深井泵交流电机调速系统的设计

张傲然　叶欣磊　陈梓明　刁胤峰

摘  要：为提高作业效率和节约电能，该文设计并仿真了一款新型深井泵交流电机调速系统。该系统采用基于定子磁链的直接转矩控制（DTC），通过检测电机的定子电压和电流，借助瞬间空间矢量理论来计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链与转矩的控制。在相同处理器的条件下，DTC模式下的运算处理更快，可以更加快速的响应负载转矩的变化。Simulink仿真运行结果表明，系统可以达到调速的要求，提升了控制操作实时性和可靠性。

关键词：深井泵;定子磁链;直接转矩控制（DTC）;Simulink

中图分类号：TM921      文献标志码：A

0 概述

深井泵是排出地下水的主要设备，广泛应用于工厂、矿业、地质勘探和地热能开发等方面。我国深井泵的发展始于1946年。经过全国科学家们对深水泵多年的研究，得到了许多宝贵经验。然而，近年来国内对深井泵的研究几乎停滞，厂家仅对其产品略作改动，或从其他国家进口高端产品。在国外，ITT和丹麦格兰富等企业占领了国际市场，而且其产品正快速进入国内市场。它们在市场上的竞争优势给国内企业带来了巨大的生存压力。

在过去的所谓 “不变速交流驱动”中，泵等通用机械功率几乎占工业总功率半数以上。深井泵并不是不需要调节，目前主要依靠阀门调节流量，浪费能源。如果换成交流电机调速，每个泵上阀门调节的损耗都可以被降低，节省大约30%的能量。

DTC是一种高性能的交流调速技术。与矢量控制不同，DTC解决了复杂计算易被参数变化的影响、实际性能难达到期望结果的问题，具有新颖的控制思想、简明的系统结构和优秀的性能。

Simulink是利用计算机对模型的分析和计算，替代实际对象进行仿真实验，是MATLAB上工程设计的工具。目前广泛采用这项技术，研究和分析交流电机的调速系统。对于一个新模型，如果能使用Simulink对其进行仿真，就可以及时发现系统问题，这对系统研发起到了非常重要的作用。

异步发动机的变频调速目前广泛应用于拖动领域。对于深井泵，更常见的方法是在机器中设出泵的输出扬程，通过变频调速，平滑无极的调节机泵水流量，提高调节能力和水平，减少启动的频率，实现节电能、降能耗的效果。深井泵的运行状态不同于一般加压泵，可视为恒转矩负载，需要采用合理的交流调速技术。该文中设计的新型深井泵交流电机调速系统，对提高厂家的经济效益有着明显作用和实际意义。

1 设计原理

1.1 3/2变换

通过交流电流的两相绕组可以产生旋转磁动势。当三相绕组和两相绕组产生的磁动势和旋转速度相等时，两相绕组等于三相绕组。三相绕组A、B、C和两相绕组的α、β之间的变换，称3/2变换。3/2变换用互相垂直的两相绕组替代2π/3分布的三相绕组，继而消除定子与转子三相绕组间的相互耦合作用。定子绕组对于转子绕组仍有相对的运动，因此定、转子绕组互感是非线性的变参数阵。输出转矩是关于定、转子电流和定、转子夹角θ的函数。和三相初始的模型相比较，3/2 变换减少了状态变量的维数，简化了定、转子的自感方程。

1.2 直接转矩控制系统

直接转矩控制系统又称DTC系统，区别于矢量控制系统，是后发展起来的高动态性能的交流电机变压变频调速系统。DTC利用电磁转矩偏差与定子磁链幅值偏差的符号，不需要精确的磁链定向，在当前定子磁链矢量所在位置，选取合适的电压空间矢量，实现对定子磁链幅值和电磁转矩的偏差的减小，完成控制电磁转矩与定子磁链的目的。

DTC系统中有2个带有滞环的双位式控制器，一个是AΨR（定子磁链调节器），另一个是ATR（转矩调节器）。定子磁链幅值偏差ΔΨs的符号函数sgn（ΔΨs）和电磁转矩偏差ΔTe的符号函数sgn（ΔTe）为DTC系统的输出。

DTC系统中的P/N称为给定转矩极性鉴别器。当期望的电磁转矩T*

e大于零时，取P/N=1;当期望的电磁转矩T*

e小于零时，取P/N=0。所以，在DTC系统中，同样符号函数的控制作用对于不同的电磁转矩期望值是不同的。

当期望的电磁转矩T*

e大于零，如果电磁转矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，对应的符号函数sgn（ΔTe）=1，定子磁场应该正向旋转，实际的电磁转矩Te会升高;如果电磁转矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，对应的符号函数sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩降低。当期望的电磁转矩T*

e小于零时，如果电磁转矩偏差ΔTe=T*

e-Te<0，对应的符号函数sgn（ΔTe）=0，定子磁场应该反向旋转，使实际电磁转矩Te反向升高;如果电磁转矩偏差ΔTe=T*

e-Te>0，对应符号函数sgn（ΔTe）=1，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩反向减小。

2 设计仿真

深井泵交流电机调速系统利用定子磁链幅值与转矩的偏差符号，在当前定子磁链矢量所在位置，选取合适的电压空间矢量，实现对电磁转矩和定子磁链的控制作用。仿真原理是先进行三相绕组A、B、C到两相绕组α、β之间的变换和定子磁链计算;再选择电压空间矢量，进行SVPWM控制;最后提取异步电动机的定子和转子测量参数，输出并处理实验结果。

2.1 仿真的电机参数

采用以上深井泵异步电动机参数，对直接转矩控制系统进行Simulink仿真实验，得到定子与转子磁链、转速与转矩、线电流与线电压、SVPWM输出电压的幅值与相角等仿真结果见表1。

2.2 Simulink仿真结果

仿真结果显示，深井泵交流电机调速系统采用DTC系统，相对于开环和闭环调压系统，在给定的理想转速n*突然变化时，转速n波动相对不大，磁通幅值基本保持不变，性能不受其转子参数的影响。采用双位式控制的深井泵交流电机调速系统，根据电磁转矩和定子磁链幅值偏差的符号以及给定电磁转矩的极性，不需要精确定向，只需当前定子磁鏈矢量的位置，就可以直接生成三相PWM信号，省去了旋转坐标变换，简化了控制器的结构。

3 设计结论

该文设计并仿真了一款新型深井泵交流电机调速系统。经过Simulink仿真实验，发现基于定子磁链的DTC系统有更优的性能，省去旋转变换和对电流的闭环控制，简化了控制器的结构，对鲁棒性的提高有很重要的作用，解决了控制的计算结果易受控制参数变化的影响、实际性能难以达到预期的问题，对于实际深井泵生产具有深远的意义。

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