六脈波雙變量交交變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)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(xiàn)交交變頻器的自然無環(huán)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(diào)速系統(tǒng)在Matlab仿真軟件中進行仿真研究.通過S函數(shù)編寫雙變量交交變頻控制算法,并通過系統(tǒng)建模驗證雙變量控制理論下交交變頻的輸出效果.結(jié)果表明:雙變量控制算法在交交變頻器自然無環(huán)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(chǎn)的各行各業(yè).

雙變量; 交交變頻;Matlab; 調(diào)速系統(tǒng); 控制算法

0 前 言

變頻器以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點,廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)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(huán)節(jié),故整機效率較高,當前正在發(fā)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(zhuǎn)換效率.傳統(tǒng)的交交變頻常常僅關心觸發(fā)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(xiàn)雙變量相控變流器及變頻器的自然無環(huán)流控制[1].

本系統(tǒng)采用Matlab/Simulink對六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進行建模仿真,并利用其中的S函數(shù)模塊實現(xiàn)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(fā)時刻.交交變頻晶閘管觸發(fā)規(guī)律為正組晶閘管觸發(fā)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(fā)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(chǎn)生環(huán)流主要是因為電流換向出現(xiàn)在晶閘管觸發(fā)規(guī)律改變之前,從而造成了環(huán)流.如果在觸發(fā)規(guī)律改變之前,控制晶閘管的觸發(fā)脈沖寬度,使電流到零后就自然關斷,不讓它有反向?qū)ǖ目赡苄?晶閘管就能夠在零電流下實現(xiàn)自然換向.但是脈沖寬度b(t)的確定并非單值函數(shù),它是由負載的大小、性質(zhì),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(jié)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(fā)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(fā)脈沖的寬度足以使輸出電流從電源同一相兩只反并聯(lián)的晶閘管之間自然換向,使兩只反并聯(lián)的晶閘管同時觸發(fā),以保證電流實現(xiàn)在任意功率因數(shù)下的自然換向.

2 六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)主電路由變壓器、晶閘管轉(zhuǎn)換電路、保護電路、檢測電路等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)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?yōu)?4 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(wǎng),副邊為星形連接,中線引出,將工頻三相交流電轉(zhuǎn)換為相位互錯60°的六相電源.晶閘管轉(zhuǎn)換電路為零式拓撲,結(jié)構(gòu)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(gòu)成.阻容保護電路可以減小因晶閘管頻繁導通或關斷產(chǎn)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(diào)速系統(tǒng)的控制電路主要由CPU及擴展電路、同步電路、脈沖觸發(fā)模塊、信號檢測模塊、通信接口和人機界面等模塊構(gòu)成[5].控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

三相電源經(jīng)過同步變壓器降壓、整形濾波變?yōu)橥椒讲ㄐ盘?同步信號與控制器中的鎖相環(huán)電路形成閉環(huán),保證控制電路和主電路間的時間同步.控制器根據(jù)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(fā)出觸發(fā)信號.觸發(fā)信號經(jīng)過放大輸出,觸發(fā)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(zhuǎn)速,并送入控制器.控制器可以通過人機界面將當前轉(zhuǎn)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(jù)六脈波雙變量交交變頻器的主電路結(jié)構(gòu),在Matlab/Simulink下建立六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型[6],并根據(jù)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(zhì),其模型的建立是否接近實際的物理對象,是整個系統(tǒng)仿真結(jié)果是否接近實際情況的關鍵[7].

圖1 六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)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(shù)模塊、速度給定S函數(shù)模塊、觸發(fā)S函數(shù)模塊和負載轉(zhuǎn)矩S函數(shù)模塊等構(gòu)成[8].

3.1 觸發(fā)S函數(shù)模塊

觸發(fā)S函數(shù)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(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速偏差,輸出分別為36只晶閘管的觸發(fā)信號.在S函數(shù)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(fā)時刻,一旦仿真時刻到達晶閘管的觸發(fā)時刻,該路輸出為1,其他路輸出為0.觸發(fā)S函數(shù)流程如圖4所示. 通過S函數(shù)進行系統(tǒng)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(tǒng)采用六脈波交交變頻器的零式電路結(jié)構(gòu).每相輸出有12只晶閘管,三相一共由36只晶閘管構(gòu)成.零式結(jié)構(gòu)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(xiàn)自然無環(huán)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(lián)的晶閘管,可以使電流正、反流過.在仿真系統(tǒng)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(fā)由觸發(fā)S函數(shù)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(tǒng)仿真模型中的控制對象,其參數(shù)設置如圖6所示.這些參數(shù)根據(jù)JR51-4三相異步電動機的銘牌參數(shù)近似計算出來,具有一定的參考價值.負載轉(zhuǎn)矩模塊的作用是給電機加載,并通過修改其參數(shù)值來改變負載大小;電機參數(shù)測量模塊的作用是測量電機仿真運行過程中各參數(shù)的變化過程.

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

圖4 S觸發(fā)函數(shù)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(shù)設置Fig.6 Simulation parameters of three phase asynchronous motor

4 仿真結(jié)果

根據(jù)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(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩仿真波形.圖8為五分頻輸出電壓、電流、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩仿真波形.從三分頻、五分頻的仿真結(jié)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(zhuǎn)速穩(wěn)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(zhuǎn)速穩(wěn)定在300 r/min,與理想電壓、電流、轉(zhuǎn)速一致.

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

5 結(jié) 論

通過在Matlab中建立交交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型,編寫S函數(shù)實現(xiàn)交交變頻的雙變量控制.從仿真結(jié)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(qū)、無環(huán)流,電機運行狀態(tài)平穩(wěn).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

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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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