1、异步电机转矩控制中转子参数对输出转矩的影响分析【摘 要】本文首先对矢量控制系统中的转矩控制进行理论分析，详细阐述其工作原理，从理论上推导异步电机输出转矩与转子参数之间的关系；然后通过仿真逐个分析转子电阻和转子电感以及转子时间常数对输出转矩稳定时间、超调量、精度和纹波等指标的影响，最终通过试验，验证了理论和仿真分析的有效性，为改善转矩控制的各项性能指标指明了方向，具有较强的工程实践意义。 【关键词】转子电阻；转子电感；转子时间常数；转矩 根据异步电机控制对象不同，异步电机的矢量控制分为速度控制模式和转矩控制模式两种。速度控制模式是以控制电机的转速为目标，输出频率随给定信号的大小而变，输出转矩总是
2、和负载处于平衡状态，最大转矩受发热和过载能力的制约。转矩控制模式是以控制电机的转矩为目标，给定信号是转矩而不是转速，输出转速取决于电磁转矩和负载转矩的大小，最高转速受上限转速的制约。由于转矩控制模式不能控制转速的大小，因此在实际应用中，转矩控制模式主要用于起动或者停止的过渡过程中，当拖动系统已经起动后，将转矩控制模式切换至速度控制模式，以便控制转速的大小。转矩控制模式主要应用于牵引、起重和收放卷等场合。电气机车一类的牵引装置和电梯、吊车一类的起重装置，其负载是不定的，在速度控制模式下，起动转矩是恒定的，在起动瞬间容易产生冲击，需要在起动过程中采用转矩控制模式，使电动机的输出转矩逐渐增大，直至克
3、服负载转矩时开始缓慢加速，使起动过程十分平稳。另外在各种薄膜或线材在收卷或放卷过程中，通常要求被卷物的张力恒定，转矩控制可使张力控制变得比较容易实现。转矩控制的主要性能指标体现在转矩稳定时间、超调量、精度和波动等方面。本文首先通过转矩控制框图介绍转矩控制的工作原理，然后推导转矩控制模式下转矩与转子参数之间的关系，然后通过仿真和试验进行验证，最终得到转子参数影响转矩指标的结论，为优化和改善转矩控制指标指明了方向。 一、矢量控制系统中的转矩控制 如图 1 所示，为转矩控制模式框图，与常见的速度控制模式框图相比，不同之处在于转矩电流给定信号的处理上。速度控制模式中通过给定转速与反馈转速的比较以及速度
4、 PI 调节，得到转矩电流给定值；转矩控制模式中通过给定转矩信号，然后通过理论公式计算得到转矩电流给定值。 二、转子参数对输出转矩影响分析 三、仿真验证 系统仿真采用 4kW 异步电机实际参数，仿真建模与程序设计完全一致。具体参数为：定子电阻 r1=0.878，定子电感 Ls=0.164H，转子电阻 r2=0.882，转子电感 Lr=0.164H，互感 Lm=0.156H，极对数 p=2。仿真中保持转矩电流环和励磁电流环的 PI值不变，只改变控制参数中的转子电感和转子电阻，观察输出转矩波形的变化。 1.转子电阻对输出转矩的影响。 结论：转子电阻变大，稳定时间变短，但是转矩超调量变大，同时转矩输
5、出值减小，转矩脉动基本不变。 2.转子电感对输出转矩的影响。 结论：转子电感变大，稳定时间不变，但是转矩超调量变大，同时转矩输出值快速增大，转矩脉动基本不变。 3.转子时间常数对输出转矩的影响。 结论：转子时间常数不变，如果转子电感和转子电阻同步增大，则稳定时间减小，但是转矩超调量变大，同时转矩输出值快速增大，转矩脉动基本不变。 四、试验验证 如图 11 所示，利用交直流对拖机组进行试验验证，被测变频器驱动交流电机，为了排除加载端直流机转矩输出对测试结果造成不良影响，实验中将直流机与扭矩测试仪之间的联轴器 2 进行堵转，中间扭矩测试仪信号通过 NI 采集卡送给 PC 机，然后通过基于 LabV
6、iew 的测试系统完成数据测量和显示，最终测试结果与分析和仿真结果完全一致。 本文针对矢量控制系统中的转矩控制模式，重点分析了转子电阻和转子电感以及转子时间常数变化时对异步电机输出转矩的影响。无论是哪个参数发生变化，都会影响输出转矩的稳定时间和超调量以及稳定后的转矩输出值，但是对转矩脉动并无实质影响，相对而言，转子电阻对稳定时间比较敏感，转子电感对转矩输出值比较敏感，需要强调的是，只保证转子时间常数恒定对转矩控制模式是无效的。 参 考 文 献 1陈坚.交流电机数学模型及调速系统M.北京：国防工业出版社，1989 2李永东.交流电机数字控制系统M.北京：机械工业出版社，2002 3Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动M.北京：机械工业出版社，2006 4A.E.Fitzgerald，Charles Kingsley Jr.电机学M.北京：电子工业出版社，2004
