绕线式异步电机转子变频磁链观测研究

・２０・　煤矿机　电　２０１１年第３期　绕线式异步电机转子变频磁链观测研究　张超　，于岩　，张义君　，徐鲁辉　（１．山东科技大学机电学院，山东青岛２６６５１０；２．龙口矿业集团公司机电处，山东龙口２６５７００）　摘　要：　为改善煤矿高压变频调速的现状，分析了采用转子变频调速的优势，探讨了转子变频调　速系统的实现。重点介绍转子变频调速的原理，得到了绕线式异步电机转子变频调速时的磁链方　程。通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立转子变频磁链观测模型。仿真结果表明，采用转子变频时供电电压低，输出　电压谐波含量少，有利于改善传统调速系统的性能，该绕线式异步电机转子变频的数学模型是正确　的。　关键词：　绕线式异步电机；转子变频；磁链观测；Ｍａｔｌａｂ仿真　中图分类号：ＴＭ３４３　．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０８７４（２０１１）０３—００２０—０４　Ｒｏｔｏｒ　Ｆｌｕｘ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｏｆ　Ｗｏｕｎｄ－Ｒｏｔｏｒ　Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｒｏｔｏｒ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｒｉｖｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｃｈａｏ　，ＹＵ　Ｙａｈ　，ＺＨＡＮＧ　ｎ。ＸＵ　Ｌｕ—ｈｕｉ　，（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５　１０．Ｃｈｉｎａ；　２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌｏｎｇｋｏｕ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｏｎｇｋｏｕ　２６５７００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎ　ｍｉｎｅａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　，ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｒｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｒｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｆｌｕｘ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｕｎｄ—ｒｏｔｏｒ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ．Ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｆｌｕｘ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ　ｂｙ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｔｏｏ１．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ—ｓｉｄｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅｔｈｅ　ｗｏｕｎｄ．ｒｏｔｏｒ　，ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ　ｈａｓ　ｌｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｏｕｎｄ—ｒｏｔｏｒ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅ：ｒｏｔｏｒ　ｌｆｕｘ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ；Ｍａｔｌａｂ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　１概述　效果，这就解决了高压变频调速的问题　Ｊ。传统转　子变频主要采用串级调速的形式　Ｊ，文献［５］设计　了一种高压交流绕线电机转子变频调速控制系统，　与串级调速不同，采用低压通用型矢量变频技术，通　过转子变频，实现了高压交流绕线电机的变频调速。　目前变频器已经在煤矿井下成功应用，相对于　低压变频技术，高压变频装置以国外产品应用居多。　制约国内高压变频技术发展的主要原因，一是变频　器中功率器件多为外国进口，并且耐压较低；二是高　压变频技术本身难度大、投资大，国内相关研究起步　较晚，还不成熟¨．２　Ｊ。　使用高压变频器的主要原因，是变频器的电压　等级需要与电机定子侧相匹配。将定子短接后，由　于高压绕线电机转子侧电压较低，可以通过转子侧　低压变频，来达到传统定子侧高压变频的电机调速　绕线式异步电机采用文献［５］所述的转子变频方法　时，转子侧接到三相电压，转子绕组中通入三相电　流，产生旋转磁场。旋转磁场切割定子绕组，在定子　绕组中产生感应电动势和感应电流。旋转磁场和感　应电流相互作用，产生电磁转矩，带动转子旋转。本　文推出文献［５］所提绕线式异步电机转子变频时的　数学方程，并建立磁链观测器的仿真模型，仿真证实　２０１１年第３期　煤矿机　电　・２１・　了数学模型的正确性，为设计转子变频调速系统提　供理论依据。本文所提转子磁链观测器，可以直接　用于绕线式异步电机转子侧采用直接转矩控制的系　统中。　２绕线式异步电机磁链观测模型　—＋Ｌ　Ｐ　ｗＬ　ｍｐ　ｗＬ　＋Ｌ　Ｐ　—Ｌ　Ｐ　ｗＬ　ｗＬ　蛐　●　０　Ｒ　ｒ＋Ｌ　ｒｐ　０　０　＋Ｌｒｐ　●　ｒ　０　●　坩　（２）　要对电机控制调速，首先需要得到准确的磁链　信号。因绕线式异步电机转子变频时由转子励磁，　利用式（２）的３、４行，得绕线式异步电机转子　回路的电压方程为：　与定子变频不同，为了实现电机的直接转矩控制，转　子变频时应当对转子磁链进行观测。定子变频采用　直接转矩控制时，磁链模型是从电机在两相静止坐　标系下的数学模型中推导得到，而电机在两相静止　坐标系下的数学模型是旋转坐标系时坐标转速等于　０的特例。首先，给出绕线式异步电机在两相旋转　坐标系下的电压一电流方程，下标ｓ、ｒ表示定子侧和　转子侧，下标ｄ、ｑ表示在旋转坐标系下ｄ、ｑ轴分量，　Ｐ为微分算子。　＋Ｌ　Ｐ　一∞缸ｓＬ　ｓ　￡肌ｐ　一∞ｄｄｓＬｍ　ｄ口　Ｒ　＋Ｌ　Ｐ　ｄ口　Ｌｍｐ　Ｌｍｐ　一　一出，　Ｒ．＋Ｌ，ｐ　（ｃ，出　∞幽　ｄｑｒＬ　Ｒ　ｒ＋Ｌｒｐ　（１）　式中：　——定子与转子同轴等效绕组间的互感；　——定子等效两相绕组的自感；　——，转子等效两相绕组的自感。　式（１）中，　如为坐标轴相对于定子的角速度，　ｄｑｒ为坐标轴相对于转子的角速度。为了方便分析，　设定转子为参照物，即假设转子相对静止。因为转　子变频时，电机由转子励磁，旋转磁场的转速等于转　子频率的同步角速度∞　，旋转坐标系的坐标转速就　是旋转磁场转速　，则∞如等于转子频率的同步角　速度　：，而转子转速为一　，故　如为　。一　，即转　差。令　：＝０，则　如＝一　，　由，＝０，将旋转坐标系　下的数学模型化为在两相静止坐标系下：　“　。　ｄｉｒｅ　孥　（３）　ｄｉ￣＝　＋三，　＋三　ｄｔ　（４）　又根据磁链方程：　＝Ｌ　ｉ　＋Ｌ　ｉ　（５）　＝Ｌ　＋Ｌｒｉ　（６）　将电压方程与磁链方程联立，得到绕线式异步　电机转子变频时转子磁链观测模型：　＝Ｉ（　一Ｒ　ｉ　）ｄｔ　（７）　＝Ｊ（Ｍ　一Ｒ　ｉ　）ｄｔ　（８）　３直接转矩控制仿真　利用Ｍａｔｌａｂ中Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具，根据上述推导转　子磁链观测数学模型，建立绕线式异步电机转子变　频时的磁链观测仿真如图１所示。模型采用ＳＶＰ—　ＷＭ（空间矢量脉宽调制）逆变器控制绕线式异步电　机转子变频，电机定子侧短接。由于采用转子变频，　应当将电机基本参数均归算到转子侧，设定如下：电　机额定电压Ｕ＝２１０　Ｖ，额定频率ｆ＝５０　Ｈｚ，极对数　ｎ。＝２，转动惯量Ｊ＝０．０５　ｋｇ・ｍ　，定子电阻Ｒ　＝　０．４５　Ｑ，定子漏感Ｌ　＝０．００４２　ｍＨ，转子电阻Ｒ　＝　０．６８　ｎ，转子漏感Ｌ　＝０．００４２　ｍＨ，定转子互感Ｌ　＝　０．１４８　６　ｍＨ，逆变器开关频率为１０　ｋＨｚ，直流侧电　压为３２０　Ｖ。将以上参数代入模型，仿真时间０．２５　ｓ，得到仿真结果见图２、图３。　通过电机测量模块实测转子磁链图形和通过磁　链观测模型估计得到转子磁链图形比较，其差距不　大。将转子磁链分解到两相静止坐标系下，由图２、　图３可以看出，磁链幅值保持在０．６左右，波形为正　弦，与理论值相吻合。仿真结果表明，根据绕线式异　步电机转子变频时的两相静止坐标系下的数学模　型，建立的磁链观测器是可靠的，可以进一步用于电　机调速系统。　・２２・　煤矿机电　２０１１年第３期　利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的Ｐｏｗｅｒ　Ｇｕｉ模块对逆变器输　出电压进行谐波分析，得到图４。将使用的绕线电　电机，短接转子端，定子端接同一ＳＶＰＷＭ逆变器。　此时，电机额定电压Ｕ＝３８０　Ｖ，逆变器开关频率为　１０　ｋＨｚ，直流侧电压为４９０　Ｖ，仿真得到图５。　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　机参数归算到定子侧，保证与转子变频时使用同一　２　Ｏ　８　６　４　２　Ｏ　２　４　６　８　０　０　０　０　８　６　４　２　Ｏ　２　４　６　８　Ｏ　加　‘　图１　绕线式异步电机转子磁链观测模型图　ＦＦＴ　ｗｉｎｄｏｗ：１　ｏｆ　３　ｃｙｃｌｅｓ　ｏｆ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　４　２　—２　—４　１　岂　图２转子磁链　分量　善　羔　图４转子变频输出电压谐波　一一一　一　一一一一一一一一一一一一一　压利用率为９６．７６％，故采用转子变频比定子变频　直流电压利用率高１．８９％。　图３转子磁链　分量　从上述仿真结果看出，采用定子变频和转子变　频两种方式，逆变器产生的输出电压谐波均集中在　开关频率附近，两者比较，差距不大。仿真给出了两　种方式下，各自逆变器输出电压基波幅值，将仿真得　到的逆变器输出电压基波幅值除以直流侧电压，即　是两种调制方式的直流电压利用率。转子变频时的　直流电压利用率为９８．６５％，定子变频时的直流电　仿真还给出了两种调速方式的线电压总谐波畸　变率（ＴＨＤ），转子变频时逆变器输出电压的ＴＨＤ＝　４４．９０％，定子变频时逆变器输出电压的ＴＨＤ＝　４７．２１％。由于ＰＷＭ波形主要经过电动机绕组的滤　波作用来近似得到正弦波，谐波幅值越小，总谐波畸　变率越低，得到波形的正弦度就会越好，故相对于定　子变频调速，采用转子变频调速时得到的波形会更　理想。　２０１１年第３期　（＿墓ＩＩＱ暑ｐｕ；　０　一警暑　煤矿机　电　・２３・　热　甏酝　～　静止坐标系下的数学模型人手，推导得到了转子变　ＳｃｏｐｅＤａｔａ２　毯键　－……　频调速时的转子磁链观测模型，通过Ｍａｔｌａｂ仿真证　；ｉｎｐｕｔｌ　嘲　嘲鹣　｜¨　明所得磁链观测器有效，进而证明了数学模型是正　１　鳓　确的。仿真还发现，采用转子变频调速，可以改善逆　％ｇ　匣＿¨～　脚ｍ黪釉　二二　■　变器的输出电压谐波，有助于减少转矩脉动。仿真　嘲　实验证实了采用转子变频的可行性，绕线式异步电　｛　｜　！　…　一一　．　一；　机可以通过采用转子侧低压变频调速系统，替代传　嘲　翳赣鬣　统定子侧高压变频调速系统。　塑　曦疃一　－　一　；Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｒｄｅ￣　参考文献：　骥淫■…　…　［１］　倚鹏．高压变频器的产品和市场状况［Ｊ］．变频器世界，２００６　｛Ｂａ￣ｒｅｌａｔｉｖｅｔｏＦｕｎｄ　ｏｒＤＣ）鳓　（３）．　面　一　［２］　马小亮．大功率风机、泵节能调速发展方向探讨［Ｊ］．电气传　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｒｄｅｒ　匹　［困　动，１９９９（１）．　图５定子变频输出电压谐波　［３］　马小亮，王春杰．一种新的中压电机调速法一转子变频调速　［Ｊ］．电力电子技术，２００４（３）．　逆变器输出谐波对电机的影响主要是产生转矩　［４］　江友华，曹以龙，龚幼民，等．转子变频调速系统的发展和应用　脉动，５次、７次谐波对电机的影响相对较大。仿真　［Ｊ］．变频器世界，２００５（７）．　得到转子变频时，５次电流谐波含量为２．８９％，７次　［５］纪胜春．高压交流绕线电机转子变频调速控制系统：中国，　电流谐波含量为１．４９％，改用定子变频时，５次、７　ＺＬ２００６２００２７４６８．０［Ｐ］．２００７．　次含量分别为３．７６％，１．９４％。由此，采用转子变　［６］Ｊｏｓ　Ａｒｒｉｌｌａｇａ，Ｎｅｖｉｌｌｅ　Ｒ．Ｗａｔｓｏｎ著．林海雪译．电力系统谐波　［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８．　频，其产生的转矩脉动较小，对电机影响也较小。　作者简介：张超（１９８７一），男，在读硕士研究生。研究方向为机电控　４结论　制与生产过程自动化。　（收稿日期：２０１１—０１—１１；责任编辑：姚克）　从绕线式异步电机采用转子变频调速时的两相　（上接第１９页）　电压波动和发生暂时性短路故障的大面积跳闸供电　事故，提高了供电系统的可靠性。随着高性能、低价　格芯片的不断涌现，智能脱扣器还可以在实时通讯　和显示等方面有进一步的发展，因而有更广阔的市　场前景。　参考文献：　［１］　国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［Ｍ］．北京：煤炭工业出　版社，２００９．　［２］ＤＬ／Ｔ　５９３－２００６．高压开关设备和控制设备标准的共用技术　要求［Ｓ］．　［３］　张红兵，杜向阳．高压隔爆开关欠压保护延时改造方案研究　［Ｊ］．煤，２００８，１７（２）．　图３故障处理子程序流程图　［４］刘爱琴，曹领．高压开关设备智能化的探讨［Ｊ］．安阳工学院学　为了减少误动的可能性，可以采取连续判别几　报，２００５（２）．　个采样点是否都超过门槛值的方法来达到更高的准　［５］　张华，王震洲，刘教民．数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２在智能　脱扣器设计中的应用［Ｊ］．河北科技大学学报，２００６，２７（２）．　确性，如果都超过门槛值则认定故障发生，否则判别　作者简介；周庆生（１９７２一），男，工程师。２００５年毕业于安徽理工　为外界干扰。连续判别多少采样点要根据实际需要　大学电气自动化专业（硕士学位），现任无锡龙军电力电器设备有限　定，以保证时效性。　公司主任工程师。　（收稿日期：２０１０—１２—１６；责任编辑：陶驰东）　５结语　在两年多的生产运行中，多次避免了由于系统