同步电机变频调速的矢量控制及仿真

2020-11-26董云鹏陈笃超季宝伟于元春

电子技术与软件工程 2020年7期

董云鹏陈笃超季宝伟于元春

（天津电气科学研究院有限公司天津市 300180）

1 同步电机的介绍

与感应电机是一样的常用交流电机。电力系统的心脏就是同步电机，同步电机作为能将电磁变化与机械运动相结合、电能与机械能互相转换的电动机，其动态性能远超其他交流电机，对现代电力系统拥有深远的影响。其中电机的各个参数之间（转子的转速n、电源频率f 和磁极对数p）满足公式n=60f/p。当给定的电源频率一定时，转子的转速也就不会突变，与负载无关。由于运行稳定性高和过载能力大，所以在一些多机同步传动系统和大型设备中得到了推广和应用。

在同步电动机中，定子绕组的结构与异步电动机是相同的，两者的区别就在于电机的转子结构中。之所以将这类电机称为同步电动机，是因为同步电机的定子绕组旋转磁场速度等于转子的速度。电机参数的波形图中电流相位超前电压相位，可以看出这是一个电容性负载。根据这个特性，同步电动机广泛应用于改进供电系统的功率因数。同步电机已经占据了广大的市场，众多发电厂的交流电机就是以同步电机为主的。

2 同步电机变频调速的介绍

历史上最早出现的是直流电动机。在19 世纪末，出现了交流电和交流电动机，为了改善功率因数，同步电动机应运而生。同步电机既可以用作生活中的发电仪器，也可以做电动机，例如大型水泵，空压机等。

在同步电动机的早期时代用途不广，因为若是在恒定的频率下运行大型同步电机极其容易发生失步和振荡的危险，所以大多数时间出现在拖动恒速负载或是改善功率的场合。

变频调速电机是变频器驱动的电动机的统称，其目前广泛应用于各行各业的无级变速传动中。其可以实现不同的转速与转矩，并且具有良好的启动功能。为现代工厂的生产提供了便捷。同步变频调速电机的转子的直流电极与定子绕组的极数是相同的。电机启动后，进入正常运行，定子旋转磁场带动转子同步运行，电机的转速由电机的极数和电机的输入电源决定的，转速不受负载和其他因素影响。由于这个关系，使得电机的转速精度就取决于输出器件输出电源频率的精度，控制系统简单，可以实行一对多的控制方式。

3 同步电机变频调速的矢量控制

3.1 变频调速的矢量控制概述

在矢量控制中，通用变频器的调速范围是与直流电动机相匹配的，同时控制着永磁同步电动机产生的转矩。不同的通用变频器在使用时要求也不同,有些需要准确的永磁电动机的参数,有的则是需要速度传感器和编码器。由于电机参数有可能发生变化，影响变频器对电机控制性能，发展到今天矢量控制中的变频器已经具备对永磁同步电动机参数的自动检测、自动辨识、自适应等功能。新型的变频器会在设备启动之前对永磁同步电动机的参数进行检测，根据检验结果进一步调节控制算法，改变算法参数，使得矢量控制对永磁电动机的控制更加契合，进一步提高了效率。

3.2 变频调速的矢量控制原理

在永磁电机中，控制电机的速度就要控制电机的转矩。因为无论转子处于何处，电枢电流产生的磁动势和永磁磁场始终是正交的，仅通过控制直流电机的电枢电流便可控制转矩，从而实现对直流电动机转速的控制。

调速永磁电机难以实现通过电枢电流来控制电机的转矩，与永磁直流电机不同，它的电枢反应磁动势不与永磁磁场正交。但可以通过调节交轴电流来实现调速控制，在静止三相坐标系变换到坐标系后，在调节交直轴电流之后，一方面可以通过改变直轴磁链大小来控制，另一方面利用磁阻转矩加大转矩输出能力。两者都是实现永磁同步电机的弱磁调速控制的一种有效手段。

3.3 变频调速矢量控制系统发展趋势

变频调速矢量控制系统在这些年不断地发展进步，到如今，大致上可以划分为由传动装置、电力电子器件、变频调速矢量控制系统所组成的系统。随着科技的进步人们采用计算机技术来处理同步电机变频调速矢量控制，利用计算机技术提升控制系统的调速精度，增强同步电动机的变频调速能力。目前市面上大都采取电力电子器件的优化，变频调速矢量控制系统构建，自然换相类以及自关断类的关断方式，来处理在冶金、采矿以及船舶等部门遇到的场景差异性。以交交变频调速构架，改变电路中的主要回路，形成新的波形、输出效率和空承载力，以此降低变频器对于同步电机电源的负载。在同步电机变频调速矢量控制技术发展环节中已经发展成为了一种主流趋势。

3.3.1 空间矢量的基本概念

控制定子绕组和转子绕组可以理解为就是对电机转速、转矩的调控，目前的变频调速矢量控制是时代不断进步，科技迅速发展的产物，以空间矢量理论作基础，将定子绕组和转子绕组与空间坐标相结合。从而得出把变频空间矢量看作电机的合成矢量，借助空间坐标的知识来分析电机的磁通势、电压、电流、电动势等基本参数，在以后的矢量控制工作中，为人们的深入研究奠定了基础。

3.3.2 同步电动机的数学模型

以数学表达式为依托，人们对电动机的参数分析运用了数学建模的方式，该模型能清楚的表达出电动机变频调速环节涉及到的各类参数。例如对于同步电动机定子磁动势的研究，采用公式FsA=NsiSA，(Ns 代表定子绕组的等效匝数，FsA 则是同步电机的空间磁动势。)电动机转子绕组所产生的磁动势构成了电动机磁动势的主要部分，在转子电流的形成当中，各类转子磁动势的合成，最后形成了转子磁动势。

3.3.3 交流电动机和直流电动机转矩公式

数学建模完成的基础上，基于实际情况的要求，需要通过公式Td=KmFSFrsinθrs，（其中FS、Fr 表示同步电机磁动势矢量）对交流电动机、直流电动机的转矩进行测量和计算。通过对交流电动机、直流电动机运行情况的有效计算，能清晰地说明2.2SIMADYN-D交交变频矢量系统的软件组成和各部分的功能。从而提供了矢量控制工作的方向。

4 同步电机变频调速的仿真分析

4.1 永磁同步电机变频调速矢量控制系统的仿真分析

永磁同步电机变频调速的空间电压矢量控制系统只要由主电路以及控制电路构成。在系统中的电流检测、坐标变换以及计算、PI控制器、脉冲产生器等都属于控制电路部分。

当直流输入经逆变器后输出交流电时，永磁同步电机的转速n也随之不断地增大。在转速增大的过程中，需要检测输出的三相电流，并通过一定的计算方法，将检测的电流转换为亮相宣战坐标下的电流变量id以及ia，而永磁同步电机的转速，可以根据电流变量以及一定的公式得到。在计算出转速n 之后，将其与给定转速n*进行比较，然后将比较的结果送入PI 控制器，控制器的输出与转矩电流再次进行比较，将其结果送入PI 调节器，再经过一系列的变换，通过脉冲产生器，产生脉冲波，达到对同步电机的调速控制。

通过对永磁同步电机变频调速的矢量控制系统建立相应的仿真模型，并对其进行仿真。根据仿真的结果来看，同步电动机的转速、定子电流以及转矩在电动机启动的时候，输出转矩迅速增大，变换的频率也逐渐提高。而随着转速的增大输出的电源频率也随之增加，当达到给定转速时，输出电源的频率为400HZ，这样就完成了对永磁同步电机的变频调速的控制。对仿真结果进行分析后，可以得出，若系统采用电压空间矢量控制变频调速的方法，是符合永磁同步电机的控制要求，并且，其稳定性和静态、动态性能都能使系统拥有较好的表现，同时，还可以发现，电压空间矢量控制在对永磁电动机调速系统的控制方面也拥有比其他方法很好的性能。

另外，为了方便仿真的分析，减少仿真的时间，常常将电动机的转动惯量减小，但是，转动惯量的减小有可能会使电动机的调速系统发生震荡。通过对改变参数的调节，并进行对比观察，就可以发现参数的变化对调速系统的影响。

4.2 交—交变频同步电机调速系统的仿真分析

对于交—交变频同步电机的调速系统，常常采用气隙磁链定向矢量控制的方法。针对这个方法，建立电压模块、速度模块等基础模块，结合磁场定向矢量控制理论，采用电机定子侧与电压前反馈的给定值相连接，对交—交变频调速系统建立起相应的仿真模型。

在调速系统中，最为重要的就是变频器。为了能提高系统的可靠性，变频器中常常采用晶闸管进行自然换流；由于AC/AC 的能量交换只有一次，所以能量的转换效率较高。采用晶闸管换流，也因其过载能力的优秀、输出波形稳定以及价格上的优势。

在交—交变频器方面，由三套电流控制型单向输出变频器组成，而变频器模块、无环流换相逻辑模块、电流调节器、脉冲触发器、可逆全控整流桥、三相交流电源等模块都是交—交变频器的重要组成部分。每个单项交—交变频器都由两个晶闸管桥构成，每个晶闸管桥又由六个晶闸管构成。

通过对交—交变频器同步电机的仿真分析，表明了系统不仅具有良好的响应特性，而且调速系统可以很好的达到给定的转速，实现对转速的调速控制。

5 交—交同步电机变频调速的应用

低压弱电控制回路与高压强电主电路的唯一参照坐标就是同步电压，其存在于交交变频同步电机调速系统中，是高压强电与低压弱电之间的联系纽带。要想实现对同步电机的调速控制，就要实时确认整流变压器二次侧的相序以及相位，并且需要在正确的时候触发脉冲，对可控硅进行控制。

关于同步电压的取点，一种是从整流变一次高压侧取同步电压，另一种是通过动力二次低压侧取同步电压。在第一种方法中，通过在高压配电室的母线上设置专用的互感器，在互感器的二次侧取同步电压，这种方法有效的提高了同步电压取点的安全性以及系统运行的可靠性。第二种方法中，存在着一些不可避免的问题。主要包括整流变与动力变激磁阻抗和短路阻抗不一致，并不能完全代表整流变二次侧的相位；以及单相、冲击性、不对称负载等。这种问题的出现，使得电动机的启动电流对动力变二次电压的降低和对电压相位的移动影响颇大。

关于同步电压的相位偏移角设置，针对不同的系统，有不同的设置方式。对于转子励磁系统的相位偏移角来说，可以采用画图法、计算法、示波器法以及实验法得出具体的相位偏移角。然后将转子励磁系统的脉冲测试模式打开，调节相位偏移角，使得其与正确的偏移角相等，完成对转子励磁系统的相位偏移角设置。对于定子回路同步电压的相位偏移角设置，与转子励磁系统的设置方法不尽相同，其不存在内外电压之分，但是，对于同步电压的相位偏移角存在着正负号，即定子与转子的同步电压相位偏移角方向相反。所以，在设置相位偏移角的时候，需要我们对正负号进行反复的判断，避免错误的出现。