np=2，Lm=0.0693H，Lr=0.071H 转子磁链给定 Psirg =1.5 转速给定 n* ng =1400 的输出就是转差频率ωs ，同转速信号相加， 就成为定子频率信号ω1，对其积分后，即可 得到旋转相位角信号。进而可以设置 sin 和 cos 信号。 为了抑制电磁转矩 Te和电机转子磁链的 相互耦合，在图 3 所示仿真模型中设置了函 数模块 Fcn，其中 2 是极对数，0.0693 是 Lm 的数值，u(1)是转子磁链信号，u(2)是 st i 信号， 它的输出就是异步电机的转矩输出信号 Te。 由于从电机检测端 m 出来的转速信号单 位为弧度，采用 Gain 模块并取值为 60 / (2 ) 9.55 π = ，将其变换为单位为 r/min 的 转速信号，连接至 ASR 的输入端口，转速 调节器（ASR）、转矩调节器（ATR）和磁链 调节器（ApsiR）均采用带饱和限幅的 PI 调 节器，并分别对其积分环节和 PI 环节的输 出进行限幅，限幅值如表 1 所示。 5 系统仿真验证 假设三相异步电机空载状态下启动，并 令转速给定值 * n r =1400 / min ，系统空载启 动并达到稳定后，在 0.6s 电机加载 60N·m， 系统的仿真波形如图 5 所示。 图 5（a）、图 5（b）和图 5（c）分别给 出了三相异步电机的实时转速、电流和转矩 的仿真波形。图 5（d）、图 5（e）和图 5（f） 分别给出了三相异步电机矢量控制系统中 三个 PI 调节器即：转速调节器（ASR）、转 矩调节器（ATR）和磁链调节器（ApsiR） 的输出仿真波形。从图（a）中可以看出， 三相异步电机在矢量控制和滞环电流跟踪 控制的作用下，电机的转速能够实现平稳上 升。在到达 0.35s 时，三相异步电机的转速 上升至给定转速 * n r =1400 / min ，实现了输 出对输入的无静差跟踪。而且在 0.6s 电机加 载 55N·m（额定负载为 60N·m）时，电机的 转速略有下降，但能基本维持在1400 / min r 左右，实现了转速的无静差调节。 t / s n/(r/min) (a)异步电机的转速响应 t / s isa/A (b) 异步电机的 A 相电流 t / s Te/(N·m) (c) 异步电机的电磁转矩 Te
05 tis (d)矢量控制系统中ASR输出 h)异步电机的三相定子电流 图5异步电机转速磁链双闭环矢量控制系统的仿真波形 由图5(d)、图5(e)和图5(f)可知 在起动过程中，转速调节器(ASR)、转矩 调节器(ATR)和磁链调节器(ApsiR)均 处于饱和限幅状态，他们的输出值均为相应 的饱和限幅值，由此可以保证三相异步电机 定子电流的电磁转矩T,和励磁电流分量都 t/s 保持为最大值且恒定不变。所以，系统在经 过两相旋转坐标系到三相静止坐标系 (e)失量控制系统中ATR输出 (2/3s)的变换后，得到的三相滞环电流控 制PWM逆变器的定子电流给定值i*、i来 和i*比较平稳， 如图5(g) 所示 从而能 保证异步电机在起动过程中，电机的三相定 子电流基本保持不变，如图5(b)所示为A 相由流，图5(h)为二相定子由流，由出可 以，系统实 了恒流升速起动。 从图5 (e 所示异步电机起动过程中的转矩波形来看， 在异步电机空载起动时的转矩波动较大，说 明磁链参数还有进一步优化的空间。 (O矢量控制系统中ApsiR输出 05 0. (g)经2/3s变换后的三相电流给定信号 a/Wb 图6异步电机的定子磁链仿真轨迹
t / s Te1*/(N·m) (d) 矢量控制系统中 ASR 输出 t / s ist*/A (e) 矢量控制系统中 ATR 输出 t / s ism*/A (f) 矢量控制系统中 ApsiR 输出 t / s isa*/A、isb*/A、isc*/A (g) 经 2r/3s 变换后的三相电流给定信号 t / s isa A/ 、isb/A、isc/A (h) 异步电机的三相定子电流 图 5 异步电机转速磁链双闭环矢量控制系统的仿真波形 由图 5（d）、图 5（e）和图 5（f）可知， 在起动过程中，转速调节器（ASR）、转矩 调节器（ATR）和磁链调节器（ApsiR）均 处于饱和限幅状态，他们的输出值均为相应 的饱和限幅值，由此可以保证三相异步电机 定子电流的电磁转矩 Te和励磁电流分量都 保持为最大值且恒定不变。所以，系统在经 过两相旋转坐标系到三相静止坐标系 （2r/3s）的变换后，得到的三相滞环电流控 制 PWM 逆变器的定子电流给定值 isa*、isb* 和 isc*比较平稳，如图 5（g）所示，从而能 保证异步电机在起动过程中，电机的三相定 子电流基本保持不变，如图 5（b）所示为 A 相电流，图 5（h）为三相定子电流，由此可 以，系统实现了恒流升速起动。从图 5（c） 所示异步电机起动过程中的转矩波形来看， 在异步电机空载起动时的转矩波动较大，说 明磁链参数还有进一步优化的空间。 Ψrd / Wb Ψrq / Wb 图 6 异步电机的定子磁链仿真轨迹
1500 磁转矩和比较光滑的圆形旋转磁场轨迹。 3)由于采用了转矩闭环控制，和传统 的矢量控制相比，转矩调节器能对转子磁链 的波动起及时抗扰作用，有效地改善了系统 的动态性能。 4)最后给出的静特性曲线也较好地说 6080 100 120 明了系统的抗干扰能力。 Tel(Nm) 5)系统的不足之处在于：当异步电机 空载起动时的转矩波动较大，说明磁链参数 国7异步电机的机械特性仿真曲线 还可以进一步进行优化。 图6和图7分别是矢量控制三相异步电 动机的定子磁链轨迹和静特性（闭环系统叫 参考文献 转速与转转矩的关系)的仿真波形，在起动 火电厂中的应用 时，异步电机磁链呈现螺旋增加状态，而且 电力 18, [21 北 动控 这种螺旋增加的过程相对比较均匀、光滑， 业出 2010 但是受到磁链调节器 ApsiR)PI调节参 佳 的影响，磁链增加的过程比较漫长，从而使 2008 12/21-160.163 图7所示异步电机机械特性曲线中的恒转矩 升速阶段(AB段)相对偏小。 [4.纪志成，薛花，沈艳霞.基于Matlab交流异步 电机矢量控制系统的仿真建模).系统仿真学 6结语 报，2004,16(3)384-389 本文研究了一种电厂用异步电机转速、 [).毛晓英，罗文广 基于MATLAB/SIMULINK 磁链双闭环矢量控制系统，在分析其主控电 的异步电动机矢量控制调速系统仿真).东北 路结构与工作原理的基础上，以单相桥臂为 [6. 电技术 2004(014-16 例，研究了 相电流滞环PWM控制策略。 Matlab/Simulin 的异艺 建立了带转矩内环的转速、磁链双闭环异步 电机 量控 系统仿真研究).江苏理工学院 电机矢量控制系统的仿直摸型，对照系统原 2008.1) [ :的异步电动机矢量控制 理框图，分析了各个主要仿真模块及其参数 真研究)自动化与仪器仪表，2014，(10) 的设置。 仿直结里旧 1)异步电机带载运行时，能够有效抑 [8.朝泽云，康勇，钟和清，等.异步电机矢量控制 制负载的扰动，而且能够实现恒流升速过 系统的建模与仿真).电机与控制应用，2007， 程，进入稳态后能保证电机稳速运行。 (3)11-14 电力电子电机控制系统仿真技术M), 2)由于同时采用了转矩内环控制和三 [9.洪乃刚 相电流滞环PWM控制策略，在保证电机平 [10]洪乃丽 力电 电机 制系统的建模与仿 稳运行的同时，还能保证PWM逆变器输出 三相正弦电流，实现异步电机输入三相平衡 北 仿真M 清华大学出版社20 MATLAB 的正弦电流，保证异步电机能产生恒定的电 北京
n/(r/min) Te/(N·m) B A C 图 7 异步电机的机械特性仿真曲线 图 6 和图 7 分别是矢量控制三相异步电 动机的定子磁链轨迹和静特性（闭环系统中 转速与转转矩的关系）的仿真波形，在起动 时，异步电机磁链呈现螺旋增加状态，而且 这种螺旋增加的过程相对比较均匀、光滑， 但是受到磁链调节器（ApsiR）PI 调节参数 的影响，磁链增加的过程比较漫长，从而使 图 7 所示异步电机机械特性曲线中的恒转矩 升速阶段（AB 段）相对偏小。 6 结语 本文研究了一种电厂用异步电机转速、 磁链双闭环矢量控制系统，在分析其主控电 路结构与工作原理的基础上，以单相桥臂为 例，研究了三相电流滞环 PWM 控制策略。 建立了带转矩内环的转速、磁链双闭环异步 电机矢量控制系统的仿真模型，对照系统原 理框图，分析了各个主要仿真模块及其参数 的设置。仿真结果表明： 1）异步电机带载运行时，能够有效抑 制负载的扰动，而且能够实现恒流升速过 程，进入稳态后能保证电机稳速运行。 2）由于同时采用了转矩内环控制和三 相电流滞环 PWM 控制策略，在保证电机平 稳运行的同时，还能保证 PWM 逆变器输出 三相正弦电流，实现异步电机输入三相平衡 的正弦电流，保证异步电机能产生恒定的电 磁转矩和比较光滑的圆形旋转磁场轨迹。 3）由于采用了转矩闭环控制，和传统 的矢量控制相比，转矩调节器能对转子磁链 的波动起及时抗扰作用，有效地改善了系统 的动态性能。 4）最后给出的静特性曲线也较好地说 明了系统的抗干扰能力。 5）系统的不足之处在于：当异步电机 空载起动时的转矩波动较大，说明磁链参数 还可以进一步进行优化。 参考文献 [1]. 祝茹龙. 浅谈永磁电动机在火电厂中的应用[J]. 科学与财富, 2018, (10):129-130. [2]. 陈伯时. 电力拖动自动控制系——运动控制系 统(第 3 版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010. [3]. 张春喜, 廖文建, 王佳子. 异步电机 SVPWM 矢量控制仿真分析[J]. 电机与控制学报, 2008, 12(2):160-163. [4]. 纪志成, 薛花, 沈艳霞. 基于 Matlab 交流异步 电机矢量控制系统的仿真建模[J]. 系统仿真学 报, 2004,16 (3):384-389. [5]. 毛晓英, 罗文广. 基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电动机矢量控制调速系统仿真[J]. 东北 电力技术, 2004, (1):14-16. [6]. 邢绍邦, 韩晓新. 基于 Matlab/Simulink 的异步 电机矢量控制系统仿真研究[J]. 江苏理工学院 学报, 2008, (1):46-51. [7]. 宫玉芳. 基于 Simulink 的异步电动机矢量控制 仿真研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2014, (10): 6-7. [8]. 朝泽云, 康勇, 钟和清,等. 异步电机矢量控制 系统的建模与仿真[J]. 电机与控制应用, 2007, (3):11-14. [9]. 洪乃刚. 电力电子电机控制系统仿真技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013. [10].洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模与仿 真[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. [11].顾春雷. 电力拖动自动控制系统与 MATLAB 仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011