有限功率下的异步电机高速旋转研究

刘朝涛 张毅

【摘要】 当电源供电功率小于额定功率且不稳定无法驱动异步电动机高速运转，为了解决这个问题，本文建立了功率追踪模型。对电源的输入功率进行采样，再利用模型计算出需要的控制参数，结合矢量控制方法对异步电机进行功率控制，形成动态控制达到功率追踪的目的。在Matlab/Simulink环境下进行仿真，仿真结果证明该模型可以有效的追踪输入功率，电机能够以较高速度运转，能够达到了控制目的，具有较强的实际应用性。

【关键词】 异步电动机 功率追踪 矢量控制 Matlab/Simulink

为了应对日益严峻的能源危机和环境污染问题，各国已将使用清洁能源作为重要对策[1]。当下被公认的清洁能源主要有太阳能、风能和潮汐能等等，利用这些能源发电不仅可以解决偏远地方的能源供应难题也可以缓解环境的污染问题，但是这些能源发电受到季节，环境因素的影响较大，且发出的功率较小。

通用的异步电机调速系统都是通过接入电网而获得功率，功率相对电机是无穷的。在本文中，利用清洁能源发电给异步电机供电，功率收到了限制；为了解决在功率受限条件下异步电机难以高速运行的问题，建立了功率追踪模型，再结合矢量控制对电机进行调速，可以使得电机以较高速度旋转并且使得电磁功率和输入功率保持一致。

一、建立系统模型

1.1 异步电机的矢量控制

本文仿真所用的电机为三相交流异步电动机，由于异步电动机动态数学模型是一个高阶、强耦合、非线性、多变量的系统 [2～3]。为了使得异步电动机能够像直流电机那样取得良好的调速性能，本文中采用矢量控制中的间接矢量控制即转差频率控制。

转差频率法不需要观测转子磁链的实际位置，定向是通过控制转差频率来实现的。在转差频率中按磁场定向的要求将定子电流矢量iS分解为励磁分量i*M和转矩分量i*T，有

综上所诉，在经过磁场定向后，三相交流异步电机控制模型需要控制定子电流的励磁分量i*M和转矩分量i*T，这些变量将是后面功率追踪模型中将实现对电机模型的追踪控制的关键。

1.2 功率追踪模型

所以由式子1.9知道，可以通过以下三个方面来对异步电机的转速进行：1.改变电机的极对数p；2.改变电机的频率f1；3.改变电机的转差频率s[6][8]。

这样磁路的饱和程度、激磁电流和电动机的的功率因素均可保持基本不变，这个时候调节定子电压和频率同步提高就可以保持气隙的磁通量φm基本不变，使得启动转矩较大，转速上升的速率较快，提高响应速率[4][5][7]。在基频以上的调速时，考虑到电机的绝缘限制，不能使电压继续升高，故采用的是弱磁调节，需要降低气隙的磁通量φm，定子电压不再变化为最大值，频率可以继续提高，转矩值会降低。

二、系统模型仿真及结果分析

2.1 系统模型仿真

在Simulink环境中搭建整个系统的仿真模型，整体系统的仿真模型如图1所示，主电路中的交流异步电动机额定功率为12kW；额定电压为380V；额定频率为50Hz；同步转速为1500r/min。数据采集显示主要采集电机的转速、转矩以及电磁功率。

2.2 运行仿真及仿真结果分析

在所有模块连接检查无误后，运行仿真，仿真时间为2s。仿真结束后，电源提供的功率如图2a所示；电机的电磁功率如图2b所示；电机的转速如图3所示。

由图2可以看出，电磁功率能够跟踪输入功率的变化，且误差很小精度很高。从图3看出无论电机的电磁功率是减小还是增大，电机的转速都能增加，在2s末电机的转速已经达到3750r/min（电机的同步转速为1500r/min）。

三、结论

本文提出了在电源功率受限的情况下，设计了功率追踪模型及改良了电机控制模型。利用Matlab/Simulink仿真工具，对整套系统进行了仿真，并且实现了重要仿真结果的输出。

综上所述，从系统的仿真模型结构和仿真结果可以看出，功率追踪模型能够定时投入使用，使得电机的电磁功率能够一直追踪电源的输入功率，能够随着输入功率的变化而变化，且误差很小，能够满足要求；由于功率追踪模型的作用，使得在不太大的输入功率情况下，电机能够以较高转速运转起来，并且驱动负载，实现了能量的转化，使得整个系统的机械性能得到了大大的提高。结果证明，本文建立的控制模型具有良好的实用性可以移植到其他的控制系统中。

参 考 文 献

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[2]王成元， 夏加宽， 孙宜标. 现代电机控制技术[M]. 北京. 机械工业出版社. 2014.

[3]汤蕴缪， 罗应立， 梁艳萍. 电机学[M]. 第三版. 北京 .机械工业出版社. 2008.

[4]李叶松， 雷力. 基于转子磁场定向的异步电动机弱磁方法研究[J]. 电力电子技术， 2007， 41（5）： 34-35.

[5]万山民， 陈晓. 感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法[J]. 中国电机工程学报， 2011， V31（30）： 93-99.

[6]齐琛， 陈希有，牟宪民. PWM逆变器混合扩频调制技术[J]. 中国电机工程学报， 2012， V32（24）： 38-44.

[7]杨永昌， 杨海涛. 感应电机模型预测磁链控制[J]. 中国电机工程学报， 2015， V35（3）： 719-725.

[8]于浩， 阮毅， 黄永利， 管博. 异步电机无速度传感器矢量控制转速估算方案[J]. 电机与控制应用， 2006， 33（5）： 30-32.