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異步電動機交/交變頻調速系統的建模與仿真

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4506


 摘要:利用MATLAB/Simulink和Power System工具箱進行異步電動機交/交變頻調速系統的建模,介紹了無環流邏輯切換裝置、三相交/交變頻器的建模,并分別給出了仿真實驗結果。

1引言

   礦井提升機、大型軋機等設備需要低速大容量的晶閘管交/交變頻調速系統作驅動裝置。為了提高研制大功率交/交變頻調速系統的效率,降低成本,通常在工程研制前,要對其進行計算機仿真分析,以獲得一些指導性結論。

   交/交變頻調速系統的核心是交/交變頻器,目前交/交變頻器的計算機仿真常采用建立數學模型、或開關函數、或狀態方程的方法。交/交變頻器是高度非線性的系統,不可能通過解析方法予以詳盡描述。

   利用MATLAB的電力系統(Power System)工具箱,用戶不需自己編程,也不需推導系統的動態數學模型,只需從工具箱的元件庫中復制所需的電氣元件,按電氣系統的結構進行物理連接,系統的建模過程接近實際電路設計過程,且元件庫中的電氣元件能較全面地反映相應實際元件的電氣特性,仿真結果的可信度很高。

2  邏輯無環流可逆系統的建模與仿真

2.1電力系統(Power System)工具箱簡介

   電力系統工具箱模塊以Simulink為運行環境,它由六個基本模塊庫(電源模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫)組成。

   對于MATLAB6.0以上的版本,電力系統工具箱還有附加模塊庫,它的控制子模塊庫中有六脈沖觸發器,三子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊,這些都是本系統要用到的模塊。

2.2同步電源與六脈沖觸發器、邏輯切換裝置的建模

   單相交/交變頻器的基礎是邏輯無環流可逆系統,子模塊包括:三相交流電源、反并聯的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與六脈沖觸發器、電流調節器ACR、邏輯切換裝置DLC。除了同步電源與六脈沖觸發器、邏輯切換裝置DLC兩個模塊需要自已封裝外,其余均可從有關模塊庫中直接復制。

2.2. 1同步電源與六脈沖觸發器的封裝

   同步電源與六脈沖觸發器包括同步電源和六脈沖觸發器兩個部分,六脈沖觸發器需三相線電壓同步,所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉換成線電壓。同步電源與六脈沖觸發器及封裝后的子系統符號如圖1a、b所示。

   圖1  同步六脈沖觸發器及子系統符號

2. 2.2邏輯切換裝置DLC封裝

在邏輯無環流可逆系統中,DLC是核心裝置,其任務是:在正組晶閘管橋工作時開放正組脈沖,封鎖反組脈沖;在反組晶閘管橋工作時開放反組脈沖,封鎖正組脈沖。

根據系統對DLC的工作要求,DLC應由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯鎖保護四部分組成。

(1)電平檢測器的建模

電平檢測包括給定電流極性鑒別器和零電流鑒別器,它將給定電流信號極性Ui*和零電流檢測信號Uio轉換成數字量供后續電路使用,在用MATLAB建模時,可利用Simulink的非線性模塊庫中繼電器元件來實現。

(2)邏輯判斷電路的建模

邏輯判斷電路根據可逆系統正反向運行要求,經邏輯運算后發出邏輯切換指令,封鎖原工作組,開放另一組。由文獻[4]得如下邏輯控制要求:

有關符號含義見圖2所示.利用Siraulink的數學模塊中邏輯運算元件可實現上述功能。

(3)延時電路的建模

在邏輯判斷電路發出切換指令后,必須經過封鎖延時Tdbl=3ms才能封鎖原導通組脈沖,再經開放延時Tdt=7ms后才能開放另一組脈沖。在數字邏輯電路的DLC裝置中是在與非門前加二極管及電容來實現延時,它利用了集成芯片內部電路的特性。計算機仿真是基于數值計算,不可能通過加二極管和電容來實現延時。通過對數字邏輯電路的DLC裝置功能分析發現:當邏輯電路的輸出Uf l(Url)由“0”變“l”時,延時電路應產生延時;當由“l”變“0”或狀態不變時,不產生延時。根據這一特點,利用Simulink工具箱中的微分元件、傳遞延遲元件、選擇開關元件,按功能要求連接,即可得到滿足系統延時要求的仿真模型結構。如圖2所示。

      圖2 DLC仿真模型及模塊符號

(4)聯鎖保護電路建模

DLC裝置的最后部分為邏輯聯鎖保護環節。正常時,邏輯電路輸出狀態U和Ud總是相反的。一旦DLC發生故障,U和U同時為“I”,將造成兩個晶閘管橋同時開放.必須避免此情況。利用Simulink工具箱的邏輯運算元件可實現多“1”聯鎖保護功能。

圖2a是根據文獻[4]設計的DLC仿真模型.封裝后的DLC模塊符號如圖2b所示。經測試:其功能完全符合文獻[4]中各量問的邏輯關系。

2.3邏輯無環流可逆系統的建模與封裝

從DLC的工作原理可知,任何時候只有一套觸發電路在工作,實際系統通常采用選觸工作方式。帶電流負反饋的邏輯無環流可逆系統的仿真模型如圖3a所示,封裝后的系統模塊符號如圖3b所示。

 

圖3帶電流負反饋的邏輯無環流可逆系統仿真模型和模塊符號

3邏輯無環流三相交/交變頻器的建模及仿真

大容量三相交/交變頻器輸出通常采用Y形聯結方式,即將三個單相輸出交/交變頻器的一個輸出端連在一起,另一輸出端Y輸出。三相交/交變頻器仿真模型結構圖如圖4a所示。本例負載為串聯RL負載,負載采用Y聯結,三根引出線與變頻器的三根輸出線對應相連,移相控制信號UgsinA、Ugd sinB、UgdsinC為三個相位互差120°的正弦調制信號,I—SubsystemA、I一SubsystemB、I一SubsystemC為經過封裝的單相交/交變頻器。三相交/交變頻器的仿真參數:負載電阻1Ω、負載電感20×10ˉ3H;工頻三相對稱交流電源:A、B、C幅值100V;正弦調制波:UgsinA、UgsinB、UgsinC幅值30、頻率10Hz。

仿真結果如圖4b,圖中光滑的波形為正弦調制波波形,非光滑的波形為三相交/交變頻器輸出波形。仿真結果表明:三相交/交變頻器的輸出波形接近于正弦調制波波形,相位互差120°;改變正弦調制波頻率時,三相交/交

變頻器的輸出波形頻率也改變,實現變頻。

4交/交變頻開環調速系統的建模與仿真

下面將三相交/交變頻器和異步電動機組成一個簡單的開環交/交變頻調速系統,以實例說明其應用。圖5a是調速系統的仿真模型,只要將圖4a中的RL負載換成異步電動機負載即可。有關仿真參數如下:

三相正弦給定信號:幅值25、頻率為5Hz和l0Hz;工頻三相對稱交流電源:A、B、C幅值100V;

   

(a)

 

(b)

圖4三相交/交變頻器仿真模型結構圖及電流輸出波形

異步電動機參數:Ue=220V、?e=50Hz、Rs=0.435Ω、Rr=0.816Ω、轉動慣量J=2 kg?㎡。

圖5b、圖5c分別是三相交交變頻器輸出頻率為5Hz和10Hz時異步電動機定子三相電流、轉速波形。由于未運用高性能電機控制策略,調速系統性能還不夠好,但已經能看到交/交變頻的調速效果(?=5Hz時n=45r/rain、?=lOHz時n=95r/rain)。

5結束語

 晶閘管交/交變頻器在大功率場合很有實用價值。  

(a)

  

(b)                    (c)

         圖5定子電流波形和電機速度波形

本文提出的邏輯無環流三相交/交變頻器的仿真方法和建立的模型可以對交/交變頻器的輸出電壓、電流進行仿真,也可對交/交變頻調速系統進行仿真,它提供了一種不依賴于數學模型的仿真手段。

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