基于SimPower System工具箱的带限流保护直流调速系统仿真

陈丽兰

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

随着调速系统在工厂企业的广泛应用，对系统的性能提出了更高的要求。在开发新的控制系统过程中，直接制作样机对新产品进行测试，势必要花费大量的经费、时间和精力。因此在研制过程中，可对系统的性能进行仿真，以此验证方案的可行性。在Matlab的电力系统(SimPower System)工具箱推出前，如果要对系统进行仿真必须要建立系统的数学模型，这样必然导致仿真结果与实际系统具有一定的偏差。而利用电力系统工具箱仿真，只要按照实际调速系统的电气原理图进行搭建，其仿真结果可作为系统设计和调试的直接参考和依据。

1 带限流保护直流调速系统的控制方案

在实际的调速系统中，转速负反馈直流调速系统具有很好的动态和稳态特性，但在起动过程中，电机会出现冲击电流现象;当电机被堵转时，若没有限流，电流将远远超过允许值，如果只依靠过电流继电器或熔断器来保护，将会给正常工作带来不便。为了解决转速负反馈直流调速系统起动和堵转时电流过大的问题，在系统中引入电流截止负反馈进行限流保护，如图1所示。当(IdRs＞Ucom)时，二极管导通，电流负反馈信号Ui加到调节器的输入端，参与系统的调节;当(IdRs≤Ucom)时，二极管截止，Ui消失。

图1 电流截止负反馈调速系统原理框图

该系统的静特性表示为两段式。当Id≤Idcr(截止电流)时，n为:

在实际应用时，考虑到调速系统希望有较大的运行范围，截止电流Idcr一般设计为Idcr≥(1.1～1.2)的额定电流。

2 带限流保护直流调速系统的Matlab仿真模型

Matlab的电力系统，由于工具箱在元件库中提供的电气元器件能够较全面地反映相应实际元器件的电气特性，仿真时既不需编程也不需推导控制系统的数学模型，只要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件，按电气系统的结构连接即可，整个系统的建模过程非常接近实际系统的搭建过程，增加了仿真的实用性。

从图1可知，该系统由给定环节、调节器、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、测速反馈环节及电流截止环节组成。已知系统参数，电动机铭牌参数:PN=17 kW，UN=220 V，IN=88.9 A，nN=2000 rad/min，电枢回路总电阻 Ra=0.6 Ω，励磁回路总电阻 Rf=240 Ω，电动机转动惯量J=0.76 kg·m2;主电路采用三相桥式整流电路，平波电抗器为0.0005 H;调节器的放大系数为10;转速反馈系数为0.8;负载电流IdL=50 A。

2.1 使用模块

根据图1所示的系统原理框图，在Matlab的电力系统工具箱的元件库中复制所需要的元器件，搭建电流截止负反馈转速负反馈调速系统仿真模型，如图2所示。

2.2 参数设置

根据已知的系统参数，对仿真模型中的各个环节进行元件参数设置，这一过程与工程实际很吻合。为了得到三相对称交流电压源，A相电压源参数设置如图3所示。B、C各相的相位与A相的初相位互差120°。由电动机的铭牌参数计算直流电动机(DC Machine)模块的参数，平波电抗器是将RLC串联负载模块的类型选为电感并设置参数，三相桥式整流电路与工程上相同，将触发器和晶闸管整流桥作一整体考虑，同步6脉冲触发器模块需要三相线电压同步，由电压测量模块完成，将多功能桥式电路模块设置为三相并选择晶闸管;移相控制模块，输入是控制信号u，输出是控制角α，移相特性的数学表达式为:

考虑 αmin=30 °，umax= ±10 V，故 α=90 °－6u。

仿真模型中的限流保护环节模块，考虑:

其参数设置如图4所示，设定值为106 A，由理论知识可知:当电枢电流小于设定值时，电流截止环节不起作用;当电枢电流大于设定值时，电流截止环节起作用，参与系统调节。

图2 电流截止负反馈调速系统仿真模型

图3 A相电源参数设置

图4 Switch模块参数设置

3 仿真分析

图5为转速负反馈调速系统仿真曲线，由图5可以看出，电动机起动时，冲击电流很大，是稳态时的7倍多，对系统极不利。图6为带电流截止负反馈转速负反馈调速系统仿真曲线，由图6分析可以得到，刚起动时，电枢的起动电流超过了设定值106 A，随着电流负反馈的作用，电枢的起动电流被控制在106 A，达到限流的目的，最后与负载电流50 A平衡，进入稳定状态。

4 结论

利用Matlab的电力系统工具箱仿真，不受场地、设备的限制和人身安全因素的影响，为调速系统的研发提供了一条实用的仿真途径。

图5 未加限流保护时的电枢电流

图6 加入限流保护时的电枢电流

［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统［M］.3版.北京:机械工业出版社，2003.

［2］周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真［M］.北京:中国电力出版社，2007.