异步电动机交／交变频调速系统的建模与仿真

 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。