基于双馈电动机调速控制的仿真设计

2020-11-12 13:52:42
绥化学院学报 2020年11期
关键词:绕线双馈调节器

田 宇

(延安大学物理与电子信息学院 陕西延安 716000)

现代电动机的应用主要集中在风机以及水泵两个大方面,不仅在城市的供暖系统、国家电网以及石油采集等经济应用领域中得到有效的使用,还在生产设备、新能源开发等高新技术产业中得到有效的拓展。但是,因为电动机调速方法没有实现高效创新,在风机或者水泵使用的过程中极大程度造成电量、热能的损耗,不仅降低了设备的使用寿命还给产业的经济效益稳定性带来重大的威胁。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物,是机电一体化的高新技术产品。无论是在电动工况还是发电工况下,转速都可以调节,因具有非常好的稳定性能而被广泛关注。大多数科研工作者就双馈电机的磁场调节机理、结构以及控制策略进行深入研究,而对于调试控制系统的仿真模拟设计的研究甚少。本文针对传统串级调速系统功率因数低的问题,结合双馈电动机节能调速的具体实际,进行调速控制系统的设计与仿真模拟。

一、双馈电动机调速控制系统的设计

电动机调速系统是由速度和电流组成的双闭环控制系统,不仅带有速度外环,还带有电流内环。如图1所示,为双闭环斩波串级调速方框图,外环为速度反馈,由测速装置测得电机的实际转速与给定的速度进行比较,将比较结果送入速度调节器。内环为电流反馈,如图所示,测定进过整流逆变后的电流反馈到速度调节器的输出结果,两者比较再送入电流调节器进行调节,把最终结果输出到IGBT,控制IGBT的占空比从而来调节电机的转速。由此可见,电流调节器和速度调节器在系统中占有重要的地位。以下将对这两个调节器进行分析设计。

图1 双闭环斩波串级调速方框图

(一)电流调节器的设计。

1.结构选择。根据性能指标要求σi≤5%;抗干扰性能适中调节器选用PI,其传递函数为:

2.参数计算。在进行结构选择之后需要对电流环进行校正,一方面是为了使电流调节器的领先时间常数τi与对象的大惯性环节时间常数T1相互抵消,即取τi=T1。另一方面,电流给定滤波和电流反馈滤波的电流环开环传递函数:

依据控制理论,控制对象的大时间常数极点的数值应该与调节器的零点数值相等,即Ti=Td。所以,电流内环的此时,开环传递函数则为

其中,KI=KiKrKsKfi,电流内环放大系数。

(二)速度调节器的设计。为了实现速度调节器没有静差,需要在设计上添加积分环节以保证转速在动态控制过程中能正常运行。因此,转速调节器选择了PI调节器,转速环调节器的传递函数为:

综合考虑动态抗扰性能和起动性能,取中频宽h=5较好,如按γmax准则确定参数关系,则

二、双馈电动机调速控制系统的仿真结果

(一)双馈电机调速系统建模。由于双馈电机与绕线异步电机具有相同的结构,因此本文中双馈电机采用绕线式异步电动机代替。斩波串级调速系统的主电路主要逆变器、整流器、绕线式异步电动机、逆变变压器、滤波电抗器、斩波器件IGBT、二极管和电容等组成。双闭环控制电路主要由速度调节器、电流调节器、滤波器、脉冲发生器等组成。

绕线式异步电动机为807kw/6000V的绕线式异步电动机,所带为平方负载,系统的调速范围为nN~0.5n0,开关器件的最小占空比dmin=0.1,最小逆变角βmin=300。升压电感Lf为5mH,平衡电感Lb10mH,滤波电容C1为1000μF。

在本次设计中电源模块将采用电源子库(Electrical Sources)中 的 正 弦 交 流 电 压 源(AC Voltage Source)。整流桥和逆变桥均采用电力电子库(Power Electronics)中通用桥模块Universal Bridge,设置时分别选择Diodes和Thyristors就可以得到整流桥和逆变桥模块。IGBT模块则选用电力电子库中的IGBT模块。三相绕线异步电机采用电机子库(Machines)中的异步电机(国际单位)模块(Asynchronous Machine SI Units)。

双馈电机斩波串级调速的Simulink仿真步骤:

1.建立Simulink仿真模型。打开MATLAB7.0软件,点击界面上面工具条中的Simulink图标,在弹出Simulink Library Browser的界面,点击新建按钮就会出现Simulink仿真界面。将本设计中所用到的原件按图2和图3所示在仿真界面搭建模型。

图2 系统控制电路仿真模型

图3 主电路仿真模型

2.原件参数设置。建立好仿真模型后就是对各个模块进行参数的设置。选中一个模块双击它,如选中电机模块(Asynchronous Machine SI Units),双击此模块将会出现电机参数设置框。具体参数设置如下: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.系统封装。为了便于检查和分析可以将多个模块组合成的整体进行封装处理。本次设计中脉冲发生器由一个三角波产生器和一个滞环比较器组成它们共同作用产生系统所需的方波,为了使仿真图更加简洁就可以将这两个模块封装到一起变成一个模块。首先选中这两个模块右击鼠标点选Create Subsystem选项完成封装。如图4(左:封装前;右:封装后)分别为脉冲发生器封装前后模块图。

图4 脉冲发生器封装前后模块图(左:封装前;右:封装后)

4.系统仿真运行。仿真图完成后将进行最后一步系统的运行。点击运行按钮观察仿真波形对系统进行调试和分析。

(二)仿真结果。在双馈电机调速控制系统中采用6000v的三相交流电源。仿真过程的终止时间选择了4秒,仿真算法设置ode23tb。ode23tb是TR-BDF2的一种实现,TR-BDF2是具有两个阶段的隐式龙格-库塔公式比较适用于刚性问题的解答。所以,在正常仿真模式下通常会选择相对允许误差10-2,绝对允许误差设置auto,步长选择可变。其中,脉冲仿真器由一个三角波发生器和一个频率开关组成。当三角波的幅值超过1时开关打开输出数值1,其它情况开关关闭输出数值0,这样就形成了一组规则的方波。交流电源为三个6000v相位相差120度的单相交流电源。

图5 电机转速仿真

如图5所示,为电机启动到逐渐稳定的电机转速图。从图中可以看出电机启动后转速由0逐渐加速到稳定,由于系统误差,转速还存在一点小小的波动。

图6 电机调速仿真波形

如图6所示,在0.2s时电机转速稳定在800r/min,当在0.25s时给电机一个调速指令速度1200r/min后,电机转速逐渐上升,大约0.05s后电机转速稳定到1200r/min。由于机械误差的原因,尽管调速波形存在些许波动但是属于正常现象。从仿真结果的各项参数都说明了这次的仿真达到了预期的效果。当输入一个给定速度时,系统能自动通过速度调节器和电流调节器的比较从而控制IGBT的占空比进而控制电机转子侧的电压,从而达到控制电机转速的目的。

三、结论

本文针对引风机串级调速系统进行设计,探讨一种新型的调速系统——斩波式串级调速系统。主要采用了斩波串级调速系统的动态数学模型,对高频仿真实验进行研究,不仅考虑到转速与电流双闭环控制系统设计,还使用了Simulink模块对系统进行仿真,得到良好的仿真效果。与传统串级调速相比较,双馈电动机斩波式调速系统具有较高的系统的功率因数等优点,双馈电动机运行可以在不同负载下灵活调节无功功率和转速,调速范围达到10%-60%,显着提高传动系统的效率,有很好的节能效果。然而,本文设计仅实现了简便的PI控制算法,还可以通过模糊自适应控制算法等进行改进串级调速系统,扩大其应用领域。

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