田 宇

(延安大學物理與電子信息學院 陜西延安 716000）

現(xiàn)代電動機的應用主要集中在風機以及水泵兩個大方面，不僅在城市的供暖系統(tǒng)、國家電網(wǎng)以及石油采集等經(jīng)濟應用領域中得到有效的使用，還在生產(chǎn)設備、新能源開發(fā)等高新技術產(chǎn)業(yè)中得到有效的拓展。但是，因為電動機調(diào)速方法沒有實現(xiàn)高效創(chuàng)新，在風機或者水泵使用的過程中極大程度造成電量、熱能的損耗，不僅降低了設備的使用壽命還給產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益穩(wěn)定性帶來重大的威脅。雙饋電機是電機與電力電子技術和數(shù)控技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是機電一體化的高新技術產(chǎn)品。無論是在電動工況還是發(fā)電工況下，轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)，因具有非常好的穩(wěn)定性能而被廣泛關注。大多數(shù)科研工作者就雙饋電機的磁場調(diào)節(jié)機理、結(jié)構以及控制策略進行深入研究，而對于調(diào)試控制系統(tǒng)的仿真模擬設計的研究甚少。本文針對傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低的問題，結(jié)合雙饋電動機節(jié)能調(diào)速的具體實際，進行調(diào)速控制系統(tǒng)的設計與仿真模擬。

一、雙饋電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的設計

電動機調(diào)速系統(tǒng)是由速度和電流組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅帶有速度外環(huán)，還帶有電流內(nèi)環(huán)。如圖1所示，為雙閉環(huán)斬波串級調(diào)速方框圖，外環(huán)為速度反饋，由測速裝置測得電機的實際轉(zhuǎn)速與給定的速度進行比較，將比較結(jié)果送入速度調(diào)節(jié)器。內(nèi)環(huán)為電流反饋，如圖所示，測定進過整流逆變后的電流反饋到速度調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果，兩者比較再送入電流調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，把最終結(jié)果輸出到IGBT，控制IGBT的占空比從而來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。由此可見，電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中占有重要的地位。以下將對這兩個調(diào)節(jié)器進行分析設計。

圖1 雙閉環(huán)斬波串級調(diào)速方框圖

（一）電流調(diào)節(jié)器的設計。

1.結(jié)構選擇。根據(jù)性能指標要求σi≤5%；抗干擾性能適中調(diào)節(jié)器選用PI，其傳遞函數(shù)為：

2.參數(shù)計算。在進行結(jié)構選擇之后需要對電流環(huán)進行校正，一方面是為了使電流調(diào)節(jié)器的領先時間常數(shù)τi與對象的大慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)T1相互抵消，即取τi=T1。另一方面，電流給定濾波和電流反饋濾波的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

依據(jù)控制理論，控制對象的大時間常數(shù)極點的數(shù)值應該與調(diào)節(jié)器的零點數(shù)值相等，即Ti=Td。所以，電流內(nèi)環(huán)的此時，開環(huán)傳遞函數(shù)則為

其中，KI=KiKrKsKfi，電流內(nèi)環(huán)放大系數(shù)。

（二）速度調(diào)節(jié)器的設計。為了實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)器沒有靜差，需要在設計上添加積分環(huán)節(jié)以保證轉(zhuǎn)速在動態(tài)控制過程中能正常運行。因此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇了PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

綜合考慮動態(tài)抗擾性能和起動性能，取中頻寬h=5較好，如按γmax準則確定參數(shù)關系，則

二、雙饋電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

（一）雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)建模。由于雙饋電機與繞線異步電機具有相同的結(jié)構，因此本文中雙饋電機采用繞線式異步電動機代替。斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要逆變器、整流器、繞線式異步電動機、逆變變壓器、濾波電抗器、斬波器件IGBT、二極管和電容等組成。雙閉環(huán)控制電路主要由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、濾波器、脈沖發(fā)生器等組成。

繞線式異步電動機為807kw/6000V的繞線式異步電動機，所帶為平方負載，系統(tǒng)的調(diào)速范圍為nN～0.5n0,開關器件的最小占空比dmin=0.1，最小逆變角βmin=300。升壓電感Lf為5mH，平衡電感Lb10mH，濾波電容C1為1000μF。

在本次設計中電源模塊將采用電源子庫（Electrical Sources）中 的 正 弦 交 流 電 壓 源（AC Voltage Source）。整流橋和逆變橋均采用電力電子庫（Power Electronics)中通用橋模塊Universal Bridge，設置時分別選擇Diodes和Thyristors就可以得到整流橋和逆變橋模塊。IGBT模塊則選用電力電子庫中的IGBT模塊。三相繞線異步電機采用電機子庫（Machines）中的異步電機（國際單位）模塊（Asynchronous Machine SI Units）。

雙饋電機斬波串級調(diào)速的Simulink仿真步驟：

1.建立Simulink仿真模型。打開MATLAB7.0軟件，點擊界面上面工具條中的Simulink圖標，在彈出Simulink Library Browser的界面，點擊新建按鈕就會出現(xiàn)Simulink仿真界面。將本設計中所用到的原件按圖2和圖3所示在仿真界面搭建模型。

圖2 系統(tǒng)控制電路仿真模型

圖3 主電路仿真模型

2.原件參數(shù)設置。建立好仿真模型后就是對各個模塊進行參數(shù)的設置。選中一個模塊雙擊它，如選中電機模塊（Asynchronous Machine SI Units），雙擊此模塊將會出現(xiàn)電機參數(shù)設置框。具體參數(shù)設置如下：Preset model:NO;Rotor type:Wound;Reference frame:Rotor;Nominal power:807e3;voltage:6e3;frequency:50;Stator resistance:0.52;Mutual inductance Lm(H):0.312;Initial conditions:[1,0 0,0,0 0,0,0]。

3.系統(tǒng)封裝。為了便于檢查和分析可以將多個模塊組合成的整體進行封裝處理。本次設計中脈沖發(fā)生器由一個三角波產(chǎn)生器和一個滯環(huán)比較器組成它們共同作用產(chǎn)生系統(tǒng)所需的方波，為了使仿真圖更加簡潔就可以將這兩個模塊封裝到一起變成一個模塊。首先選中這兩個模塊右擊鼠標點選Create Subsystem選項完成封裝。如圖4（左：封裝前；右：封裝后）分別為脈沖發(fā)生器封裝前后模塊圖。

圖4 脈沖發(fā)生器封裝前后模塊圖（左：封裝前；右：封裝后）

4.系統(tǒng)仿真運行。仿真圖完成后將進行最后一步系統(tǒng)的運行。點擊運行按鈕觀察仿真波形對系統(tǒng)進行調(diào)試和分析。

（二）仿真結(jié)果。在雙饋電機調(diào)速控制系統(tǒng)中采用6000v的三相交流電源。仿真過程的終止時間選擇了4秒，仿真算法設置ode23tb。ode23tb是TR-BDF2的一種實現(xiàn)，TR-BDF2是具有兩個階段的隱式龍格－庫塔公式比較適用于剛性問題的解答。所以，在正常仿真模式下通常會選擇相對允許誤差10-2，絕對允許誤差設置auto，步長選擇可變。其中，脈沖仿真器由一個三角波發(fā)生器和一個頻率開關組成。當三角波的幅值超過1時開關打開輸出數(shù)值1，其它情況開關關閉輸出數(shù)值0，這樣就形成了一組規(guī)則的方波。交流電源為三個6000v相位相差120度的單相交流電源。

圖5 電機轉(zhuǎn)速仿真

如圖5所示，為電機啟動到逐漸穩(wěn)定的電機轉(zhuǎn)速圖。從圖中可以看出電機啟動后轉(zhuǎn)速由0逐漸加速到穩(wěn)定，由于系統(tǒng)誤差，轉(zhuǎn)速還存在一點小小的波動。

圖6 電機調(diào)速仿真波形

如圖6所示，在0.2s時電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min，當在0.25s時給電機一個調(diào)速指令速度1200r/min后，電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，大約0.05s后電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到1200r/min。由于機械誤差的原因，盡管調(diào)速波形存在些許波動但是屬于正常現(xiàn)象。從仿真結(jié)果的各項參數(shù)都說明了這次的仿真達到了預期的效果。當輸入一個給定速度時，系統(tǒng)能自動通過速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的比較從而控制IGBT的占空比進而控制電機轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

三、結(jié)論

本文針對引風機串級調(diào)速系統(tǒng)進行設計，探討一種新型的調(diào)速系統(tǒng)——斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)。主要采用了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，對高頻仿真實驗進行研究，不僅考慮到轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計，還使用了Simulink模塊對系統(tǒng)進行仿真，得到良好的仿真效果。與傳統(tǒng)串級調(diào)速相比較，雙饋電動機斬波式調(diào)速系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)的功率因數(shù)等優(yōu)點，雙饋電動機運行可以在不同負載下靈活調(diào)節(jié)無功功率和轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍達到10%-60%，顯著提高傳動系統(tǒng)的效率，有很好的節(jié)能效果。然而，本文設計僅實現(xiàn)了簡便的PI控制算法，還可以通過模糊自適應控制算法等進行改進串級調(diào)速系統(tǒng)，擴大其應用領域。