交-交變頻同步電機調速系統的實驗仿真研究

魯億方, 郝彥爽

(1. 北京科技大學 自動化學院, 北京 100083; 2. 北京科技大學 自然科學基礎實驗中心, 北京 100083)

虛擬仿真技術探索與實踐

交-交變頻同步電機調速系統的實驗仿真研究

魯億方1, 郝彥爽2

(1. 北京科技大學 自動化學院, 北京 100083; 2. 北京科技大學 自然科學基礎實驗中心, 北京 100083)

利用交-交變頻同步電機調速系統原理,采用PSIM軟件建立了氣隙磁場定向控制的交-交變頻同步電機調速系統的仿真模型,對系統模型進行了仿真測試,驗證了該模型的穩定性。結合實際熱連軋過程,對交-交變頻同步電機系統注入電網的諧波進行研究,得到交-交變頻同步電機系統運行時諧波的變化規律及其影響因素。實驗結果表明,仿真波形變化與現場的波形變化基本相同,該模型可輔助相關理論研究。

電機調速系統； 同步電機； 交-交變頻器； PSIM

在鋼材生產過程中,大功率軋鋼機的主傳動系統一般采用交-交變頻同步電機調速系統,系統的變壓器對供電電網諧波會產生很大的影響。在某些特殊的輸出頻率下,交-交變頻器會給變壓器的副邊帶來直流且頻率較低的諧波；當直流電流流入變壓器的副邊時,會導致變壓器鐵心半周期飽和，這種半周期飽和可能產生比交-交變頻器更嚴重的諧波[1]。交-交變頻器引起的電網諧波電流,其頻率不完全是它的輸入頻率或輸出頻率的整數倍,還有兩種頻率的和或者差[2]。

目前交-交變頻技術得到了廣泛的開發和應用,已能提供6 000 kW全數字帶矢量控制的高性能交-交變頻調速裝置[3]。在電力電子電路的解析、控制系統設計、電機驅動研究中,PSIM平臺提供了強有力的仿真環境[4-5]。本文應用PSIM軟件建立了氣隙磁場定向控制的交-交變頻同步電機調速系統的仿真模型,對交-交變頻同步電機系統注入電網的諧波進行研究,得出諧波的一些變化規律及其影響因素,并將仿真波形與現場實際波形進行了比較,結果兩者基本吻合。這說明該仿真模型能夠為軋鋼生產提供更多的指導。

1 電機的矢量變換控制

感應電機矢量變換控制是將靜止坐標系所表示的電機矢量變換到磁場定向的坐標軸系。三相電流(轉子電流或定子電流)進行矢量變換后,感應電機就變成了由勵磁電流分量(im)和轉矩電流分量(it)分開控制的直流電機。按照直流電機的控制方法,將得到的控制量進行坐標反變換,就能把對感應電機的控制轉變為對磁鏈參照系下的直流電機的控制[6]。

各坐標軸之間的夾角如圖1所示。ωs是同步角速度,ωr是轉子角速度,φs是磁鏈同步角(即從定子α軸到磁鏈軸φ的夾角),φL是負載角(即從轉子d軸到磁鏈軸M的夾角),λ是轉子位置角。其中φs=φL+λ。

圖1 各坐標軸位置示意圖

2 同步電機設計

在高性能、大(中)容量的同步電機調速系統中,多采用氣隙磁鏈定向矢量控制方法[7-8]。根據電壓模塊、速度模塊和磁場定向矢量控制理論,將矢量空間計算出的電壓前饋給定值接到電機定子側,搭建起同步電機調速系統的仿真模型。

2.1 磁鏈觀測器-電壓模型

磁場定向控制系統的關鍵單元是磁鏈觀測器,它能觀測到氣隙磁鏈的幅值以及旋轉角的信息,構成磁場定向的基準坐標軸線(M軸、T軸)。在理論仿真上,電機低速時電壓模型誤差不大,并且電流模型中磁化曲線的模擬等比較復雜,所以本仿真系統采用電壓模型來工作。

定子電壓模型Mu單元基于靜止坐標系α軸、β軸的電壓與電流計算出磁鏈,輸入定子電壓uA、uB、uC,電流iA、iB、iC,輸出α軸、β軸的磁鏈Ψsα、Ψsβ,并由此計算出磁通幅值|Ψs|和M軸與α軸之夾角θ。軸氣隙磁鏈關系式為

(1)

式中Rs和Lsl分別是定子繞組和漏電感。

由公式(1)可以得到靜止坐標系下定子磁鏈觀測器仿真模型,如圖2所示。此模塊采用了自適應幅值補償積分算法,它可以有效地消除由幅值限制器帶來的非線性畸變,也可以解決純積分器引起的直流偏移問題,還可以在一個很寬的范圍內準確地進行磁鏈估計[9]。

圖2 氣隙磁鏈觀測器仿真模型

2.2 電壓前饋模型

根據交流同步電機磁場定向控制原理，交-交變頻同步電機調速系統需要一個由電流變換為電壓的環節——電壓前饋補償。該模塊的輸入電量為定子電流轉矩分量ist、定子電流磁場分量isM、角速度ωs、磁鏈ψδ；輸出為M、T軸系定子電壓ust、usM。該電壓經過坐標旋轉變換為靜止坐標系的usα、usβ；再經過2/3變換，輸出三相定子電壓信號uA、uB、uC。

當電機動態變化時,需要產生動態電壓來補償系統的電壓要求。

氣隙磁鏈定向控制的電壓穩態方程為

(2)

其電機的動態電壓方程為

(3)

將電機的動態電壓方程和穩態方程進行對比,得到

(4)

從而搭建電機電壓的前饋補償模型(見圖3)。

2.3 速度調節模塊

在工程應用中,同步電機的速度一般是緩慢上升的,所以應該有一個緩慢上升的給定值,通過給定值在某一時間內積分并限幅得到。

圖3 電壓前饋補償計算模型

圖4 速度調節模塊

3 交-交變頻器的設計

同步電機的調速控制通過變頻器實現。交-交變頻器采用晶閘管自然換流,提高了裝置的可靠性；由于只進行AC/AC一次能量變換,能量的轉換效率較高[10],并且具有優良的過載能力、輸出波形和價格優勢[11]。本文采用工程中廣泛應用的三相輸入/三相輸出的無環流六脈波橋式連接的晶閘管交-交變頻器[12]。

其中電流控制型三相輸出交-交變頻器由3套電流控制型單相輸出變頻器組成,每個單相交-交變頻系統包括變頻器模塊、無環流換相邏輯模塊、電流調節器ACR、脈沖觸發模塊、可逆全控橋模塊、三相交流電源等模塊構成。圖5為單相交-交變頻無環流電流控制電路。

圖5 單相交-交變頻無環境電流控制電路

單相變頻器模塊是由PSIM元件庫提供的晶閘管橋構成,每個晶閘管橋是由6個晶閘管構成,2個晶閘管橋構成一個單相交-交變頻器,如圖6所示。

圖6 單相交-交變頻器

4 系統仿真與諧波分析

4.1 系統仿真

圖7 電機轉速、力矩電流給定值和實際值波形

實驗結果顯示,在加載瞬間,電機轉速下降時間為13 ms,恢復時間為56 ms,表明該系統具有較好的響應特性。

根據熱連軋過程中的輸入、輸出實際操作數據,將讀取的轉速輸出值作為同步電機交-交變頻調速系統的轉速給定值,以便于進行仿真分析。

同步電機首先空載運行,在2.0 s時突加50 000 N·m的負載,之后一直帶負載運行。圖8為PSIM讀取的轉速給定值和電機的實際轉速。

圖8 給定轉速和實際轉速

從圖8可知,電機的實際轉速與給定轉速基本一致,在給定轉速改變后,實際轉速由于帶負載運行,所以速度有個尖峰。這驗證了由PSIM建立的同步電機調速系統可以很好地接收精軋機仿真模型輸出的轉速,從而實現了上下位機轉速的實時仿真。

4.2 熱連軋過程的諧波分析

軋制鋼材的質量主要由熱連軋的精軋機組控制決定,并且連軋一般是帶張力軋制,有助于提高軋制精度[13]。本文選擇了6臺軋機作為精軋機組,利用交-交變頻控制系統對帶鋼的熱連軋過程中產生的諧波進行分析。

應用PSIM仿真，得到熱連軋過程中電網電流、電機定子側電壓和電流的3、5、7、9次諧波的變化情況(見圖9),其中橫軸為軋制時間軸,縱軸為電壓、電流值,藍色為定子側電壓,紅色為定子側電流,綠色為電網電流。

圖9 動態過程諧波變化

軋制過程中諧波變化情況如下:

(1) 在精軋機組空載運行時,電網電流的3、5、7、9次諧波都比較大；

(2) 咬鋼瞬間,電網電流的3、5、7、9次諧波均急劇減小到1.7%左右；

(3) 精軋機組在咬鋼穿帶過程中,電網電流幾乎為0,而電機定子側電壓的3、7、9次諧波都比較大；

(4) 升速軋制過程中,電機定子側電壓的3次諧波增大到原來的4倍,9次諧波也增加到原來的2倍左右；電網電流的7次諧波增加到原來的180%,9次諧波增加到空載時的大小,電機定子側的電流影響不大；(5) 穩態軋制過程中,電機定子側電壓的3、5、7、9次諧波都增加到原來的2～3倍；電機側電流的9次諧波有一些；電網的諧波電流幾乎為0；

(6) 精軋機軋制完成,機組降速,此時電網電流的3、5、7、9次諧波都急劇增大,但對電機的電壓和電流諧波沒什么影響。

5 結語

交-交變頻同步電機調速系統將仿真系統的電機轉速、力矩電流與實際值進行對比,證明由PSIM建立的同步電機調速系統有很好的穩定性,并可以很好地接收精軋機仿真模型輸出的轉速。

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Research on experimental simulation of speed regulating system of cycloconverter fed synchronous motors

Lu Yifang1, Hao Yanshuang2

(1. School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China; 2. Basic Experimental Center for Natural Science, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China)

Based on the theory of cycloconverter-feed synchronous motor vector control system, the simulation model of air-gap flux orientation control system of synchronous motor is set up by using the simulation software PSIM; secondly, the operating mode and the characteristics of the cycloconverter are simulated. Through computer simulation results, the stability of the vector control system is verified, and finally combined with the actual hot strip rolling process, the harmonic of the power grid is analyzed when the system is running and some changing rules and influencing factors of this vector operation system are deduced. This waveform is basically the same with the actual change, and it helps the next step theory.

motor speed regulating system; synchronous motor; cyclo-converter; PSIM

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.026

2016-12-22 修改日期：2017-01-06

魯億方(1961—),男,北京,本科,高級工程師,教學實驗中心副主任,主要研究方向為控制科學與工程、虛擬儀器及軟件測量技術.

E-mail：luyifang@ustb.edu.cn

TM341

A

1002-4956(2017)5-0105-04