凸极同步电机矢量控制系统仿真的研究

【摘 要】本文利用MATLAB/SIMULINK建立了基于SVPWM的凸极同步电动机矢量控制系统仿真模型。同时利用TDZBS3500-12型同步电机参数并结合矿井提升机的运行工艺，给出了仿真结果并进行了分析。

【关键词】凸极同步电动机；SIMULINK；SVPWM

1 引言

随着工业的迅速发展，一些生产机械要求的功率越来越大，采用同步电动机拖动更为合适。首先，同步电动机不仅有较高的功率因数，而且能够改善电网的功率因数。空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术与传统的正弦脉宽调制（SPWM）相比有直流电压利用率高、电机转矩脉动低、电流波形畸变小等优点。本文介绍了SVPWM的基本原理，给出了将SVPWM算法应用于凸极同步电机矢量控制系统的仿真结果并进行了分析。

2 SVPWM算法的基本原理

通常的三相电压型逆变器采用6个功率晶体管；逆变器的工作状态共有8种，分别对应8个电压矢量，其中有6个基本矢量模长等于2Udc/3，另外2个分别对应于（000）和（111）状态SVPWM以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基准，通过这8个空间矢量去等效参考矢量从而使电机的实际气隙轨迹逼近理想的圆形。

图1 空间电压矢量和扇区

如图1所示，以第Ⅰ扇区为例，以相邻的两个电压矢量U1、U2以及零矢量来合成参考矢量Uref，根据伏秒平衡原则可得：

T1U1+T2U2+T0U0=TsUref （1）

式中：T1―U1作用的时间；

T2―U2作用时间；

T0―零矢量作用的时间；

Ts―脉宽调制周期。

式（1）的意义是矢量Uref在Ts时间内所产生的积分效果和U1、U2及零矢量合成作用的积分效果相同。

将U1、U2代入式（1），可以得出

T1=Ts2Udc（3Uα-3Uβ）

T2=3TsUdcUβ （2）

T0=Ts-T1-T2

3 SVPWM算法应用于凸极同步电机矢量控制系统

下面介绍基于SVPWM算法的凸极同步电机气隙磁链定向矢量控制系统。

系统中共有五个PI调节器。即速度调节器，励磁电流调节器、定子电流调节器（M轴电流调节器，T轴电流调节器）、气隙磁链调节器。

速度调节器输出即为转矩期望值。根据同步电动机在MT轴系下的转矩公式（为气隙磁链）可得定子电流的转矩分量期望值。由给定的气隙磁链，经过气隙磁链调节器可得合成磁化电流期

望值，根据即可算得励磁电流的期望值、负载

角。励磁电流经励磁电流调节器，即可得到励磁整流器的触发角。磁链空间位置角为负载角和测得的转子位置角之和。由磁链空间位置角即可进行定子电流3/2变换和旋转变换，得定子电流M、T轴分量、。定子电流M、T轴分量的实际值和期望值经电压前馈I/U环节，即可得到同步电动机定子电压的M、T轴分量、，经过坐标变换得三相坐标系下定子电压、、。最后完成SVPWM调制，得六相脉冲送逆变器。

利用TDZBS3500-12型同步电机的参数，对其空载启动和负载突变过程进行仿真。同步电动机的额定参数如下：型号：TDZBS3500-12，功率：3500KW，电流：1358.4A，电压：1570V，功率因数：0.9874，频率：5/12HZ，转速：50/120/r/min，极对数：6，三相Y形接法，绝缘等级：F/F，技术条件：OA512.697。

仿真前0.1秒，速度给定为零，让电动机建立磁场。在t=0.1s时刻，加入斜坡速度给定信号，斜率为0.1，加速时间为10秒。

电机经过约10s的加速过程，在10.1s达到额定转速。图2（a）为励磁电流波形，在前0.1秒励磁电流建立磁场。随着斜坡信号的加入，电动机开始加速，励磁电流开始增大。当转速达到额定值，励磁电流恢复初始值。

（a）励磁电流 （b）电机转速

图2 仿真图

4 结论

本文利用MATLAB/Simulink将SVPWM算法应用于凸极同步电机调速系统，并结合了矿井提升机的工艺要求，给出了仿真结果，结果显示效果良好，完全符合电机调速系统的仿真要求，为实际矿井提升机控制系统的设计提供了理论参考和仿真指导。

参考文献：

[1]李崇坚.交流同步电动机调速系统[M].北京：科学出版社， 2006.

[2]高景德，王祥珩，李发海.交流电机及其系统的分析（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]田亚菲，何继爱，黄智武.电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法仿真实现及分析[J].电力系统及其自动化学报，2004（4）.

作者简介：

方祥（1982-），安徽淮南人，工学硕士，现就职于安徽淮南矿业集团潘一矿东区绞车队。