绕线异步电动机转子变频调速特性的仿真研究

绕线异步电动机转子变频调速特性的

仿真研究

摘要：本文首先对比分析了高压绕线电机定子变频的缺点及转子变频的优越性，而后简述了转子侧交交变频原理，并根据实验室现有设备参数，建立了可指导试验的系统仿真模型，而后进行了单频段仿真及多频段切换的转子变频调速特性仿真研究，从仿真电流波形来看，转子变频效果良好，能够满足现场生产的需要。 关键字：异步电动机，转子变频，调速特性

Research on the wound rotor motor Speed regulating characteristics

---Rotor-side Variable Frequency

Abstract:This paper combines the maturity of frequency control theory with applications, transplants the inverter power source to the rotor side, uses the double-variable control theory, to investigate and research the rotor frequency control. Rotor-side variable frequency is a practical solution to control high-voltage motor by low voltage, and also a basis of induction motor doubly-fed speed adjustment, so it has good prospects the industry. Keywords: Induction motor, Rotor-side Variable Frequency, Speed regulating characteristics

1 引言

节约能源已是当今世界工业发展的趋势，在工业用电量方面，电动机所占比例不容忽视，所以，对有变速要求的负载，采用变频调速方案，可以提高整个系统的运行效率，从而达到节能的目的。

对高压绕线式异步电动机，在电机定子侧变频调速，对功率器件的电压、电流耐量提出了过高的要求，不可避免地要进行功率电子器件的串、并联。这不但降低了装置的可靠性，也大大地增加了投资，从而造成经济效益上的难题。性价比较优的方案是在电机的转子侧做文章，即绕线式电动机的转子变频调速。因为电动机的转子绕组为低压绕组，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可。这样就可以大大降低功率器件的电压、电流耐量，避免了功率器件复杂的串、并联，可靠性得到大大提高

【1】

2 转子侧交交变频原理

三相对称绕组中通入三相对称交流电，电机内部就会产生以同步速n1旋转的旋转磁场。绕线式三相异步电动机单边励磁，旋转磁场会分别切割定转子绕组并感应电势。和感应电机正常的运行原理相似

【2】

，定子绕组处于短接状态时，绕组

内部就会有电流产生。由于是在转子绕组中通的三相对称电流，所以以转子绕组为参考系，旋转磁场相对于转子以同步速旋转，在转子旋转磁场和定子电流的相互作用下，电机的定子会产生电磁力和电磁转矩。但是定子是固定不动的，根据力的相互性，该电磁力和电磁转矩会反作用于转子，异步电动机的转子以一定的速度开始反方向旋转，实现了电能向机械能的转换。

和在电机定子侧进行变频调速相似，把绕线式电机的定子短接，在转子侧可以进行变频，不同频段之间的过渡采用不同的切换方式时，会给

。

系统的机械、电气性能带来一定的影响。

3 仿真模型的构建及结果分析

3.1

系统仿真模型的构建

构建系统模型的关键有两个：电机模型和转子变频电源。以实验室现有的绕线式三相异步电动机作为试验电机，具体参数如下：定子额定电压380V；额定电流6.3A;转子额定电压110V，额定电流18.3A；额定转速1403r/m；额定功率2.8KW；时刻，实现在线的调速仿真。

额定输出转矩19.1N.m。仿真中将电机模型的各相参数设置为接近试验中要用的电机值，使仿真结果更具有真实性和指导意义。

按照变频器输出电压波形的不同，交交变频器可分为方波输出交交变频器、正弦波输出交交变频器和梯形波输出交交变频器[3]

，三者的主要特点如表1：

表1 不同调制波下的输出对比表

Table 1 Compare output with different modulation wave 正弦度 对称度 电压谐波含量

方波 最差 最好 最高 正弦波 最好 最差 次之 梯形波

次之

次之

最低

综合以上变频器输出波形的正弦度、对称度、谐波含量以及实际中对电机运行的影响，本文选择梯形波调制，并与双变量理论结合起来，在转子侧进行变频调速的仿真实验。

转子变频电源采用六脉波双变量交交控制方式

【4】

，所谓双变量，即控制角α和脉冲宽度b。第

一个变量α角的控制和相控方法相同；第二个变量b有两个作用：一是封闭可能出现的各种环流条件；二是引导电流的换向范围以及保证实现自然换流的条件。该变量与负载大小、性质、输出频率、α角以及电源的瞬时值等因素有关。从而实现交交变频器无环流、无死区、宽范围频率输出。

系统的仿真模型如图1

【5】

，主要由六相电源模

块、脉冲触发输出模块、开关切换模块、实验电机和测量模块构成。通过设置开关的开通和关断

图1 系统仿真图 Fig.1 simulation diagram

3.2 仿真结果分析

根据建立的转子侧交交变频调速系统仿真模

型，在matlab6.5/Simunlink环境下进行仿真，仿真时间为3s，三个频段的工作时间有K1～K9确定 。在满足各个频段下电机转速达到稳定的前提下，两个频段可以通过采用不同的切换方式来达到调速的目的，有直接切换和各相单独切换两种选择，具体设置为：4分频向3.5分频切换时，U、V、W三相的切换时刻分别是1.055s、1.04s、1.065s；3.5分频向3分频切换时，U、V、W三相的切换时刻分别是2.035s、2.045s、2.02s。

根据上述的不同方式的时间设置，得到系统的仿真结果如图2～5，电流波形图中的1、2、3、4、5、6是切换时刻点。

直接切换的仿真结果如图2和图3显示，在切换点0.9s和1.9s处，转子电流波形偏离理想的正弦波形的幅度很大，转速变化不稳，导致转矩振荡剧烈，可能会使电机产生大量的不规则制动力矩，损坏电机轴及传动设备。

4 1

2 5

3 6

图2 直接切换时转子电流 Fig. 2 rotor switching current directly

600 )n400im/r( /200 速 转0 -20000.511.522.53 40 )m20. N( / 0矩 转-20 -4000.511.522.53 时间 /s图3 直接切换时转速转矩 Fig.3 speed and torque directly

各相单独切换的仿真结果如图4和图5显示：电流在切换时刻变化比较平稳，接近标准的正弦变化，转速过渡平滑，可以满足连续分频调速的要求。

A 200A 200// 流电0流1 电04 U相-200相U-200A2000.9511.051.1A1.15 2001.9522.052.12.15 // 流0流0电电5 相相V-2002 V-200A1.051.1A1.15 2001.9522.052.12.15 2000.9513 // 流0流06 电电相W相-200W-2000.9511.051.11.151.9522.052.12.15时间 / s时间 / s 图4 不同时刻切换时转子电流 Fig.4 Rotor current at different switching times

600)n i400m/r( / 200 速转 0-200 00.511.522.53 40) m20.N( / 0矩转 -20 -4000.511.522.53图5 不同时刻切换时转速转矩时间 /s 图5 不同时刻切换时转速转矩

Fig.5 speed and torque at different switchin times

另外，把两种仿真结果分别进行纵向比较，

可以看出，从4分频向3.5分频时，电流和转矩的波动明显比3.5分频向3分频时波动小。这主要是由变频级差的不同造成的：前者切换时的频率级差为1.786Hz，占工频的3.573%；后者切换时的频率级差为2.38Hz，占工频的4.76%，比前

者多了1.187%，高频率级差导致大的电流转矩波动。

4 结论

比较两种不同的仿真结果，直接切换时控制

虽然比较简单，但是对电机正常运行造成的负面影响不容忽视，解决这一问题的关键是寻找到合适的切换时刻点，保证切换时电流的波动在允许范围之内。另外，还可以通过平均周期法来[6]

增加分频段，减小分频切换时的频率级差，实现分频调速的平滑过渡。

仿真结果验证了转子变频调速的可行性，对

实际的绕线式电机转子变频调速研究具有理论指导意义。

参考文献

[1] 纪胜春.高压交流绕线电机转子变频调速控制系统，

2007 [2] 刘锦波，张承惠等. 电机与拖动[M]. 北京： 清华大学

出版社,2006.

[3] 孙树朴，李明等.电力电子技术[M]. 北京： 中国矿业大学出版社,2000.

[3] 杜庆楠. 变频器的双变量控制理论研究[J]. 焦作工学院学报,1998,(4),276~279.

[5] 潘晓晟，郝世勇.MATLAB 电机仿真精华50例[M].北京：电子工业出版社，2007.8.

[6] 师修广.六脉波交交变频器分频控制策略及动态过渡过程研究[D]:河南理工大学大学硕士毕业论文,2009.12