基于高頻斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的建模研究

　　1 引言

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

　　在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常需進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，以獲得指導(dǎo)性結(jié)論或?qū)こ逃?jì)算參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真技術(shù)中，常采用的數(shù)學(xué)模型形式有：傳遞函數(shù)、開關(guān)函數(shù)或狀態(tài)方程等。而三相交流異步電機(jī)和調(diào)速裝置中的電力電子器件都是高度非線性系統(tǒng)，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(jī)調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)建立子系統(tǒng)，整個(gè)仿真模型結(jié)構(gòu)清晰，而且仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能反映實(shí)際系統(tǒng)的特性，可信度很高。

　　2 斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

　　2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　交流調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，主要由三部分構(gòu)成：繞線式異步電動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)環(huán)節(jié)和串級(jí)調(diào)速控制裝置。

　　交流電機(jī)采用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)。

　　啟動(dòng)環(huán)節(jié)由頻敏變阻器PF 和接觸器1KM 、2KM 、3KM 構(gòu)成，加設(shè)了自動(dòng)切換的接觸器，能減小起動(dòng)電流，使大型電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)。

　　串級(jí)調(diào)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(gòu)成，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的無級(jí)調(diào)速特性，有效地抑制了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，取得更高的節(jié)能效果。

　　2.2 工作原理

　　串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入附加反向電動(dòng)勢(shì)Ef ，通過改變附加電動(dòng)勢(shì)的大小來改變轉(zhuǎn)子電流I2 ，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。

　　若附加反向電動(dòng)勢(shì)Ef 增大，轉(zhuǎn)子電流I減小，電磁轉(zhuǎn)矩TM 減小，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩T不變，由式（4）可見使轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)速減小又使負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tc減小2（對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等大容量平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載c），重新獲得轉(zhuǎn)矩的平衡，穩(wěn)定于新的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，最終達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。

　　串級(jí)調(diào)速關(guān)鍵問題是如何獲得附加電動(dòng)勢(shì)[8]，如圖1中的串級(jí)調(diào)速控制裝置，將轉(zhuǎn)子電壓通過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(shì)。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(shù)，并且不隨轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)而變化，從而改善了傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低的缺陷。中間直流回路加入高頻IGBT 斬波器，通過改變斬波器的占空比(τ/T) ，來獲得轉(zhuǎn)子回路的等效附加直流電動(dòng)勢(shì)Ub [9]。

　　由此可見，斬波式串級(jí)調(diào)速運(yùn)行規(guī)律為：當(dāng)占空比越大，即斬波器的導(dǎo)通時(shí)間越長，轉(zhuǎn)速越高；反之，則轉(zhuǎn)速越低。并且可以達(dá)到足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍和足夠精確的轉(zhuǎn)速控制性能，系統(tǒng)功率因數(shù)也獲得很大改進(jìn)。

　　3 仿真模型的建立

　　對(duì)斬波式串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)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(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型，包含電氣系統(tǒng)和控制回路，模塊數(shù)量多，模型復(fù)雜，不利于工程分析。利用子系統(tǒng)封裝技術(shù)[4]，將功能相關(guān)的模塊組合為子系統(tǒng)。

　　按交流調(diào)速系統(tǒng)的三個(gè)組成部分建立三個(gè)子系統(tǒng)：繞線式異步電動(dòng)機(jī)（Motor）、啟動(dòng)單元（Start）、串級(jí)調(diào)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(jié)構(gòu)圖建立，結(jié)構(gòu)清晰，功能明確，便于進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

　　3.3 異步電動(dòng)機(jī)模型

　　圖3 為異步電動(dòng)機(jī)仿真子系統(tǒng)的內(nèi)部模型結(jié)構(gòu)，封裝后為四個(gè)輸入端、7個(gè)輸出端的Motor 子系統(tǒng)模塊（見圖2）。

　　異步電動(dòng)機(jī)模塊(Asynchronous Machine) 的參數(shù)設(shè)置為繞線式電機(jī)，參數(shù)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)。在定子側(cè)串入的三相變壓器(linear transformer)為逆變變壓器。

　　3.4 啟動(dòng)過程的仿真

　　圖4為啟動(dòng)環(huán)節(jié)仿真子系統(tǒng)內(nèi)部模型結(jié)構(gòu)，封裝后為9個(gè)輸入端、3個(gè)輸出端的Start子系統(tǒng)模塊（見圖2）,完成電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)的任務(wù)。

　　在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，1KM閉合，2KM、3KM打開，電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入三相頻敏變阻器PF，限制起動(dòng)電流。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)子回路經(jīng)1KM短路,進(jìn)入全速工作狀態(tài)。運(yùn)行穩(wěn)定后，1KM斷開，2KM和3KM閉合，接入串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)，進(jìn)入調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整占空比來改變速度的大小。

　　3.5 串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真

　　圖5 為斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真子系統(tǒng)內(nèi)部模型結(jié)構(gòu)，封裝后為7 個(gè)輸入端、3 個(gè)輸出端的Speed Control 子系統(tǒng)模塊（見圖2），通過調(diào)整輸入7 的占空比大小完成電機(jī)調(diào)速的任務(wù)。

　　圖5中調(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)子回路三相交流變?yōu)橹绷?，以便?duì)轉(zhuǎn)子回路施加串接直流電勢(shì)控制。②IGBT為斬波單元，以恒頻調(diào)寬方式工作，由外部的高頻脈沖信號(hào)作為IGBT 的門控信號(hào)，其占空比和頻率由脈沖信號(hào)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(zhuǎn)差功率逆變?yōu)槿喙ゎl交流送至內(nèi)反饋繞組，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　4 仿真實(shí)例

　　針對(duì)適用于風(fēng)機(jī)、泵類等大容量平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，建立如圖2 所示的模型，有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：供電電源為6KV 、50HZ 三相交流電源；異步電動(dòng)機(jī)為額定功率2240KW ，極對(duì)數(shù)2， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量140 kg.m2 。仿真時(shí)間0～10 秒，在t=3.5 秒投入調(diào)速系統(tǒng)，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(yàn)。

　　圖6 為電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行過程的轉(zhuǎn)速、A 相轉(zhuǎn)子電流、整流電壓和直流電流的仿真曲線?？梢妴?dòng)過程中，電機(jī)平穩(wěn)從零轉(zhuǎn)速升至全速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電流得到有效抑制。調(diào)速過程平穩(wěn)快速，并且隨著占空比的降低，等效附加直流電動(dòng)勢(shì)Ub 增大，轉(zhuǎn)子電流I2 減小，轉(zhuǎn)速降低，符合2.2 節(jié)的理論分析。

　　5 結(jié)論

　　本文對(duì)高頻斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jí)調(diào)速系統(tǒng)建立了仿真模型。

　　從仿真實(shí)例的結(jié)果來看，該模型逼真再現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行等動(dòng)態(tài)過程，說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(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，符合實(shí)際工程設(shè)計(jì)的組成結(jié)構(gòu)，仿真效果真實(shí)，為電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和驗(yàn)證手段。