基于Matlab的雙饋調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1．雙饋調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

　　對于繞線式異步電機(jī)，定子接有固定頻率(50Hz)的工業(yè)電源，轉(zhuǎn)子側(cè)接有頻率、幅值、相位可調(diào)的變頻器電源后即構(gòu)成雙饋調(diào)速系統(tǒng)。在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上裝上轉(zhuǎn)子頻率檢測器測出轉(zhuǎn)差頻率，利用此信號及矢量控制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)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(jī)的調(diào)速性能幾乎與直流電動機(jī)調(diào)速性能相媲美。

2．矢量控制的理論基礎(chǔ)

　　為達(dá)到良好的調(diào)速性能對雙饋電機(jī)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(jī)里構(gòu)建出直流電機(jī)的模型，用直流電機(jī)的調(diào)速方法對其調(diào)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所在坐標(biāo)系的坐標(biāo)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是先求出定子磁鏈的方向，并以該方向?yàn)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系的dc軸，超前其90o的方向?yàn)閝c軸，這樣就構(gòu)成了dc-qc同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。對轉(zhuǎn)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(biāo)系下，轉(zhuǎn)子電流就被解耦成了一對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量。前者位于qc軸，電磁轉(zhuǎn)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(cè)的功率因數(shù)。

　　反之若維持定子側(cè)電壓幅值恒定，則

恒定。則由電磁轉(zhuǎn)矩統(tǒng)一公式知T=

　　在保證Us（即

）恒定的條件下，控制

即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。

3．控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過解耦后，就可用直流調(diào)速的方法對其進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)中，給定量是轉(zhuǎn)速，受控量是電磁轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量）。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管變流器的觸發(fā)裝置。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用是電流跟隨，過流保護(hù)和及時(shí)抑制。

　　為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅(飽和)電壓是Uin*，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)示意圖

4．Matlab 仿真模型的建立

　　雙饋系統(tǒng)的仿真模型包括電機(jī)模塊、控制系統(tǒng)模塊、變頻器模塊。

　?。?）電機(jī)模塊

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

　　該對話框里沒有電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓變比關(guān)系一項(xiàng)，在此數(shù)學(xué)模型中這一信息也無法體現(xiàn)。比如，定轉(zhuǎn)子的額定電壓分別是6000伏、1640伏，但當(dāng)仿真定子側(cè)接6000伏電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)開路這種狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓也是6000伏，因此不宜將模型的轉(zhuǎn)子直接與變頻器模型直接相連。為了體現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間電壓、電流的變比關(guān)系，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的輸出，變壓器的變比為定子側(cè)額定電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)額定電壓的比值。

圖 3修正過的電機(jī)模型

　?。?）控制模塊

　　控制系統(tǒng)由磁場定向、坐標(biāo)變換、直流調(diào)節(jié)、交流調(diào)節(jié)和電壓前饋模塊綜合而成。經(jīng)過磁場定向與坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子電流解耦成一對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量。下圖為轉(zhuǎn)子兩相電

進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換得到定子磁鏈坐標(biāo)系下的直流

Te只與

有關(guān)，兩者成一線性關(guān)系，另一分量

起到激磁的作用。

　　對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量進(jìn)行直流調(diào)節(jié)后進(jìn)行坐標(biāo)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(fù)組封鎖與開通的邏輯判斷電路聯(lián)接而成。變頻器正負(fù)組交替工作輸出交流電流，且兩組不可同時(shí)開通，否則在正負(fù)組間形成很大的環(huán)流會將變頻器燒壞，為此需有可靠工作的控制正負(fù)組封鎖與開通的邏輯判斷電路，即圖中的DLC模塊。在無環(huán)流交-交變頻器供電回路中，轉(zhuǎn)子電流過零點(diǎn)檢測是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的重要一環(huán)，若不能準(zhǔn)確檢測出轉(zhuǎn)子電流過零，交流電流就不能正確輸出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流頻率不能追隨實(shí)際的轉(zhuǎn)差頻率，力矩電流偏離給定值，變頻調(diào)速失敗。

圖 6變頻器一相供電回路模型

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子電流大于0.5安培時(shí)，判斷電流沒到零；小于0.5安培時(shí)須過1e-5 秒的延時(shí)后再次檢測電流，若仍小于0.5安，則認(rèn)為電流到零了否則認(rèn)為是干擾信號。判斷電流到零后需先封鎖當(dāng)前工作的變流器后再開通另一組變流器，中間設(shè)置了1e-3秒的死區(qū)時(shí)間以防止在正負(fù)變流器之間出現(xiàn)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(jī)模型、控制系統(tǒng)和變頻器連接起來便構(gòu)成了雙饋調(diào)速系統(tǒng)的模型如下圖8所示。速度的設(shè)定在Constant2方框中填寫， Constant1可填寫轉(zhuǎn)子電流的激磁分量，設(shè)定為轉(zhuǎn)子電流的2%。

5．對實(shí)際系統(tǒng)的仿真分析

　　應(yīng)用該模型對實(shí)際雙饋調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證模型的合理性。該雙饋調(diào)速系統(tǒng)是中國環(huán)流器2號(HL-2A)的環(huán)向場電源供電系統(tǒng)。由兩套80MVA交流脈沖發(fā)電機(jī)組組成。每套機(jī)組由同軸的一臺6kV 2500kW 4極繞線式異步電動機(jī)，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(jī)和一臺勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組成，系統(tǒng)GD2為287 t·m2。環(huán)向磁場供電電源的工作原理是，由電動機(jī)以低功率拖動整個(gè)軸系轉(zhuǎn)到高轉(zhuǎn)速，將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化成軸系的轉(zhuǎn)動動能，然后對發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速勵(lì)磁并進(jìn)行適當(dāng)控制，發(fā)電機(jī)通過變流器以大功率放電，同時(shí)伴隨著軸系轉(zhuǎn)速迅速下降，軸系的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為電能放出。

　　為增加該供機(jī)組的儲能與釋能，為這兩套機(jī)組的電動機(jī)配備了在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行變頻調(diào)速的交-交變頻器，以使電動機(jī)以雙饋調(diào)速的方式將機(jī)組超同步運(yùn)行至1650rpm。機(jī)組的啟動過程是，先由盤車機(jī)構(gòu)盤動到2rpm，從2rpm到1476rpm則由電動機(jī)并借助液體電阻滑差調(diào)節(jié)器來完成，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1476rpm時(shí)，將轉(zhuǎn)子從液體電阻切換到交-交變頻器，電動機(jī)以雙饋?zhàn)冾l調(diào)速的方式將機(jī)組繼續(xù)加速至1650rpm。

　　已知實(shí)際系統(tǒng)的電動機(jī)參數(shù)為：定、轉(zhuǎn)子額定電壓6000、1640伏，額定電流284、933安，額定轉(zhuǎn)速1476rmp。仿真中將轉(zhuǎn)速給定設(shè)為1515rmp，要求升速過程中定轉(zhuǎn)子電流、力矩為額定值，定子側(cè)功率因數(shù)95%以上。因?yàn)槭芊抡鏁r(shí)間與計(jì)算機(jī)內(nèi)存、仿真模型大小的限制，每次仿真時(shí)間最多可設(shè)為6秒鐘，因此只仿真了從1476~1477rmp、1498.5~1500.5rmp兩段，借此說明投入變頻器和超同步兩段過程。仿真的結(jié)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可以觀測到0.6秒時(shí)轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩升到0.7（標(biāo)幺值），1秒鐘時(shí)升到1，并保持該轉(zhuǎn)矩加速。在超同步過程中定、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩仍保持在額定值1并測得定、轉(zhuǎn)子電流幅值為390安、1280安，與實(shí)際系統(tǒng)的定、轉(zhuǎn)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，說明功率因數(shù)很高。這些驗(yàn)證了該模型的正確性與參數(shù)選擇的合理性。

　　HL-2A裝置的極向場供電電源的結(jié)構(gòu)與環(huán)向場的類似，該套機(jī)組原產(chǎn)日本，設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速就是3600rpm、電動機(jī)工作頻率60Hz，但在我國的電網(wǎng)條件下只能運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速2991rpm，為充分利用該套機(jī)組的容量，也擬為其配備類似的變頻裝置，所以這套雙饋調(diào)速系統(tǒng)的建模及仿真分析對125 MVA機(jī)組的雙饋調(diào)速系統(tǒng)容量等選取來說具有直接的指導(dǎo)意義。

結(jié)束語

　　Matlab是當(dāng)今廣泛使用的仿真工具但實(shí)際使用中也會遇到一些諸如聯(lián)接不匹配的問題，應(yīng)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?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)可以有效提高定子側(cè)功率因數(shù)到1，另外雙饋?zhàn)冾l調(diào)速所需變頻器容量相對較小，在變頻器輸出頻率不高的場合有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　這套雙饋調(diào)速系統(tǒng)模型對研究類似的問題有一定的參考價(jià)值，仿真的結(jié)果可作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)矩等有關(guān)量的設(shè)計(jì)。