双馈电动机调速控制系统的设计与仿真
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电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时).pdf
摘 要:目前,风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备,广泛地应用于电力、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域,耗电量很大,几乎占工业耗电量的一半。目前,大多数风机、水泵都采用阀门或档板来调节流量以满足负荷变化的要求,或使用低效调速方法,浪费电能严重 。
本文在客观分析风机、泵类负载调速技术发展现状的基础上,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,对斩波式串级调速系统的设计方案进行了详细讨论,分析并计算了系统各环节的参数及系统的机械特性。设计了双馈电机的斩波式串级调速系统。调速系统采用绝缘栅双极型晶体管((IGBT)作为直流斩波器,并使用了采用转速、电流双闭环控制。系统能通过控制斩波器的占空比来改变电机转子回路的附加电势,从而达到调速的目的。
关键词: 双馈电机;串级调速;斩波;MATLAB仿真 Abstract:At present, fans, pumps are widely used in the national economy of production equipmen and the field of electricity, water treatment, water supply, urban heating, metallurgy, mineral, port machinery, petroleum chemical industry, the power consumption is large, accounting for almost half of the industrial electricity consumption. At present, the majority of fans, pumps use valve or baffle to adjust the flow to meet the requirements of the load changes, or the use of inefficient speed control, but this way has a serious waste of energy.
On the basis of the objective analysis of the status of the fan or pump load speed technology ‘s development. This paper is in case of Conventional cascade speed control system with low power factor, combined with the specific reality of the double-fed motor energy saving speed control,a detailed discussion had been made about the chopping cascade speed control system design and had a analysis and calculation of the mechanical properties of the various links of the system parameters and system.. A double-fed motor chopping cascade speed control system was designed. The speed control system uses insulated gate bipolar transistor ((IGBT) as the DC chopper and the speed and current closed-loop control are used. In the system the speed can be controlled by the way to control the duty cycle of the chopper to change the additional potential of rotor circuit.
Key words:Doubly fed motor; Cascade control; Chopper;MATLAB Simulation
目录
摘要Ⅰ
目次Ⅲ
1 引言1
1.1 双馈电动机的简介和发展状况1
1.2 串级调速系统的简介及发其展现状2
1.3 本课题研究的内容和技术要求2
2 双馈电动机调速控制系统的设计3
2.1 串级调速系统的原理3
2.1.1 传统串级调速系统4
2.1.2 传统串级调速的效率分析5
2.1.3 传统串级调速的改进方法6
2.2 斩波串级调速的原理6
2.3 两种调速系统的比较8
3 斩波串级调速系统的参数选择10
3.1 异步电动机容量的计算与选择10
3.2 逆变器容量的计算12
3.3 储能电容C 的计算12
3.4 晶闸管的选择12
3.5 平波电抗器的选取12
3.6 整流二极管的选择13
3.7 斩波器的参数计算13
4 双馈电动机调速控制系统的MATLAB仿真15
4.1 MATLAB软件简介15
4.2 Simulink简介15
4.3 SimPowerSystems18
4.4 转速和电流调节器的设计19
4.4.1 电流环和转速环的工作原理20
4.4.2 电流调节器的设计20
4.4.3 速度调节器的设计21
4.5 系统仿真建模21
5 仿真结果27
6 结论31
参考文献32
致谢33
1.1 双馈电动机的简介和发展状况
双馈电机也称交流励磁电机,它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。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。双馈电机的定子接50 Hz工频电网,转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节,双馈电机在电动工况或发电工况下运 行,转速都可以调节变化,而定子输出电压和频率可以维持不变,既可以调节电网的功率因数,又可以提高系统的稳定性[1]。
双馈电机虽然属于异步机的范畴,但是由于其有独立的励磁绕组,可以像同步电机一样施加励磁,调节功率因数,所以又称为交流励磁电机(AlternatingCurrent Excitation Generator ACEG)也有称为异步化同步电机(AsynchronizedSynchronous Generator)同步电机由于是直流励磁,其可调量只有一个电流的幅值,所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个:一是可调节励磁电流幅值;二是可改变励磁频率;三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量,通过改变励磁频率,可改变电机的转速,达到调速的目的 [1] 。
无刷双馈电机是由串级异步电机组发展而来的。串级感应电机运行是将两台绕线式异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式这种方法首先在1893年由美国的Steinmetz和德国的Gorges所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行,并且可以在一定范围内调速,所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能,曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试。其中贡献最大的要数Hunt。Hunt发明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论。这种电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组,并且具有一个共同的磁路。后来Creedy对这种电机进行进一步的改进,为之设计了精巧的定转子绕组,使它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制,能够胜任需要可靠性和坚固性的大力矩低速运行的工作中。但是由于定转予绕组极数配合及绕组设计上的种种限制,该电机未能进入实用。而且也由于电力电子器件发展的限制,该电机的发展一度停滞。一直到了70年代,交流电机的变频调速技术获得了极大的发展,在生产生活中发挥了越来越大的作用。以Broadway为代表的研究者们在Hunt发明电机结构的基础上对其进行了较大的改进。20世纪70年代以来,无刷双馈电机已经得到了逐步完善。无刷双馈电机根据转子结构形式的不同分为磁阻式无刷双馈电机和笼式无刷双馈电机,且笼式无刷双馈电机有向大功率容量发展的趋势 [4] 。
德国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司己系列化生产双馈电动机,如哈尔科夫公司系列化生产315~2000KW的各种双馈电动机,并广泛用于火电站及其它部门的各种交流调速传动装置中(如送风机、吸风机、泵等)。法国Alsthom公司生产的双馈电机调速传动系统,其容量从250KW至数千千瓦,主要用于水泵与风机调速。现在许多国家在开发无刷双馈电机,该电机在美国、俄罗斯、澳大利亚已有成功经验,效果很好,并己在工业电力传动领域应用。
80年代底90年代初,无刷双馈电机d—q动态数学模型和同步坐标系数学模型的建立,为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化提供了坚买的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机,如标量控制,转子磁场定向控制,直接转矩控制,模型参数自适应控制等。而电力电子器件和微处理器得发展,如IGBT、8XCl96、DSP等,又进一步促进了无刷双馈电机的发展[4]。
1.2 串级调速系统的简介及发其展现状
串级调速源于英语“cascade control”,意为“级联控制”,是指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速,虽然后来改进,用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机,但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。
串级调速是基于转子的电磁功率控制调速,串级调速的功率控制原理是:从转子入手控制异步机的电磁功率,从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出,总的电磁功率减小,理想空载转速降低,是一种低同步调速系统。 如果转子通过电传导另外得到的部分功率,总的电磁功率增加,理想空载转速将超过同步转速,实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统,即可实现低同步和超同步两种调速,称为双馈调速。
串级调速原理早在20世纪30年代就已被提出,到60-70年代,当可控电力电子器件出现以后,这一理论才得到更好的使用。20 世纪60年代以来,高压大电流的出现,串级调速系统获得了空前的发展。现代斩波串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设定在最小值,从而产生一个恒定的最大附加直流反电势,等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率(即占空比或 PWM调制脉宽),来改变串入转子回路的等效反电势的大小,从而改变转子电流和转差率,达到调节电机转速的目的[11]。
1.3本课题研究的内容和技术要求
本文要求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与传统串级调速进行比较,设计双馈电动机斩波式调速控制方案,并进行建模,利用MATLAB中的电气系统模块库(PSB)和Simulink,为此系统建立了仿真模型然后对斩波串级调速系统的设计方案进行性能指标研究和分析。
主要内容如下:
(1)对变速拖动方式进行选择;
(2)对电动机的容量进行计算与选择;
(3)对主回路与起动设备进行选择;
(4)机械特性曲线的计算及极限工作点的确定;
(5)闭环控制系统的理论计算及电路设计;
(6)对系统进行计算机仿真研究。