六脈波雙變量交交變頻調速系統的Matlab仿真

倪 璐, 田 力

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院, 河南 焦作 454000; 2.河南平原光電有限公司, 河南 焦作 454000)

六脈波雙變量交交變頻調速系統的Matlab仿真

倪 璐1, 田 力2

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院, 河南 焦作454000;
2.河南平原光電有限公司, 河南 焦作454000)

雙變量控制原理是指在單變量控制原理的基礎上,加入對脈沖寬度β的控制,可以實現交交變頻器的自然無環流控制.文章介紹了雙變量控制原理的基本概念,并對六脈波雙變量交交變頻調速系統在Matlab仿真軟件中進行仿真研究.通過S函數編寫雙變量交交變頻控制算法,并通過系統建模驗證雙變量控制理論下交交變頻的輸出效果.結果表明:雙變量控制算法在交交變頻器自然無環流控制中具有較好的控制效果.該控制算法可以廣泛應用于冶金、煤炭、軍事等國民生產的各行各業.

雙變量; 交交變頻;Matlab; 調速系統; 控制算法

0 前 言

變頻器以其環保、節能等優點,廣泛應用于現代工業中.交交變頻屬于直接變頻的一種,由于其在電能變換過程中沒有中間直流環節,故整機效率較高,當前正在發展的矩陣變換器也屬于直接變頻.交交變頻多采用晶閘管作為主控器件,自然換相,不需要設置強迫換相裝置,從而簡化了設備,提高了裝置的可靠性和能量轉換效率.傳統的交交變頻常常僅關心觸發脈沖的相移控制角,即單變量控制;雙變量控制是指在角控制的基礎上加上對脈沖寬度的控制,來實現雙變量相控變流器及變頻器的自然無環流控制[1].

本系統采用Matlab/Simulink對六脈波交交變頻調速系統進行建模仿真,并利用其中的S函數模塊實現雙變量控制[2].

1 雙變量控制基本原理

1.1 相移控制角α的確定

相移控制角α決定著晶閘管的導通時刻,為得到最好的輸出電壓正弦度及最小的電壓波形畸變,采用余弦交截法確定晶閘管的觸發時刻.交交變頻晶閘管觸發規律為正組晶閘管觸發時刻選擇同步余弦波與基準波下降沿的交點時刻,且將要導通的晶閘管電壓高于將要關斷的晶閘管電壓;負組晶閘管觸發時刻選擇同步余弦波與基準波上升沿的交點時刻,且將要導通的晶閘管電壓低于將要關斷的晶閘管電壓[3].

1.2 脈沖寬度b的確定

產生環流主要是因為電流換向出現在晶閘管觸發規律改變之前,從而造成了環流.如果在觸發規律改變之前,控制晶閘管的觸發脈沖寬度,使電流到零后就自然關斷,不讓它有反向導通的可能性,晶閘管就能夠在零電流下實現自然換向.但是脈沖寬度b(t)的確定并非單值函數,它是由負載的大小、性質,輸出的頻率、電壓和電源電壓波形等多種因素共同決定的,總結出以下原則來確定脈沖寬度:

(1) 在不需要電流換向的元件切換過渡過程中,要保證觸發脈沖的下降沿超前于導通電源電壓片段的過零時刻;

(2) 在需要電流換向的元件切換過渡過程中,要保證觸發脈沖的寬度足以使輸出電流從電源同一相兩只反并聯的晶閘管之間自然換向,使兩只反并聯的晶閘管同時觸發,以保證電流實現在任意功率因數下的自然換向.

2 六脈波交交變頻調速系統設計

2.1 主電路設計

交交變頻器是使用晶閘管全控整流器組合而成的變頻電路[4].六脈波雙變量交交變頻調速系統主電路由變壓器、晶閘管轉換電路、保護電路、檢測電路等構成,其結構原理如圖1所示.其中變壓器分為:同步變壓器和三相變六相變壓器.同步變壓將輸入電壓降壓,變為24 V,是主電路和控制電路的橋梁,將控制電路的時間基準和主電路保持一致;三相變六相變壓器的變比為1∶1,原邊為三角形接法,可以減少3及3 K次諧波流入電網,副邊為星形連接,中線引出,將工頻三相交流電轉換為相位互錯60°的六相電源.晶閘管轉換電路為零式拓撲,結構簡單、控制方便、工作可靠.保護電路包括阻容保護和快速熔斷器兩部分構成.阻容保護電路可以減小因晶閘管頻繁導通或關斷產生的電壓過沖;快速熔斷器則在短路時起到保護作用.檢測電路包括電流檢測和速度檢測兩部分,電流檢測器件為電流互感器,速度檢測采用光電編碼器.

2.2 控制電路設計

六脈波雙變量交交變頻調速系統的控制電路主要由CPU及擴展電路、同步電路、脈沖觸發模塊、信號檢測模塊、通信接口和人機界面等模塊構成[5].控制電路的結構框圖如圖2所示.

三相電源經過同步變壓器降壓、整形濾波變為同步方波信號,同步信號與控制器中的鎖相環電路形成閉環,保證控制電路和主電路間的時間同步.控制器根據余弦交截法和雙變量控制算法,在特定的時刻對相對應的晶閘管發出觸發信號.觸發信號經過放大輸出,觸發晶閘管導通.在變頻輸出端通過電壓、電流互感器檢測當前的變頻輸出情況,并反饋給控制器.同時,在電機的軸端加入光電編碼器,檢測當前轉速,并送入控制器.控制器可以通過人機界面將當前轉速、電壓、電流信號顯示出來,同時可以通過串口通信方式,將所測信號送入上位機.另外,在控制器中預留了部分I/O接口,以作為控制器的擴展使用.

3 仿真模型的建立

根據六脈波雙變量交交變頻器的主電路結構,在Matlab/Simulink下建立六脈波交交變頻調速系統閉環仿真模型[6],并根據雙變量交交變頻控制算法進行仿真研究,驗證其控制效果.由于異步電動機具有非線性、多變量、強耦合的性質,其模型的建立是否接近實際的物理對象,是整個系統仿真結果是否接近實際情況的關鍵[7].

圖1 六脈波交交變頻調速系統主電路圖Fig.1 Diagram of main circuit for six-wave AC-AC converter system

圖2 控制電路框圖Fig.2 Control circuit diagram

圖3是六脈波交交變頻調速系統的閉環仿真模型.主要由6相電源、晶閘管電路、三相異步電動機、測量模塊、電機負載S函數模塊、速度給定S函數模塊、觸發S函數模塊和負載轉矩S函數模塊等構成[8].

3.1 觸發S函數模塊

觸發S函數模塊是仿真模型的核心部分.有1個輸入,36個輸出,輸入為當前轉速與給定轉速的轉速偏差,輸出分別為36只晶閘管的觸發信號.在S函數中,將余弦交截法和雙變量控制原理用C語言編寫計算程序,計算出每只晶閘管的觸發時刻,一旦仿真時刻到達晶閘管的觸發時刻,該路輸出為1,其他路輸出為0.觸發S函數流程如圖4所示. 通過S函數進行系統仿真,可以方便地驗證控制算法的正確性,具有十分重要的意義[9].

3.2 晶閘管電路模塊

本系統采用六脈波交交變頻器的零式電路結構.每相輸出有12只晶閘管,三相一共由36只晶閘管構成.零式結構的變頻電路所需晶閘管比三相橋式少一半,其成本相對較低、控制簡單、可靠,容易實現自然無環流控制[10].每一相輸出由六相電源的片段拼接而成.每相輸入電源上接一對反并聯的晶閘管,可以使電流正、反流過.在仿真系統中,將每一相輸出的12只晶閘管作為一個電路模塊,U相輸出的晶閘管電路模塊如圖5所示.晶閘管的觸發由觸發S函數模塊的輸出控制.

3.3 其他模塊

三相異步電動機模塊是系統仿真模型中的控制對象,其參數設置如圖6所示.這些參數根據JR51-4三相異步電動機的銘牌參數近似計算出來,具有一定的參考價值.負載轉矩模塊的作用是給電機加載,并通過修改其參數值來改變負載大小;電機參數測量模塊的作用是測量電機仿真運行過程中各參數的變化過程.

圖3 六脈波交交變頻調速系統仿真模型Fig.3 Simulation model of six-wave AC-AC converter speed regulation system

圖4 S觸發函數流程圖Fig.4 Trigger S-function flowchart

圖5 U相晶閘管電路模塊Fig.5 Thyristor circuit module of U phase

圖6 三相異步電動機模塊參數設置Fig.6 Simulation parameters of three phase asynchronous motor

4 仿真結果

根據建立的仿真模型進行交交變頻仿真.圖7為三分頻輸出電壓、電流、轉速轉矩仿真波形.圖8為五分頻輸出電壓、電流、轉速轉矩仿真波形.從三分頻、五分頻的仿真結果中可以看出:三分頻時,電壓、電流的周期為0.06 s,輸出電壓峰值為102 V,電機轉速穩定在500 r/min;五分頻電壓、電流周期為0.1 s,輸出電壓峰值為62 V,電機轉速穩定在300 r/min,與理想電壓、電流、轉速一致.

圖7 三分頻各種仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of 3 division frequency

5 結 論

通過在Matlab中建立交交變頻調速系統模型,編寫S函數實現交交變頻的雙變量控制.從仿真結果可以看出,雙變量交交變頻的輸出電壓具有良好的正弦度和對稱度、電流換流平滑、無死區、無環流,電機運行狀態平穩.驗證了雙變量控制算法的正確性.

圖8 五分頻各種仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of 5 division frequency

[1]杜慶楠,王新.晶閘管相控變流器及變頻器的雙變量相控理論[M].北京:機械工業出版社,2006.[2]喬顯華,李文,劉進英,等.一種基于MATLAB7.1的簡單直接轉矩控制系統仿真[J].儀器儀表標準化與計量,2006(4):5-7.[3]楊樹德.變結構六脈波雙變量交-交變頻閉環調速系統專家PID控制策略研究[D].焦作:河南理工大學,2012.

[4]劉榮華,鄧世建,潘雷.交-交變頻器特性分析及軟件仿真[J].中國電力教育,2008 (12):568-571.

[5]馮高明,李玉東,杜慶楠.電動葫蘆型橋式起重機交-交變頻驅動裝置的研制[J].電氣傳動,2010,40(4):28-31.

[6]張迪凡.異步電動機分頻起動特性的仿真研究[J].煤礦機電,2010,31(10):73-74.

[7]馬舉,劉齊宏,冷靜.基于Matlab/Simulink交流變頻調速系統的仿真研究[J].中國測試技術,2008,34(2):54-56.

[8]王海軍,杜慶楠,王滿利.交變頻用6相變壓器的Matlab輔助設計[J].電氣傳動,2009,39(4):9-13.

[9]李高舉,杜慶楠.基于S函數的交-交變頻平滑過渡仿真[J].煤礦機械,2013,34(3):66-68.

[10]劉華林.基于Matlab的雙變量六脈波交交變頻器特性研究[J].電氣傳動,2009 (1):32-35.

[11]張迪凡.異步電動機分頻起動特性的仿真研究[J].煤礦機電,2010,31(10):73-74.

SimulationofSix-pulseDouble-variableCycloconverterSpeedRegulationSystembyMatlab

NILu1,TIANLi2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,
Jiaozuo454000,China; 2.HenanPingyuanOpticsElectronics
Co.,Ltd.,Jiaozuo454000,China)

Double variable control theory,meaning adding the pulse widthβon the single variable control principle,helps to achieve natural non-circumfluence control on cycloconverter.This paper introduced the basic concepts of the double-variable control theory,and studied the simulation of six-pulse double-variable cycloconverter speed control system by Matlab.The output effect of double-variable control theory of cycloconverter was verified through system modeling and through the double-variable cycloconverter control algorithm achieved by S-function.The simulation results show that double-variable cycloconverter has better control effect on cycloconverter in natural non-circumfluence control.The control algorithm can be widely used in industrial production,metallurgy,coal,military and other national industries.

double-variable; cycloconverter; Matlab; speed regulation system; control algorithm

2014-07-03

倪 璐(1989-),女,碩士研究生,主要從事控制工程以及微電子方面的研究.E-mail:276649252@qq.com

TM921

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