1、六相感應電動機制動仿真及分析屈 魯, 謝 衛，盧穎娟，張貽旭（上海海事大學 物流工程學院，上海 200135）摘要：建立六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的動態數學模型，并分析六相電壓源型逆變器的空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術。在MATLAB/SIMULINK環境下，構建SVPWM電壓源型逆變器供電的六相感應電動機的仿真模型，分別進行六相感應電動機能耗制動、反接制動和回饋制動的動態仿真，并分析這三種制動方式的特點，為電力傳動系統的設計提供理論依據。 關鍵詞：六相感應電動機；SVPWM；制動；動態仿真中圖分類號：TM343 文獻標志碼：ABraking Simulation and

2、Analysis of Six-phase Induction Motor QU Lu, XIE Wei, LU Yingjuan, ZHANG Yixu （Logistics Eng. College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China）Abstract: The dynamic mathematical model of six-phase induction motor based on d-q coordinate system is established, and the space vector pulse width

3、 modulation (SVPWM) of six-phase voltage source inverter is analyzed. In the environment of MATLAB/SIMULINK, set up the system simulation model of six-phase induction motor supplied by the voltage source inverter , then simulate the dynamic braking, reverse braking and regenerative braking processes

4、 of the six-phase induction motor separately, and analyze the characteristics of these three braking modes . The proposed simulation method can be used for providing the theoretical basis for the design of electric drive system.Key words: six-phase induction motor; SVPWM; braking; dynamic simulation

5、0 前言六相感應電動機調速系統由于具有低壓器件實現大功率，轉矩脈動減小，系統動、靜特性提高，可靠性提高，轉子諧波損耗減小等優勢，使其在電動汽車、船艦推進、航空航天等領域的研究與實踐日益增加1。電機制動是電機控制中經常遇到的問題，一般電機制動會出現在兩種不同的場合，一是為了達到迅速停車的目的，以各種方法使電機旋轉磁場的旋轉方向和轉子旋轉方向相反，從而產生一個電磁制動轉矩；另一是在某些場合，當轉子轉速超過旋轉磁場轉速時，電機也處于制動狀態。電機制動方式一般分為：能耗制動，反接制動及回饋制動2。本文主要在MATLAB/SIMULINK環境下進行六相感應電動機調速系統的建模及制動仿真研究，為六相感應電

6、動機調速系統的設計及運行提供必要的理論依據。1 六相感應電動機的模型1.1六相感應電動機的物理模型六相感應電動機的轉子繞組仍為常見的籠形結構，定子繞組采用兩組互差30電角度的對稱三相繞組構成的六相雙Y型結構。若將籠形轉子繞組也等效為類似的六相雙Y型繞組，則六相感應電動機的物理模型可用圖1表示3。圖1 六相感應電動機的物理模型1.2六相感應電動機的數學模型六相感應電動機在三相靜止坐標系A-B-C下的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，可以通過坐標變換進行降階、化簡，由此建立六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的數學模型。六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的磁鏈方程為：

7、(1)式中，為d-q坐標系同軸定子與轉子等效繞組間互感；為d-q坐標系定子等效兩相繞組自感；為d-q坐標系轉子等效兩相繞組自感。六相感應電動機在兩相同步旋轉坐標系d-q下的電壓方程為： (2)式中，為d-q坐標系相對于定子A1相的角轉速；為d-q坐標系相對于轉子a1相的角轉速。六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的轉矩方程為： (3)六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的運動方程為： (4)2 空間矢量脈寬調制技術 六相感應電動機采用電壓源型逆變器供電時，定子電流諧波較大，這是由于定子繞組的阻抗較小，解決這一問題的有效方法是采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術。 六相感應電動機定

8、子采用雙Y型繞組，其中定子繞組A1、B1、C1可由圖2所示的六相橋式電壓源型逆變電路的組逆變電路供電；定子繞組A2、B2、C2由組逆變電路供電4。圖2 六相橋式電壓源型逆變電路 當進行空間矢量脈寬調制時，可采用兩組相位差為30電角度的三相對稱正弦波作為調制信號與同一個三角載波信號進行調制，生成兩組觸發脈沖控制逆變器上器件的通斷，由此產生兩組相位差互為30電角度的SVPWM波。其基本電壓空間矢量分布如圖3所示。圖3 六相逆變器SVPWM基本電壓空間矢量分布3 MATLAB建模及仿真分析 在MATLAB/SIMULINK環境下，首先建立SVPWM電壓源型逆變器供電的六相感應電動機調速系統的仿真模型

9、，接著進行六相感應電動機的制動仿真分析。3.1 SVPWM電壓源型逆變器的建模仿真按照上述SVPWM原理，在SIMULINK環境下建立SVPWM六相電壓源型逆變器的仿真模型并進行仿真，有關參數：直流電壓1000V，正弦波頻率50HZ，三角波頻率1860HZ。仿真所得的逆變器輸出相電壓波形如圖4所示。 （a)UA1 （b)UA2圖4 逆變器輸出電壓UA1與UA23.2 六相感應電動機調速系統的建模仿真根據六相感應電動機在兩相同步旋轉d-q坐標系下的數學模型，在SIMULINK環境下建立六相感應電動機仿真模型。由SVPWM六相電壓源型逆變器供電，進行電動機的制動仿真，主要包括能耗制動仿真、反接制動

10、仿真和回饋制動仿真。六相感應電動機額定數據如下:,，。3.2.1能耗制動仿真所謂能耗制動，是指當電機與交流電源斷開后，立即在定子繞組內通入直流電流5。設六相感應電動機帶負載運行0.5s之后，在定子繞組A1相施加直流電，其他定子繞組開路，使六相感應電動機進入能耗制動狀態，仿真得到的電動機轉速、電磁轉矩以及定子相電流的曲線分別如圖5、圖6、圖7所示。 圖5 六相感應電動機能耗制動轉速曲線 圖6 六相感應電動機能耗制動電磁轉矩曲線 圖7 六相感應電動機能耗制動相電流曲線如圖5所示，當0.5s定子繞組A1相施加直流電，其他定子繞組開路時，六相感應電動機進入能耗制動狀態，轉速迅速變為零。如圖6所示，當轉

11、速穩定在零時，電磁轉矩同時變為零。如圖7所示，當六相感應電動機進入能耗制動狀態時，定子相電流變大。六相感應電動機能耗制動的過程平穩，便于實現準確停車，但是需增設一套直流電源。3.2.2反接制動仿真所謂反接制動，是指將運行著的電動機定子電源線中的任意兩根對調。設六相感應電動機帶負載運行0.5s之后，將定子繞組A1相與定子繞組B1相對調，其他定子繞組開路，使六相感應電動機進入反接制動狀態，仿真得到的電動機轉速、電磁轉矩以及定子相電流的曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。 圖8 六相感應電動機反接制動轉速曲線 圖9 六相感應電動機反接制動電磁轉矩曲線 圖10 六相感應電動機反接制動相電流曲線如圖8所示

12、，當0.5s時將定子繞組A1相與定子繞組B1相對調，其他定子繞組開路時，六相感應電動機進入反接制動狀態，轉速減小，但較能耗制動慢。如圖9所示，當六相感應電動機進入反接制動狀態時，電磁轉矩迅速變為零。如圖10所示，當六相感應電動機進入反接制動狀態時，定子相電流脈動較回饋制動大。六相感應電動機反接制動過程強烈，但是必須有自動控制裝置控制電機，在轉速接近零時將電機與電源斷開，否則會出現電機反轉的現象。3.2.3回饋制動仿真所謂回饋制動，是指將電動機的負載轉矩改成負值，這樣當電動機轉速超過同步轉速時，電動機自動進入發電狀態。 設六相感應電動機帶負載運行0.5s之后，將負載轉矩改成，使六相感應電動機進入

13、回饋制動狀態，仿真得到的電動機轉速、電磁轉矩以及定子相電流的曲線分別如圖11、圖12、圖13所示。 圖11 六相感應電動機回饋制動轉速曲線 圖12 六相感應電動機回饋制動電磁轉矩曲線 圖13 六相感應電動機回饋制動相電流曲線如圖11所示，當0.5s負載轉矩改成負值時，六相感應電機轉速超過同步轉速，六相感應電動機進入發電狀態。如圖12所示，當0.5s負載轉矩改成負值時，電磁轉矩能夠快速地跟蹤負載轉矩的變化。如圖13所示，當六相感應電動機進入回饋制動狀態時，定子相電流的脈動變大。六相感應電動機能耗制動能夠向電網回饋電能，比較經濟，但是在轉子轉速小于同步轉速時不能實現回饋制動。4 結語 本文在MAT

14、LAB/SIMULINK環境下，建立了SVPWM六相電壓源型逆變器供電的六相感應電動機調速系統的數學模型和仿真模型，并在此基礎上分別進行了能耗制動、反接制動和回饋制動的動態仿真。通過仿真結果的分析，比較了這三種制動方式的特點，為六相感應電動機調速系統的設計及運行提供了一定的理論依據。參考文獻1 莊朝暉,熊有倫,馬挺. 多相感應電機變頻調速系統回顧、現狀及展望J.電氣傳動,2001,2:3-7.2 顧繩谷. 電機及拖動基礎(下冊)M. 北京: 機械工業出版社, 1997.3 Y.Zhao,T.A.Lipo. SVPWM Control of Dual Three-phase Induction Machine Using Vector Space De-composition J. IEEE Transactions on Industry Applications, 1995, 31(5): 1100-1109.4 Y.Zhao, T.A.Lipo. Space Vector PWM Control of DualThree-phase Induction Machine Using Vector Space DecompositionJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 1995, 31(5): 11