基于Matlab的雙饋調速系統研究與設計

1．雙饋調速系統的構成

　　對于繞線(xiàn)式異步電機，定子接有固定頻率(50Hz)的工業(yè)電源，轉子側接有頻率、幅值、相位可調的變頻器電源后即構成雙饋調速系統。在電動(dòng)機的轉軸上裝上轉子頻率檢測器測出轉差頻率，利用此信號及矢量控制技術(shù)即可實(shí)現對變頻電源輸出電壓（電流）幅值、頻率及相位的控制，并使異步電機的調速性能幾乎與直流電動(dòng)機調速性能相媲美。

2．矢量控制的理論基礎

　　為達到良好的調速性能對雙饋電機采取先進(jìn)的矢量控制技術(shù)。矢量控制的實(shí)質(zhì)是在交流電機里構建出直流電機的模型，用直流電機的調速方法對其調速，而為了對真實(shí)的可控量進(jìn)行控制，又須將其變換到原來(lái)所在坐標系的坐標。具體的實(shí)現方法是先求出定子磁鏈的方向，并以該方向為同步旋轉坐標系的dc軸，超前其90o的方向為qc軸，這樣就構成了dc-qc同步旋轉坐標系。對轉子電流進(jìn)行了從三相到兩相變換后，再將其變換到同步坐標系下，轉子電流就被解耦成了一對轉矩分量和激磁分量。前者位于qc軸，電磁轉矩只和該值有關(guān)；后者位于dc軸，起到激磁的作用，可改善定子側的功率因數。

　　反之若維持定子側電壓幅值恒定，則

恒定。則由電磁轉矩統一公式知T=

　　在保證Us（即

）恒定的條件下，控制

即可實(shí)現轉矩的調節。

3．控制系統結構

　　轉子電流經(jīng)過(guò)解耦后，就可用直流調速的方法對其進(jìn)行控制。在控制系統中，給定量是轉速，受控量是電磁轉矩（轉子電流的轉矩分量）。為了實(shí)現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個(gè)調節器，分別調節轉速和電流，兩者之間實(shí)行串級聯(lián)接，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管變流器的觸發(fā)裝置。轉速調節器的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態(tài)時(shí)無(wú)靜差，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調節器的作用是電流跟隨，過(guò)流保護和及時(shí)抑制。

　　為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統的兩個(gè)調節器一般都采用PI調節器。兩個(gè)調節器的輸出都是帶限幅的，轉速調節器ASR的輸出限幅(飽和)電壓是Uin*，它決定了電流調節器給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓是Uctm，它限制了晶閘管變流器輸出電壓的最大值。[2]

圖 1雙閉環(huán)比例-積分調節示意圖

4．Matlab 仿真模型的建立

　　雙饋系統的仿真模型包括電機模塊、控制系統模塊、變頻器模塊。

　?。?）電機模塊

　　Matlab中已經(jīng)建立了異步電機模型，轉子方面的各參量均折合到定子側，并用上標撇號表示，其等效電路模型為

　　該對話(huà)框里沒(méi)有電機定、轉子電壓變比關(guān)系一項，在此數學(xué)模型中這一信息也無(wú)法體現。比如，定轉子的額定電壓分別是6000伏、1640伏，但當仿真定子側接6000伏電壓、轉子側開(kāi)路這種狀態(tài)時(shí)，轉子側的電壓也是6000伏，因此不宜將模型的轉子直接與變頻器模型直接相連。為了體現定轉子之間電壓、電流的變比關(guān)系，在轉子輸出端接一近似理想的三相兩繞組變壓器，該變壓器副邊的輸出作為轉子的輸出，變壓器的變比為定子側額定電壓與轉子側額定電壓的比值。

圖 3修正過(guò)的電機模型

　?。?）控制模塊

　　控制系統由磁場(chǎng)定向、坐標變換、直流調節、交流調節和電壓前饋模塊綜合而成。經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)定向與坐標變換，轉子電流解耦成一對轉矩分量和激磁分量。下圖為轉子兩相電

進(jìn)行了旋轉變換得到定子磁鏈坐標系下的直流

Te只與

有關(guān)，兩者成一線(xiàn)性關(guān)系，另一分量

起到激磁的作用。

　　對轉矩分量和激磁分量進(jìn)行直流調節后進(jìn)行坐標反變換和從兩相到三相的變換輸出變頻器控制信號。

　?。?）變頻器模塊

　　變頻器一相的供電流回路模型如圖6所示，主要由兩組反并聯(lián)的晶閘管變流器和控制正負組封鎖與開(kāi)通的邏輯判斷電路聯(lián)接而成。變頻器正負組交替工作輸出交流電流，且兩組不可同時(shí)開(kāi)通，否則在正負組間形成很大的環(huán)流會(huì )將變頻器燒壞，為此需有可靠工作的控制正負組封鎖與開(kāi)通的邏輯判斷電路，即圖中的DLC模塊。在無(wú)環(huán)流交-交變頻器供電回路中，轉子電流過(guò)零點(diǎn)檢測是實(shí)現變頻調速的重要一環(huán)，若不能準確檢測出轉子電流過(guò)零，交流電流就不能正確輸出，導致轉子電流頻率不能追隨實(shí)際的轉差頻率，力矩電流偏離給定值，變頻調速失敗。

圖 6變頻器一相供電回路模型

　　當轉子電流大于0.5安培時(shí)，判斷電流沒(méi)到零；小于0.5安培時(shí)須過(guò)1e-5 秒的延時(shí)后再次檢測電流，若仍小于0.5安，則認為電流到零了否則認為是干擾信號。判斷電流到零后需先封鎖當前工作的變流器后再開(kāi)通另一組變流器，中間設置了1e-3秒的死區時(shí)間以防止在正負變流器之間出現環(huán)流。下圖是該變頻器模塊輸出的仿真波形（時(shí)間以秒為單位）。

　　將修正了的電機模型、控制系統和變頻器連接起來(lái)便構成了雙饋調速系統的模型如下圖8所示。速度的設定在Constant2方框中填寫(xiě)， Constant1可填寫(xiě)轉子電流的激磁分量，設定為轉子電流的2%。

5．對實(shí)際系統的仿真分析

　　應用該模型對實(shí)際雙饋調速系統進(jìn)行仿真分析以驗證模型的合理性。該雙饋調速系統是中國環(huán)流器2號(HL-2A)的環(huán)向場(chǎng)電源供電系統。由兩套80MVA交流脈沖發(fā)電機組組成。每套機組由同軸的一臺6kV 2500kW 4極繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，一個(gè)飛輪，一臺隱極式、4極、雙Y相移30o的3kV 80MVA脈沖同步發(fā)電機和一臺勵磁發(fā)電機組成，系統GD2為287 t·m2。環(huán)向磁場(chǎng)供電電源的工作原理是，由電動(dòng)機以低功率拖動(dòng)整個(gè)軸系轉到高轉速，將電網(wǎng)電能轉化成軸系的轉動(dòng)動(dòng)能，然后對發(fā)電機進(jìn)行快速勵磁并進(jìn)行適當控制，發(fā)電機通過(guò)變流器以大功率放電，同時(shí)伴隨著(zhù)軸系轉速迅速下降，軸系的轉動(dòng)動(dòng)能轉化為電能放出。

　　為增加該供機組的儲能與釋能，為這兩套機組的電動(dòng)機配備了在轉子側進(jìn)行變頻調速的交-交變頻器，以使電動(dòng)機以雙饋調速的方式將機組超同步運行至1650rpm。機組的啟動(dòng)過(guò)程是，先由盤(pán)車(chē)機構盤(pán)動(dòng)到2rpm，從2rpm到1476rpm則由電動(dòng)機并借助液體電阻滑差調節器來(lái)完成，當轉速穩定在1476rpm時(shí)，將轉子從液體電阻切換到交-交變頻器，電動(dòng)機以雙饋變頻調速的方式將機組繼續加速至1650rpm。

　　已知實(shí)際系統的電動(dòng)機參數為：定、轉子額定電壓6000、1640伏，額定電流284、933安，額定轉速1476rmp。仿真中將轉速給定設為1515rmp，要求升速過(guò)程中定轉子電流、力矩為額定值，定子側功率因數95%以上。因為受仿真時(shí)間與計算機內存、仿真模型大小的限制，每次仿真時(shí)間最多可設為6秒鐘，因此只仿真了從1476~1477rmp、1498.5~1500.5rmp兩段，借此說(shuō)明投入變頻器和超同步兩段過(guò)程。仿真的結果如下圖所示：(以下仿真圖形的縱軸均以秒為時(shí)間單位)

　　從圖9-11可以觀(guān)測到0.6秒時(shí)轉子電流、電磁轉矩升到0.7（標幺值），1秒鐘時(shí)升到1，并保持該轉矩加速。在超同步過(guò)程中定、轉子電流和轉矩仍保持在額定值1并測得定、轉子電流幅值為390安、1280安，與實(shí)際系統的定、轉子幅值401安、1319安非常接近，從圖12可以看出定子繞組的電流、電壓其相位幾乎一致，說(shuō)明功率因數很高。這些驗證了該模型的正確性與參數選擇的合理性。

　　HL-2A裝置的極向場(chǎng)供電電源的結構與環(huán)向場(chǎng)的類(lèi)似，該套機組原產(chǎn)日本，設計額定轉速就是3600rpm、電動(dòng)機工作頻率60Hz，但在我國的電網(wǎng)條件下只能運行在最高轉速2991rpm，為充分利用該套機組的容量，也擬為其配備類(lèi)似的變頻裝置，所以這套雙饋調速系統的建模及仿真分析對125 MVA機組的雙饋調速系統容量等選取來(lái)說(shuō)具有直接的指導意義。

結束語(yǔ)

　　Matlab是當今廣泛使用的仿真工具但實(shí)際使用中也會(huì )遇到一些諸如聯(lián)接不匹配的問(wèn)題，應分析具體的原因找出解決的辦法。本文中的措施是行之有效的。

　　雙饋變頻調速系統可以有效提高定子側功率因數到1，另外雙饋變頻調速所需變頻器容量相對較小，在變頻器輸出頻率不高的場(chǎng)合有很高的應用價(jià)值。

　　這套雙饋調速系統模型對研究類(lèi)似的問(wèn)題有一定的參考價(jià)值，仿真的結果可作為系統設計的參考，如變頻器容量、變頻器的供電電壓、電抗器的值、加速轉矩等有關(guān)量的設計。