基于高頻斬波式串級調速系統的建模研究

　　1 引言

　　串級調速是一種經(jīng)典的高效節能調速方案[1]，而高頻斬波串級調速系統是在傳統串級調速理論基礎上，應用現代電機技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的先進(jìn)成果而產(chǎn)生的新一代高效調速技術(shù)。該技術(shù)以控制轉子低電壓回路進(jìn)而控制高壓電機，以變流轉差功率進(jìn)而控制大功率電機，并以高頻斬波器實(shí)現PWM脈寬調制替代傳統串級調速系統的逆變角調節，具有控制容量小、控制電壓低，調速性能優(yōu)良和節能效率高、諧波功率小，裝置尺寸小，運行條件寬松等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大容量電機節能調速上具有突出的優(yōu)勢[2,3]。

　　在實(shí)際工程設計中，常需進(jìn)行計算機仿真研究，以獲得指導性結論或對工程計算參數進(jìn)行驗證。在仿真技術(shù)中，常采用的數學(xué)模型形式有：傳遞函數、開(kāi)關(guān)函數或狀態(tài)方程等。而三相交流異步電機和調速裝置中的電力電子器件都是高度非線(xiàn)性系統，用解析方法難以得到詳盡的描述[4-7]。

　　為此，在MATLAB/Simulink環(huán)境下利用SimPowerSystem工具箱進(jìn)行交流電機調速系統的建模和仿真研究。并且采用封裝技術(shù)將仿真模型按實(shí)際系統的組成結構建立子系統，整個(gè)仿真模型結構清晰，而且仿真試驗結果表明，該模型能反映實(shí)際系統的特性，可信度很高。

　　2 斬波串級調速系統的工作原理

　　2.1 系統構成

　　交流調速系統如圖1所示，主要由三部分構成：繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機、啟動(dòng)環(huán)節和串級調速控制裝置。

　　交流電機采用三相繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機。

　　啟動(dòng)環(huán)節由頻敏變阻器PF 和接觸器1KM 、2KM 、3KM 構成，加設了自動(dòng)切換的接觸器，能減小起動(dòng)電流，使大型電機平穩起動(dòng)。

　　串級調速控制裝置由三相全波整流橋、IGBT 高頻斬波器、三相全橋有源逆變器和平波電抗器、隔離二極管、緩沖電容器等構成，實(shí)現優(yōu)良的無(wú)級調速特性，有效地抑制了諧波對電網(wǎng)的污染，取得更高的節能效果。

　　2.2 工作原理

　　串級調速系統的基本原理是在轉子側串入附加反向電動(dòng)勢Ef ，通過(guò)改變附加電動(dòng)勢的大小來(lái)改變轉子電流I2 ，從而改變電磁轉矩達到改變轉速的目的。

　　若附加反向電動(dòng)勢Ef 增大，轉子電流I減小，電磁轉矩TM 減小，若負載轉矩T不變，由式（4）可見(jiàn)使轉速減小，轉速減小又使負載轉矩Tc減小2（對于風(fēng)機、泵類(lèi)等大容量平方轉矩負載c），重新獲得轉矩的平衡，穩定于新的轉速運行，最終達到改變轉速的目的。

　　串級調速關(guān)鍵問(wèn)題是如何獲得附加電動(dòng)勢[8]，如圖1中的串級調速控制裝置，將轉子電壓通過(guò)三相全波整流橋整流為直流電壓Ud ，而三相全橋有源逆變器的工作狀態(tài)始終固定在最小逆變角βmin ，提供恒定的直流反電勢。由于逆變器始終固定工作在最小逆變角βmin ，大大提高了逆變器的功率因數，并且不隨轉速的調節而變化，從而改善了傳統的串級調速系統功率因數低的缺陷。中間直流回路加入高頻IGBT 斬波器，通過(guò)改變斬波器的占空比(τ/T) ，來(lái)獲得轉子回路的等效附加直流電動(dòng)勢Ub [9]。

　　由此可見(jiàn)，斬波式串級調速運行規律為：當占空比越大，即斬波器的導通時(shí)間越長(cháng)，轉速越高；反之，則轉速越低。并且可以達到足夠寬的調速范圍和足夠精確的轉速控制性能，系統功率因數也獲得很大改進(jìn)。

　　3 仿真模型的建立

　　對斬波式串級調速控制系統進(jìn)行仿真研究，采用MATLAB 軟件Simulink 環(huán)境下的SimPowerSystem 工具箱建立仿真模型。

　　3.1 基于封裝技術(shù)建立仿真模型

　　建立斬波式串級調速控制系統的仿真模型，包含電氣系統和控制回路，模塊數量多，模型復雜，不利于工程分析。利用子系統封裝技術(shù)[4]，將功能相關(guān)的模塊組合為子系統。

　　按交流調速系統的三個(gè)組成部分建立三個(gè)子系統：繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機（Motor）、啟動(dòng)單元（Start）、串級調速控制裝置（Speed Control）,如圖2 所示。整個(gè)仿真模型按照電氣原理結構圖建立，結構清晰，功能明確，便于進(jìn)行工程設計。

　　3.3 異步電動(dòng)機模型

　　圖3 為異步電動(dòng)機仿真子系統的內部模型結構，封裝后為四個(gè)輸入端、7個(gè)輸出端的Motor 子系統模塊（見(jiàn)圖2）。

　　異步電動(dòng)機模塊(Asynchronous Machine) 的參數設置為繞線(xiàn)式電機，參數折算到轉子側。在定子側串入的三相變壓器(linear transformer)為逆變變壓器。

　　3.4 啟動(dòng)過(guò)程的仿真

　　圖4為啟動(dòng)環(huán)節仿真子系統內部模型結構，封裝后為9個(gè)輸入端、3個(gè)輸出端的Start子系統模塊（見(jiàn)圖2）,完成電機平穩起動(dòng)的任務(wù)。

　　在電機起動(dòng)時(shí)，1KM閉合，2KM、3KM打開(kāi)，電機轉子回路串入三相頻敏變阻器PF，限制起動(dòng)電流。當電機轉速升高到設定的允許值時(shí)，裝置自動(dòng)將2KM閉合，切除頻敏變阻器，電機轉子回路經(jīng)1KM短路,進(jìn)入全速工作狀態(tài)。運行穩定后，1KM斷開(kāi)，2KM和3KM閉合，接入串級調速控制系統，進(jìn)入調速運行狀態(tài)，調整占空比來(lái)改變速度的大小。

　　3.5 串級調速控制系統的仿真

　　圖5 為斬波式串級調速系統仿真子系統內部模型結構，封裝后為7 個(gè)輸入端、3 個(gè)輸出端的Speed Control 子系統模塊（見(jiàn)圖2），通過(guò)調整輸入7 的占空比大小完成電機調速的任務(wù)。

　　圖5中調速系統的三個(gè)核心單元分別為：①Universal Bridge為通用橋模塊，用于模擬三相全波整流單元，將轉子回路三相交流變?yōu)橹绷?，以便對轉子回路施加串接直流電勢控制。②IGBT為斬波單元，以恒頻調寬方式工作，由外部的高頻脈沖信號作為IGBT 的門(mén)控信號，其占空比和頻率由脈沖信號決定。③Thyristor bridge 為6 脈沖晶閘管橋模塊，用于模擬三相全橋有源逆變器，將經(jīng)斬波控制后的轉差功率逆變?yōu)槿喙ゎl交流送至內反饋繞組，實(shí)現節能。

　　4 仿真實(shí)例

　　針對適用于風(fēng)機、泵類(lèi)等大容量平方轉矩負載的串級調速系統進(jìn)行仿真試驗，建立如圖2 所示的模型，有關(guān)參數設置如下：供電電源為6KV 、50HZ 三相交流電源；異步電動(dòng)機為額定功率2240KW ，極對數2， 轉動(dòng)慣量140 kg.m2 。仿真時(shí)間0～10 秒，在t=3.5 秒投入調速系統，占空比100% 。t=5 秒后，每間隔1 秒將占空比降低10%，進(jìn)行仿真試驗。

　　圖6 為電機啟動(dòng)、調速運行過(guò)程的轉速、A 相轉子電流、整流電壓和直流電流的仿真曲線(xiàn)?？梢?jiàn)啟動(dòng)過(guò)程中，電機平穩從零轉速升至全速運行，轉子電流得到有效抑制。調速過(guò)程平穩快速，并且隨著(zhù)占空比的降低，等效附加直流電動(dòng)勢Ub 增大，轉子電流I2 減小，轉速降低，符合2.2 節的理論分析。

　　5 結論

　　本文對高頻斬波式串級調速系統的交流回路和直流回路進(jìn)行了詳盡分析，并從電氣原理結構圖出發(fā)，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術(shù)為串級調速系統建立了仿真模型。

　　從仿真實(shí)例的結果來(lái)看，該模型逼真再現了實(shí)際系統的啟動(dòng)、調速運行等動(dòng)態(tài)過(guò)程，說(shuō)明該仿真方法是有效的，具有工程實(shí)用價(jià)值。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術(shù)建立的串級調速系統仿真模型，符合實(shí)際工程設計的組成結構，仿真效果真實(shí)，為電機調速系統的工程設計提供了理論依據和驗證手段。