1 引言

串級調(diào)速是一種經(jīng)典的高效節(jié)能調(diào)速方案，而高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)是在傳統(tǒng)串級調(diào)速理論基礎上，應用現(xiàn)代電機技術、電力電子技術和計算機控制技術的先進成果而產(chǎn)生的新一代高效調(diào)速技術。該技術以控制轉子低電壓回路進而控制高壓電機，以變流轉差功率進而控制大功率電機，并以高頻斬波器實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制替代傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的逆變角調(diào)節(jié)，具有控制容量小、控制電壓低，調(diào)速性能優(yōu)良和節(jié)能效率高、諧波功率小，裝置尺寸小，運行條件寬松等優(yōu)點，在高壓大容量電機節(jié)能調(diào)速上具有突出的優(yōu)勢。

在實際工程設計中，常需進行計算機仿真研究，以獲得指導性結論或?qū)こ逃嬎銋?shù)進行驗證。在仿真技術中，常采用的數(shù)學模型形式有：傳遞函數(shù)、開關函數(shù)或狀態(tài)方程等。而三相交流異步電機和調(diào)速裝置中的電力電子器件都是高度非線性系統(tǒng)，用解析方法難以得到詳盡的描述。

為此，在MATLAB/Simulink環(huán)境下利用SimPowerSystem工具箱進行交流電機調(diào)速系統(tǒng)的建模和仿真研究。并且采用封裝技術將仿真模型按實際系統(tǒng)的組成結構建立子系統(tǒng)，整個仿真模型結構清晰，而且仿真試驗結果表明，該模型能反映實際系統(tǒng)的特性，可信度很高。

2 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)構成

交流調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，主要由三部分構成：繞線式異步電動機、啟動環(huán)節(jié)和串級調(diào)速控制裝置。

交流電機采用三相繞線式異步電動機。

啟動環(huán)節(jié)由頻敏變阻器PF 和接觸器1KM 、2KM 、3KM 構成，加設了自動切換的接觸器，能減小起動電流，使大型電機平穩(wěn)起動。

串級調(diào)速控制裝置由三相全波整流橋、IGBT 高頻斬波器、三相全橋有源逆變器和平波電抗器、隔離二極管、緩沖電容器等構成，實現(xiàn)優(yōu)良的無級調(diào)速特性，有效地抑制了諧波對電網(wǎng)的污染，取得更高的節(jié)能效果。

2.2 工作原理

串級調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是在轉子側串入附加反向電動勢Ef ，通過改變附加電動勢的大小來改變轉子電流I2 ，從而改變電磁轉矩達到改變轉速的目的。

若附加反向電動勢Ef 增大，轉子電流I減小，電磁轉矩TM 減小，若負載轉矩T不變，由式（4）可見使轉速減小，轉速減小又使負載轉矩Tc減小2（對于風機、泵類等大容量平方轉矩負載c），重新獲得轉矩的平衡，穩(wěn)定于新的轉速運行，最終達到改變轉速的目的。

串級調(diào)速關鍵問題是如何獲得附加電動勢，如圖1中的串級調(diào)速控制裝置，將轉子電壓通過三相全波整流橋整流為直流電壓Ud ，而三相全橋有源逆變器的工作狀態(tài)始終固定在最小逆變角βmin ，提供恒定的直流反電勢。由于逆變器始終固定工作在最小逆變角βmin ，大大提高了逆變器的功率因數(shù)，并且不隨轉速的調(diào)節(jié)而變化，從而改善了傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低的缺陷。中間直流回路加入高頻IGBT 斬波器，通過改變斬波器的占空比（τ/T） ，來獲得轉子回路的等效附加直流電動勢Ub 。

由此可見，斬波式串級調(diào)速運行規(guī)律為：當占空比越大，即斬波器的導通時間越長，轉速越高；反之，則轉速越低。并且可以達到足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍和足夠精確的轉速控制性能，系統(tǒng)功率因數(shù)也獲得很大改進。

3 仿真模型的建立

對斬波式串級調(diào)速控制系統(tǒng)進行仿真研究，采用MATLAB 軟件Simulink 環(huán)境下的SimPowerSystem 工具箱建立仿真模型。

3.1 基于封裝技術建立仿真模型

建立斬波式串級調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型，包含電氣系統(tǒng)和控制回路，模塊數(shù)量多，模型復雜，不利于工程分析。利用子系統(tǒng)封裝技術，將功能相關的模塊組合為子系統(tǒng)。

按交流調(diào)速系統(tǒng)的三個組成部分建立三個子系統(tǒng)：繞線式異步電動機（Motor）、啟動單元（Start）、串級調(diào)速控制裝置（Speed Control），如圖2 所示。整個仿真模型按照電氣原理結構圖建立，結構清晰，功能明確，便于進行工程設計。

3.3 異步電動機模型

圖3 為異步電動機仿真子系統(tǒng)的內(nèi)部模型結構，封裝后為四個輸入端、7個輸出端的Motor 子系統(tǒng)模塊（見圖2）。

異步電動機模塊（Asynchronous Machine） 的參數(shù)設置為繞線式電機，參數(shù)折算到轉子側。在定子側串入的三相變壓器（linear transformer）為逆變變壓器。

3.4 啟動過程的仿真

圖4為啟動環(huán)節(jié)仿真子系統(tǒng)內(nèi)部模型結構，封裝后為9個輸入端、3個輸出端的Start子系統(tǒng)模塊（見圖2），完成電機平穩(wěn)起動的任務。

在電機起動時，1KM閉合，2KM、3KM打開，電機轉子回路串入三相頻敏變阻器PF，限制起動電流。當電機轉速升高到設定的允許值時，裝置自動將2KM閉合，切除頻敏變阻器，電機轉子回路經(jīng)1KM短路，進入全速工作狀態(tài)。運行穩(wěn)定后，1KM斷開，2KM和3KM閉合，接入串級調(diào)速控制系統(tǒng)，進入調(diào)速運行狀態(tài)，調(diào)整占空比來改變速度的大小。

3.5 串級調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真

圖5 為斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)仿真子系統(tǒng)內(nèi)部模型結構，封裝后為7 個輸入端、3 個輸出端的Speed Control 子系統(tǒng)模塊（見圖2），通過調(diào)整輸入7 的占空比大小完成電機調(diào)速的任務。

圖5中調(diào)速系統(tǒng)的三個核心單元分別為：①Universal Bridge為通用橋模塊，用于模擬三相全波整流單元，將轉子回路三相交流變?yōu)橹绷鳎员銓D子回路施加串接直流電勢控制。②IGBT為斬波單元，以恒頻調(diào)寬方式工作，由外部的高頻脈沖信號作為IGBT 的門控信號，其占空比和頻率由脈沖信號決定。③Thyristor bridge 為6 脈沖晶閘管橋模塊，用于模擬三相全橋有源逆變器，將經(jīng)斬波控制后的轉差功率逆變?yōu)槿喙ゎl交流送至內(nèi)反饋繞組，實現(xiàn)節(jié)能。

4 仿真實例

針對適用于風機、泵類等大容量平方轉矩負載的串級調(diào)速系統(tǒng)進行仿真試驗，建立如圖2 所示的模型，有關參數(shù)設置如下：供電電源為6KV 、50HZ 三相交流電源；異步電動機為額定功率2240KW ，極對數(shù)2， 轉動慣量140 kg.m2 。仿真時間0～10 秒，在t=3.5 秒投入調(diào)速系統(tǒng)，占空比100% 。t=5 秒后，每間隔1 秒將占空比降低10%，進行仿真試驗。

圖6 為電機啟動、調(diào)速運行過程的轉速、A 相轉子電流、整流電壓和直流電流的仿真曲線。可見啟動過程中，電機平穩(wěn)從零轉速升至全速運行，轉子電流得到有效抑制。調(diào)速過程平穩(wěn)快速，并且隨著占空比的降低，等效附加直流電動勢Ub 增大，轉子電流I2 減小，轉速降低，符合2.2 節(jié)的理論分析。

5 結論

本文對高頻斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)的交流回路和直流回路進行了詳盡分析，并從電氣原理結構圖出發(fā)，在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術為串級調(diào)速系統(tǒng)建立了仿真模型。

從仿真實例的結果來看，該模型逼真再現(xiàn)了實際系統(tǒng)的啟動、調(diào)速運行等動態(tài)過程，說明該仿真方法是有效的，具有工程實用價值。

本文作者創(chuàng)新點：在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術建立的串級調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，符合實際工程設計的組成結構，仿真效果真實，為電機調(diào)速系統(tǒng)的工程設計提供了理論依據(jù)和驗證手段。

責任編輯：gt