基于双变量六脉波交交变频器的双馈调速系统研究

基于双变量六脉波交交变频器的双馈调速系统研究摘要：本文阐述了双变量控制的原理，介绍了基于双变量六脉波交交变频器的双馈调速系统构成，在此基础上建立了系统的仿真模型，并进行了分频全压带载仿真实验。结果表明该系统具有谐波小，调速调频范围大，运行平稳，并可向电网提供无功补偿等优点。从而验证了基于该低成本交交变频器构建的双馈调速系统是可行的。关键词：交交变频，双馈系统，仿真中图分类号：TM921.45文献标识码：AAbstract:Thispaperdescribestheprinciplesofbivariatecontrol,andthedouble-fedspeedregulatingsystemcomponentsofsix-pulsecycloconverterbasedonbivariate.Onthisbasis,systemsimulationmodelisestablishedandthesimulationexperimentoffractionalfrequencyandfullpressurestripismade.Theresultsshowsthatthissystemhassmallharmonic,largespeedregulationandfrequencymodulationranges,stableoperation,evenitcanprovidereactivepowercompositionforpowersystem.Thusthesystemisverifiedfeasible.Keywords:cycloconverter;double-fedsystem;simulation0引言在能源日益紧缺的今天，节能已经成为一种国家战略。然而占全国耗电量25%的风机水泵类负载仍以挡板为主调速甚至不调速，使风机综合效率仅40%，水泵约为28%，节能潜力巨大。特别随着生产要求的变化，原来配套的风机、水泵出现出力不够的情况，这就需要提高拖动电机的转速，增加出力，实行扩容改造1。双馈调速技术由于采用电机转子侧交交变频调速，具有所需变频装置容量小、开关器件承受电压低、功率因数可调、转速可实现同步速上下平滑调节、改造费用低等优点，正逐步成为适合我国国情的风机、泵类负载的调速方案2。河南理工大学自动化研究所研制的无环流、无死区、无检测、无反馈全开环控制的低成本交交变频器，虽然已成功应用于矿井提升机双馈调速系统改造等场合，但由于每周期可选电压片段少，存在调频调速范围小，功率因数低，输出波形正弦度差等缺点，限制了其应用。随着六脉波交交变频器的研制成功，基于六脉波交交变频器的双馈调速系统研究被提上了日程，本文通过对该系统的仿真研究，为后续实验研究提供理论依据与指导。1双变量原理3双变量相控理论（a+b）是在传统a角控制基础上增加了对脉冲宽度b的控制。其中a角的控制方法和单变量相控方法相同(一般用余弦交截法)，变量b由实际电流的换流范围以及保证实现自然换流的条件而得到。它与负载的大小和性质、输出频率、a角以及电源的瞬时值等因素有关。其作用为闭锁可能出现的各种环流条件和引导电流的换向。六相输入、三相输出的通用变频器的输入输出关系如下式：其对应输入输出关系如图1所示图1输入输出关系图为了表达式的简单和规范，特作如下规定：平均电压为0时对应的存在函数为基本存在函数，实际存在函数为基本存在函数经调制后的函数。表达式如下：式中：输出的相号；输入的相号；输入电压的周期；正型和负型过渡时的修正时间，通常为的整数倍；为调制函数，导通函数。双变量理论中，调制函数决定存在函数脉冲序列的前沿，也是触发脉冲的前沿，在此采用对称余弦交截法确定。导通函数决定了调制函数脉冲序列的后沿。也即仅决定脉冲序列的后沿，而不是触发脉冲的后沿。为此，再引入一个新函数，即触发脉冲宽度函数，且。所谓双变量控制理论，实质上是和的双变量控制理论。实际的触发脉冲函数为：2双馈调速系统建模所谓双馈调速系统，是指将绕线式感应电机定子接工频电网，转子接到一个幅值、频率、相位和相序都可调的独立交流电源上，从而构成定、转子双边同时馈电的调速系统。其调速原理是：从转子滑环上取出或输入所需要的电能，此电能表现为转差频率的交流电4。改变变频器输出电压幅值和相位，就可调速。原理图如图2所示。在此，转子侧电源使用的是双变量六脉波交交变频器，变频器前端输入使用了移相变压器将电网三相电变为每相相差60度的六相交流电。图2双馈调速系统原理图2.1晶闸管换流单元建模本系统所用变频器为六脉波零式交交变频器，故每相由12只晶闸管连成六组反并联电路。以U相为例，12只晶闸管T1T12均采用SimPowerSystems中PowerElectronics中的Thyristor模块。其中端口a、k分别为晶闸管阳极和阴极晶，g为触发晶闸管端口，参数使用默认参数。把T1-T12连接成六组反并联的结构，组成变频器的U相，如图3所示。V、W两相模块连接方式与U相完全相同。图中输入端子af表示六相电源输入，端子P+表示正组晶闸管触发脉冲输入，端子P-表示反组晶闸管触发脉冲输入，端子U表示变频器的U相输出。图3U相晶闸管模块2.2触发脉冲模块设计在双变量控制下的触发脉冲并不是完全与同步波对应，因此将脉冲发生器设计成由多个单脉冲发生器组成，在时间设定上与电网电压同步，这样也方便调整触发。正组脉冲由P+输出，反组脉冲由P-输出，每个晶闸管由一个或者两个单脉冲触发器控制：第一个主要控制触发角（变量a），由对称余弦交截法得到；第二个控制脉冲宽度或者补发脉冲（变量b），由双变量原理得到。正组触发如图4所示，反组与其相似，只是每个参数要增加1/2周期，因V相和W相触发脉冲与U相依次后移1/3个周期，故可得到脉冲发生单元仿真模型如图5所示。与Simulink/simpower库自带的同步脉冲触发模块不同，这种方法简化了仿真电路，方便对单个晶闸管的触发角和触发脉冲宽度的调整和修改，尤其适合双变量控制方式的仿真。图4U相正组触发脉冲模块图5晶闸管触发脉冲模块2.3系统模型依据系统原理图2，将各模块组合成为双馈调速系统模型如图6所示（包括六相电源，变频器，绕线异步电机，变频器的电压电流和电机的定子电流、转速与电磁转矩的测量）5-7。其中右端的两个RLC负载模拟