基于SimPower System工具箱的帶限流保護(hù)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真

陳麗蘭

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著調(diào)速系統(tǒng)在工廠企業(yè)的廣泛應(yīng)用，對系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。在開發(fā)新的控制系統(tǒng)過程中，直接制作樣機(jī)對新產(chǎn)品進(jìn)行測試，勢必要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和精力。因此在研制過程中，可對系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真，以此驗(yàn)證方案的可行性。在Matlab的電力系統(tǒng)(SimPower System)工具箱推出前，如果要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真必須要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這樣必然導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)具有一定的偏差。而利用電力系統(tǒng)工具箱仿真，只要按照實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖進(jìn)行搭建，其仿真結(jié)果可作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的直接參考和依據(jù)。

1 帶限流保護(hù)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案

在實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，但在起動(dòng)過程中，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)沖擊電流現(xiàn)象;當(dāng)電機(jī)被堵轉(zhuǎn)時(shí)，若沒有限流，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，如果只依靠過電流繼電器或熔斷器來保護(hù)，將會(huì)給正常工作帶來不便。為了解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，如圖1所示。當(dāng)(IdRs＞Ucom)時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào)Ui加到調(diào)節(jié)器的輸入端，參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié);當(dāng)(IdRs≤Ucom)時(shí)，二極管截止，Ui消失。

圖1 電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)的靜特性表示為兩段式。當(dāng)Id≤Idcr(截止電流)時(shí)，n為:

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到調(diào)速系統(tǒng)希望有較大的運(yùn)行范圍，截止電流Idcr一般設(shè)計(jì)為Idcr≥(1.1～1.2)的額定電流。

2 帶限流保護(hù)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真模型

Matlab的電力系統(tǒng)，由于工具箱在元件庫中提供的電氣元器件能夠較全面地反映相應(yīng)實(shí)際元器件的電氣特性，仿真時(shí)既不需編程也不需推導(dǎo)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只要從工具箱的元件庫中復(fù)制所需的電氣元件，按電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接即可，整個(gè)系統(tǒng)的建模過程非常接近實(shí)際系統(tǒng)的搭建過程，增加了仿真的實(shí)用性。

從圖1可知，該系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器、脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、測速反饋環(huán)節(jié)及電流截止環(huán)節(jié)組成。已知系統(tǒng)參數(shù)，電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù):PN=17 kW，UN=220 V，IN=88.9 A，nN=2000 rad/min，電樞回路總電阻 Ra=0.6 Ω，勵(lì)磁回路總電阻 Rf=240 Ω，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.76 kg·m2;主電路采用三相橋式整流電路，平波電抗器為0.0005 H;調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)為10;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為0.8;負(fù)載電流IdL=50 A。

2.1 使用模塊

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)原理框圖，在Matlab的電力系統(tǒng)工具箱的元件庫中復(fù)制所需要的元器件，搭建電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)已知的系統(tǒng)參數(shù)，對仿真模型中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行元件參數(shù)設(shè)置，這一過程與工程實(shí)際很吻合。為了得到三相對稱交流電壓源，A相電壓源參數(shù)設(shè)置如圖3所示。B、C各相的相位與A相的初相位互差120°。由電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)(DC Machine)模塊的參數(shù)，平波電抗器是將RLC串聯(lián)負(fù)載模塊的類型選為電感并設(shè)置參數(shù)，三相橋式整流電路與工程上相同，將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作一整體考慮，同步6脈沖觸發(fā)器模塊需要三相線電壓同步，由電壓測量模塊完成，將多功能橋式電路模塊設(shè)置為三相并選擇晶閘管;移相控制模塊，輸入是控制信號(hào)u，輸出是控制角α，移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

考慮 αmin=30 °，umax= ±10 V，故 α=90 °－6u。

仿真模型中的限流保護(hù)環(huán)節(jié)模塊，考慮:

其參數(shù)設(shè)置如圖4所示，設(shè)定值為106 A，由理論知識(shí)可知:當(dāng)電樞電流小于設(shè)定值時(shí)，電流截止環(huán)節(jié)不起作用;當(dāng)電樞電流大于設(shè)定值時(shí)，電流截止環(huán)節(jié)起作用，參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

圖2 電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3 A相電源參數(shù)設(shè)置

圖4 Switch模塊參數(shù)設(shè)置

3 仿真分析

圖5為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線，由圖5可以看出，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，沖擊電流很大，是穩(wěn)態(tài)時(shí)的7倍多，對系統(tǒng)極不利。圖6為帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真曲線，由圖6分析可以得到，剛起動(dòng)時(shí)，電樞的起動(dòng)電流超過了設(shè)定值106 A，隨著電流負(fù)反饋的作用，電樞的起動(dòng)電流被控制在106 A，達(dá)到限流的目的，最后與負(fù)載電流50 A平衡，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

利用Matlab的電力系統(tǒng)工具箱仿真，不受場地、設(shè)備的限制和人身安全因素的影響，為調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)提供了一條實(shí)用的仿真途徑。

圖5 未加限流保護(hù)時(shí)的電樞電流

圖6 加入限流保護(hù)時(shí)的電樞電流

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真［M］.北京:中國電力出版社，2007.