基于Simulink的繞線式異步電機串級調速系統虛擬實驗分析

張厚升, 于蘭蘭, 孟天星, 姜吉順

(山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博　255049)

?

基于Simulink的繞線式異步電機串級調速系統虛擬實驗分析

張厚升, 于蘭蘭, 孟天星, 姜吉順

(山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博255049)

將Matlab/Simulink引入課程的虛擬實驗教學之中。利用Simulink建立了雙閉環控制的繞線式異步電機串級調速系統仿真模型,給出了仿真參數,利用仿真結果分析了串級調速系統的啟動過程、突加負載和轉速給定值改變時的動態調節過程,驗證了該調速系統仿真模型的正確性。在實驗教學中,Simulink仿真模型輔助學生對系統動態調節過程的理解、建立系統級控制思想,也可用于研究和開發異步電機串級調速系統。

異步電機； 串級調速； 仿真模型； Simulink

運動控制系統[1-5]是高校自動化、電氣工程等專業的重要專業基礎課程,串級調速是其中很重要的內容。繞線式異步電機的特點是轉子繞組可以外接電阻或者附加電動勢[4-10],通過調節外接電阻或附加電動勢來限制異步電機的啟動電流或調節異步電機的轉速。因為串電阻調速的方法要消耗系統功率,因此效率比較低[11-14],一般用于有級調速。采用整流技術的串級調速,可將異步電機轉差功率經過變換器回饋到交流電網,不僅可以減小轉差功率的損耗、減少網側的諧波含量和提高系統效率,而且還可以實現無級調速,有更好的調速性能。

現行專業教材中,主要是針對串級調速系統的原理、類型、機械特性等進行理論分析,而對于動態調速過程很少涉及。本文在分析繞線式異步電機串級調速系統基本結構與原理的基礎上,借助Simulink仿真軟件,建立了系統的仿真模型,利用仿真實驗得到的波形分析串級調速系統的啟動過程、突加負載過程和改變電壓給定值時的動態調速過程,旨在拓展現有教材內容,讓學生加深對雙閉環控制的串級調速系統的理解和開展深入研究。

1　繞線式異步電機串級調速系統及工作原理

雙閉環控制的繞線式異步電機串級調速系統的結構如圖1所示。該調速系統由主電路和控制電路兩大部分組成:主電路包括繞線式異步電機、二極管不控整流器、晶閘管逆變器、變壓器等；控制電路包括轉速和電流的檢測與反饋裝置、電壓給定環節、轉速調節器(ASR)、電流調節器(ACR)、晶閘管脈沖觸發電路等。轉速反饋信號由測速發電機環節檢測與轉換,由電流互感器對逆變器交流側的電流進行實時檢測并進行反饋[3]。改變轉速給定的電壓信號,可以實現對串級調速系統轉速的設定與調節。雙閉環控制的繞線式異步電機串級調速系統可以通過改變逆變角β的大小來控制轉子電流,進而實現調速。

圖1　雙閉環控制的繞線式異步電機串級調速系統結構圖

在調速系統中,平波電抗器Ld的作用是平滑電流id。在這種調速方式中,轉子轉差功率經過二極管不控整流器、晶閘管逆變器和變壓器回饋電網,所以屬于

異步電機轉差功率饋送型調速系統[11],系統的效率比較高,屬于節能的交流調速方式。為了有效地防止逆變顛覆,在電流調節器ACR輸出電壓為0 V時,需要設定最小逆變角βmin。ASR和ACR均采用PI調節器,可以實現轉速、電流的無靜差調節。該串級調速系統具有靜態穩速與動態恒流的作用。

2　仿真模型與仿真參數

2.1Simulink仿真模型

利用Matlab/Simulink建立的雙閉環控制的串級調速系統的仿真模型如圖2所示。該仿真模型由主電路和控制電路兩部分組成。

主電路部分的三相交流電源采用3個正弦電壓源模塊usa、usb和usc；異步電機采用Asynchronous Machine SI Units；整流裝置采用2個多用橋模塊,即二極管整流器模塊Diode和晶閘管逆變器模塊inverter；三相變壓器模塊采用Three-Phase Transformer (Two Windings)。采用電動機檢測模塊Machines Measurement Demux實時檢測電機定子和轉子的轉速、轉矩和三相電流。電機的負載轉矩采用階躍信號模塊TL。對于變壓器二次側電壓和電流、晶閘管逆變器直流側電壓ud2和電抗器L的電流id、二極管整流器模塊Diode的輸出電壓ud1和輸出電流id,采用多路檢測儀Multimeter實時檢測。對于仿真模型中交流電源、電機定子側和變壓器二次側其中一相的有功功率和無功功率的檢測采用3個功率測量模塊Active & Reactive Power2,便于比較串級調速系統的功率流向。

圖2　雙閉環控制的串級調速系統Simulink仿真模型圖

在控制電路部分,由ASR和ACR構成雙閉環結構,兩個調節器均采用PI控制器。對于外環ASR來說,自電機檢測模塊引出轉速反饋；對于ACR來說,自平波電抗器的電流檢測信號id引出電流反饋信號。轉速信號由階躍模塊un*設定。ACR輸出的移相控制信號uct經函數模塊Fcn變換為控制角α。由于晶閘管逆變器模塊inverter處于逆變狀態,變換函數Fcn=(180°-βmin)-6u,其中βmin為最小逆變角,u為模塊的輸入信號。在此處,將ACR的輸出限幅下限值設為0,鑒于變壓器二次側電壓含有較多諧波成分,觸發器6-pulse的同步信號取自三相電源。

2.2仿真參數

對于圖2所示的雙閉環控制的串級調速系統Simulink仿真模型,主要仿真參數如下:

三相電源:Peak amplitude:220*sqrt(2),Frequency為50 Hz；

異步電機:Pn=40 kVA,Vn=380 V,Fn=50 Hz,Rs=0.096 Ω,Lls=0.86 mH,Rr=0.058 Ω,Llr=0.86 mH,Lm=0.031 mH,J=0.4,F=0,P=2

電感:L=10 mH

三相變壓器:Pn=40 kVA,Fn=50 Hz,V1=380 V,R1=0.002 pu,Ll1=0.08 pu,V2=350 V,R2=0.002 pu,Ll2=0.08 pu,Rm=5×105pu,Lm=5×105pu,

負載:Step time:1,Final value:300

轉速給定:Step time:2,Initial value:10,Final value:7,Sample time:0

ASR:kp=17.42,ki=11.494,積分限幅為:Iup=15,Ilow=-15,PI限幅為:PIup=10, PIlow=-10

ACR:Kp=4.17,ki=41.67,積分限幅為:Iup=15,Ilow=-15,PI限幅為:PIup=10, PIlow=0

移相函數:Fcn=150-6u,u為模塊輸入,該函數將ACR輸出的移相控制信號uct變換為控制角alpha(以角度為單位)。

電流反饋系:0.05

轉速反饋系數:0.00667

3　仿真結果與分析

圖3給出了異步電機雙閉環控制的串級調速系統在啟動、突加負載和改變電壓給定值等調速過程中的轉速、轉矩、電樞電流、相電流、控制電壓和控制角的瞬時響應仿真波形。

圖3　異步電機雙閉環串級調速系統部分仿真波形

異步電機雙閉環控制的串級調速系統在直接啟動時,由于系統的轉差非常大,轉子的電壓特別高,盡管晶閘管整流器的控制角此時已經為150°,βmin=30°,但是直流回路中的電流仍非常大,最大為800 A左右,0.5 s以后,異步電機啟動過程趨于結束,轉速基本達到額定轉速1 500 r/min,此時電流開始迅速下降為零,即理想空載狀態,轉矩也保持為0,控制角減小為90°左右。由于采用雙閉環PI調節器,穩速后系統的控制電壓uct保持恒定值10 V不變。從這一點來說,異步電機雙閉環串級調速系統在啟動時最好用轉子串電阻啟動,可以有效限制系統的啟動電流,待啟動過程結束后,再將串級調速裝置切換進來。

在1 s時異步電機雙閉環串級調速系統突加負載300 N?m,此時異步電機轉速下降,直流回路的電流相應上升,轉矩也由0上升為300 N?m,系統的控制電壓uct仍保持恒定值10不變,經閉環調節后,異步電機進入穩定工作階段,轉速略低于1 400 r/min。

在2 s時,將轉速給定值un*由10減小為7,理論上轉速由1 500 r/min減為1 050 r/min,從仿真波形圖3上看,隨著轉速給定值的減小,轉速迅速隨之減小,異步電機進入調速階段,實測穩定轉速為1 050r/min,與理論計算值吻合。

在突加負載、突減轉速給定值的調節過程中,由于負載的大小恒定為300 N?m,因此異步電機的電流也不發生變化,隨著轉速給定值的改變,控制電壓uct有所下降,晶閘管整流器的控制角變化為100°左右。

圖4給出了異步電機、電源和變壓器二次側各一相的無功功率Q和有功功率P。在1 s突加負載時,電源輸出的有功和無功功率、電機輸入的有功功率和無功功率均為正值,但是變壓器二次側的有功功率卻為負值,這說明異步電機轉子的轉差功率經串級調速系統輸出,并經變壓器對電網進行回饋。這也就是串級調速系統能夠節能的主要原因所在,但是,從圖4(c)可以看出,轉子在輸出有功功率的同時也產生了較大的無功功率,這會使電源輸出的無功功率(圖4(a))大于電動機輸入的無功功率(圖4(b)),會使異步電機雙閉環串級調速系統的功率因數下降,這是串級調速系統的不足之處。

圖4　異步電機雙閉環串級調速系統的功率仿真曲線

從圖5可以看出電動機、電源和變壓器二次側一相的電壓和電流的關系,即電流滯后于電壓,異步電機雙閉環串級調速系統會產生感性無功功率。在圖5(c)中可以看到變壓器二次側電流落后于電壓超過90°,并因此產生負的有功功率。

圖5　串級調速系統功率、電壓和電流部分仿真波形

圖6給出了二極管整流器和晶閘管逆變器直流側電壓的仿真波形對比圖。從圖6(a)可以看出,由于晶閘管逆變器工作于逆變狀態,晶閘管逆變器直流側電壓ud2的波形實際是由三相電壓的負半周部分波形組成；又因為變壓器繞組漏抗等原因,逆變器中的晶閘管產生重疊換相現象,使直流側電壓ud2產生了換相壓降,而且在變壓器二次側三相電壓波形上形成對應的波形缺口,也會使變壓器二次側三相電壓含有諧波。這也會進一步降低雙閉環串級調速系統的功率因數。從圖6(b)可以看出,二極管整流器的直流側輸出電壓ud1和晶閘管逆變器直流側電壓ud2的極性是相反的,因此在實驗時需要注意這兩個整流逆變模塊的連接方式。

圖6　雙閉環串級調速系統電壓仿真波形比較圖

4　結論

通過對繞線式異步電機雙閉環控制的串級調速系統的建模與仿真,驗證了所建立的Simulink仿真模型的正確性。虛擬仿真結果表明:所建立的繞線式異步電機雙閉環串級調速仿真模型的動態響應與實際調速系統的運動過程基本上是相吻合的,仿真結果能夠比較準確地反映串級調速系統的實際工作狀況。在教學中利用Simulink進行仿真實驗,可以比較容易、準確地獲取仿真波形,讓學生觀察到系統在不同控制參數下的輸出響應,從而幫助學生加深對系統動態調節過程的理解和建立系統級控制的思想。

References)

[1] 魏偉.基于SIMULINK異步電機矢量控制仿真實驗研究[J].實驗技術與管理,2009,26(1):71-73,77.

[2] 甄亞,王兵樹,殷利杰.斬波串級調速系統功率因數的分析[J].電機與控制應用,2009,36(2):25-29.

[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統:運動控制系統[M].3版.北京:機械工業出版社,2003.[4] 謝勝利.串級調速系統諧波與功率因數的仿真研究[D].保定:華北電力大學,2007.

[5] 顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO:清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23.

[6] 馮陽,王奔,王亞芳,等.電流型PWM變流器在串級調速中的應用[J].電測與儀表,2014(19):116-122.

[7] 盧秉娟.運動控制系統課程教學突出工程實際應用性研究[J].洛陽理工學院學報:自然科學版,2011,21(3):88-90.

[8] 洪乃剛.電力電子、電機控制系統的建模與仿真[M].北京:機械工業出版社,2012.

[9] 顧春雷,陳中.電力拖動自動控制系統與MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社,2011.

[10] 安躍軍,孟昭軍.電機系統及其計算機仿真[M].北京:機械工業出版社,2014.

[11] 洪乃剛.電力電子電機控制系統仿真技術[M].北京:機械工業出版社,2013.

[12] 沈艷霞,趙芝璞,紀志成.Matlab/Simulink在運動控制系統教學中的應用[J].貴州大學學報:自然科學版,2005,11(4):435-438.

[13] 孟瑜,劉文輝,張海濤,等.6kV/1250kW繞線式電機的新型串級調速裝置[J].電力電子技術,2004,38(1):60-62,74.

[14] 張照彥,馬永光,王興武,等.斬波串級調速系統逆變側電子保護電路的研究與設計[J].電力系統保護與控制,2015,43(15):1-6.

Virtual experiment and analysis of wound-rotor asynchronous motor cascade speed control system based on Simulink

Zhang Housheng, Yu Lanlan, Meng Tianxing, Jiang Jishun

(College of Electrical & Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The Matlab/Simulink software is presented into the course’s virtual experiment teaching. The simulation model of wound-rotor asynchronous motor cascade speed control system controlled by dual-loop is established. Simultaneously, the simulation parameters of the proposed simulation model are given respectively. The starting process, the loading process, and the speed dynamically adjusting process when the voltage given value changes, are analyzed in detail based on the simulation results. The feasibility of the cascade speed control system is verified by the simulation results. In the experiment teaching, the Simulink simulation model will help students understand the dynamic adjustment process, establish the system-level control idea. It can also be used for research and development on wound-rotor asynchronous motor cascade speed control system.

asynchronous motor; cascade speed control; simulation model; Simulink

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.029

2015-10-29

教育部、財政部職業院校教師素質提高計劃資助項目(VTNE019)；山東省高等學校科技計劃資助項目(J11LG25)；山東省自然科學基金資助項目(ZR2014EL032);山東理工大學青年教師發展支持計劃資助項目(L2015011)；山東理工大學綜合課程改革資助項目(114129、115061)

張厚升(1976—),男,山東臨沂,博士,副教授,主要研究方向為電氣自動化、電力電子與電力傳動.

E-mail：zhseda@163.com

TM921

A

1002-4956(2016)6-0112-05