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异步电动机交/交变频调速系统的建模与仿真

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4506


 摘要:利用MATLAB/Simulink和Power System工具箱进行异步电动机交/交变频调速系统的建模,介绍了无环流逻辑切换装置、三相交/交变频器的建模,并分别给出了仿真实验结果。

1引言

   矿井提升机、大型轧机等设备需要低速大容量的晶闸管交/交变频调速系统作驱动装置。为了提高研制大功率交/交变频调速系统的效率,降低成本,通常在工程研制前,要对其进行计算机仿真分析,以获得一些指导性结论。

   交/交变频调速系统的核心是交/交变频器,目前交/交变频器的计算机仿真常采用建立数学模型、或开关函数、或状态方程的方法。交/交变频器是高度非线性的系统,不可能通过解析方法予以详尽描述。

   利用MATLAB的电力系统(Power System)工具箱,用户不需自己编程,也不需推导系统的动态数学模型,只需从工具箱的元件库中复制所需的电气元件,按电气系统的结构进行物理连接,系统的建模过程接近实际电路设计过程,且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性,仿真结果的可信度很高。

2  逻辑无环流可逆系统的建模与仿真

2.1电力系统(Power System)工具箱简介

   电力系统工具箱模块以Simulink为运行环境,它由六个基本模块库(电源模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库、连接模块库、测量模块库)组成。

   对于MATLAB6.0以上的版本,电力系统工具箱还有附加模块库,它的控制子模块库中有六脉冲触发器,三子模块库中有晶闸管三相全控桥模块,这些都是本系统要用到的模块。

2.2同步电源与六脉冲触发器、逻辑切换装置的建模

   单相交/交变频器的基础是逻辑无环流可逆系统,子模块包括:三相交流电源、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与六脉冲触发器、电流调节器ACR、逻辑切换装置DLC。除了同步电源与六脉冲触发器、逻辑切换装置DLC两个模块需要自已封装外,其余均可从有关模块库中直接复制。

2.2. 1同步电源与六脉冲触发器的封装

   同步电源与六脉冲触发器包括同步电源和六脉冲触发器两个部分,六脉冲触发器需三相线电压同步,所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与六脉冲触发器及封装后的子系统符号如图1a、b所示。

   图1  同步六脉冲触发器及子系统符号

2. 2.2逻辑切换装置DLC封装

在逻辑无环流可逆系统中,DLC是核心装置,其任务是:在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲,封锁反组脉冲;在反组晶闸管桥工作时开放反组脉冲,封锁正组脉冲。

根据系统对DLC的工作要求,DLC应由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四部分组成。

(1)电平检测器的建模

电平检测包括给定电流极性鉴别器和零电流鉴别器,它将给定电流信号极性Ui*和零电流检测信号Uio转换成数字量供后续电路使用,在用MATLAB建模时,可利用Simulink的非线性模块库中继电器元件来实现。

(2)逻辑判断电路的建模

逻辑判断电路根据可逆系统正反向运行要求,经逻辑运算后发出逻辑切换指令,封锁原工作组,开放另一组。由文献[4]得如下逻辑控制要求:

有关符号含义见图2所示.利用Siraulink的数学模块中逻辑运算元件可实现上述功能。

(3)延时电路的建模

在逻辑判断电路发出切换指令后,必须经过封锁延时Tdbl=3ms才能封锁原导通组脉冲,再经开放延时Tdt=7ms后才能开放另一组脉冲。在数字逻辑电路的DLC装置中是在与非门前加二极管及电容来实现延时,它利用了集成芯片内部电路的特性。计算机仿真是基于数值计算,不可能通过加二极管和电容来实现延时。通过对数字逻辑电路的DLC装置功能分析发现:当逻辑电路的输出Uf l(Url)由“0”变“l”时,延时电路应产生延时;当由“l”变“0”或状态不变时,不产生延时。根据这一特点,利用Simulink工具箱中的微分元件、传递延迟元件、选择开关元件,按功能要求连接,即可得到满足系统延时要求的仿真模型结构。如图2所示。

      图2 DLC仿真模型及模块符号

(4)联锁保护电路建模

DLC装置的最后部分为逻辑联锁保护环节。正常时,逻辑电路输出状态U和Ud总是相反的。一旦DLC发生故障,U和U同时为“I”,将造成两个晶闸管桥同时开放.必须避免此情况。利用Simulink工具箱的逻辑运算元件可实现多“1”联锁保护功能。

图2a是根据文献[4]设计的DLC仿真模型.封装后的DLC模块符号如图2b所示。经测试:其功能完全符合文献[4]中各量问的逻辑关系。

2.3逻辑无环流可逆系统的建模与封装

从DLC的工作原理可知,任何时候只有一套触发电路在工作,实际系统通常采用选触工作方式。带电流负反馈的逻辑无环流可逆系统的仿真模型如图3a所示,封装后的系统模块符号如图3b所示。

 

图3带电流负反馈的逻辑无环流可逆系统仿真模型和模块符号

3逻辑无环流三相交/交变频器的建模及仿真

大容量三相交/交变频器输出通常采用Y形联结方式,即将三个单相输出交/交变频器的一个输出端连在一起,另一输出端Y输出。三相交/交变频器仿真模型结构图如图4a所示。本例负载为串联RL负载,负载采用Y联结,三根引出线与变频器的三根输出线对应相连,移相控制信号UgsinA、Ugd sinB、UgdsinC为三个相位互差120°的正弦调制信号,I—SubsystemA、I一SubsystemB、I一SubsystemC为经过封装的单相交/交变频器。三相交/交变频器的仿真参数:负载电阻1Ω、负载电感20×10¯³H;工频三相对称交流电源:A、B、C幅值100V;正弦调制波:UgsinA、UgsinB、UgsinC幅值30、频率10Hz。

仿真结果如图4b,图中光滑的波形为正弦调制波波形,非光滑的波形为三相交/交变频器输出波形。仿真结果表明:三相交/交变频器的输出波形接近于正弦调制波波形,相位互差120°;改变正弦调制波频率时,三相交/交

变频器的输出波形频率也改变,实现变频。

4交/交变频开环调速系统的建模与仿真

下面将三相交/交变频器和异步电动机组成一个简单的开环交/交变频调速系统,以实例说明其应用。图5a是调速系统的仿真模型,只要将图4a中的RL负载换成异步电动机负载即可。有关仿真参数如下:

三相正弦给定信号:幅值25、频率为5Hz和l0Hz;工频三相对称交流电源:A、B、C幅值100V;

   

(a)

 

(b)

图4三相交/交变频器仿真模型结构图及电流输出波形

异步电动机参数:Ue=220V、ƒe=50Hz、Rs=0.435Ω、Rr=0.816Ω、转动惯量J=2 kg•㎡。

图5b、图5c分别是三相交交变频器输出频率为5Hz和10Hz时异步电动机定子三相电流、转速波形。由于未运用高性能电机控制策略,调速系统性能还不够好,但已经能看到交/交变频的调速效果(ƒ=5Hz时n=45r/rain、ƒ=lOHz时n=95r/rain)。

5结束语

 晶闸管交/交变频器在大功率场合很有实用价值。  

(a)

  

(b)                    (c)

         图5定子电流波形和电机速度波形

本文提出的逻辑无环流三相交/交变频器的仿真方法和建立的模型可以对交/交变频器的输出电压、电流进行仿真,也可对交/交变频调速系统进行仿真,它提供了一种不依赖于数学模型的仿真手段。

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