1.雙饋調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

　　眾所周知，當繞線式異步電動機定子由工頻電源供電，而轉(zhuǎn)子由三相零式無環(huán)流交-交變頻器供電時，可組成從低同步到超同步變速的雙饋調(diào)速系統(tǒng)。這時，交-交變頻器中的晶閘管要完成兩種性質(zhì)不同的換流：一種是同組晶閘管之間的換流，它是由電網(wǎng)電壓的自然換相實現(xiàn)；另一種是晶閘管組之間的換流，實現(xiàn)組間換流有不同的方法。當采用輸出電流的過零信號作為三相零式無環(huán)流交-交變頻器的換組信號時，可靠地檢測出輸出電流極性和輸出電流過零點是防止晶閘管直通，確保系統(tǒng)正常、安全運行的重要條件。

　　2.矢量控制的理論基礎(chǔ)

　　采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。

　　為達到良好的調(diào)速性能對雙饋電機采取先進的矢量控制技術(shù)。矢量控制的實質(zhì)是在交流電機里構(gòu)建出直流電機的模型，用直流電機的調(diào)速方法對其調(diào)速，而為了對真實的可控量進行控制，又須將其變換到原來所在坐標系的坐標。具體的實現(xiàn)方法是先求出定子磁鏈的方向，并以該方向為同步旋轉(zhuǎn)坐標系的dc軸，超前其90o的方向為qc軸，這樣就構(gòu)成了dc-qc同步旋轉(zhuǎn)坐標系。對轉(zhuǎn)子電流進行了從三相到兩相變換后，再將其變換到同步坐標系下，轉(zhuǎn)子電流就被解耦成了一對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量。前者位于qc軸，電磁轉(zhuǎn)矩只和該值有關(guān)；后者位于dc軸，起到激磁的作用，可改善定子側(cè)的功率因數(shù)。

　　反之若維持定子側(cè)電壓幅值恒定，則

　　恒定。則由電磁轉(zhuǎn)矩統(tǒng)一公式知T=

　　在保證Us（即

　　）恒定的條件下，控制

　　即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。

　　3.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過解耦后，就可用直流調(diào)速的方法對其進行控制。在控制系統(tǒng)中，給定量是轉(zhuǎn)速，受控量是電磁轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量）。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管變流器的觸發(fā)裝置。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅值決定允許的電流。電流調(diào)節(jié)器的作用是電流跟隨，過流保護和及時抑制。

　　為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅（飽和）電壓是Uin*,它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uctm,它限制了晶閘管變流器輸出電壓的值。

             
                       圖 1雙閉環(huán)比例-積分調(diào)節(jié)示意圖

　　4.Matlab 仿真模型的建立

　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。

　　雙饋系統(tǒng)的仿真模型包括電機模塊、控制系統(tǒng)模塊、變頻器模塊。

　?。?）電機模塊

　　Matlab中已經(jīng)建立了異步電機模型，轉(zhuǎn)子方面的各參量均折合到定子側(cè)，并用上標撇號表示，其等效電路模型為

　　該對話框里沒有電機定、轉(zhuǎn)子電壓變比關(guān)系一項，在此數(shù)學(xué)模型中這一信息也無法體現(xiàn)。比如，定轉(zhuǎn)子的額定電壓分別是6000伏、1640伏，但當仿真定子側(cè)接6000伏電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)開路這種狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓也是6000伏，因此不宜將模型的轉(zhuǎn)子直接與變頻器模型直接相連。為了體現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間電壓、電流的變比關(guān)系，在轉(zhuǎn)子輸出端接一近似理想的三相兩繞組變壓器，該變壓器副邊的輸出作為轉(zhuǎn)子的輸出，變壓器的變比為定子側(cè)額定電壓與轉(zhuǎn)子側(cè)額定電壓的比值。

               
                                 圖 3修正過的電機模型

　　（2）控制模塊

　　控制系統(tǒng)由磁場定向、坐標變換、直流調(diào)節(jié)、交流調(diào)節(jié)和電壓前饋模塊綜合而成。經(jīng)過磁場定向與坐標變換，轉(zhuǎn)子電流解耦成一對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量。下圖為轉(zhuǎn)子兩相電

　　進行了旋轉(zhuǎn)變換得到定子磁鏈坐標系下的直流

　　Te只與

　　有關(guān)，兩者成一線性關(guān)系，另一分量

　　起到激磁的作用。

　　對轉(zhuǎn)矩分量和激磁分量進行直流調(diào)節(jié)后進行坐標反變換和從兩相到三相的變換輸出變頻器控制信號。

　　（3）變頻器模塊

　　變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display,真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。

　　變頻器一相的供電流回路模型如圖6所示，主要由兩組反并聯(lián)的晶閘管變流器和控制正負組封鎖與開通的邏輯判斷電路聯(lián)接而成。變頻器正負組交替工作輸出交流電流，且兩組不可同時開通，否則在正負組間形成很大的環(huán)流會將變頻器燒壞，為此需有可靠工作的控制正負組封鎖與開通的邏輯判斷電路，即圖中的DLC模塊。在無環(huán)流交-交變頻器供電回路中，轉(zhuǎn)子電流過零點檢測是實現(xiàn)變頻調(diào)速的重要一環(huán)，若不能準確檢測出轉(zhuǎn)子電流過零，交流電流就不能正確輸出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流頻率不能追隨實際的轉(zhuǎn)差頻率，力矩電流偏離給定值，變頻調(diào)速失敗。

     
                     圖 6變頻器一相供電回路模型

　　當轉(zhuǎn)子電流大于0.5安培時，判斷電流沒到零；小于0.5安培時須過1e-5 秒的延時后再次檢測電流，若仍小于0.5安，則認為電流到零了否則認為是干擾信號。判斷電流到零后需先封鎖當前工作的變流器后再開通另一組變流器，中間設(shè)置了1e-3秒的死區(qū)時間以防止在正負變流器之間出現(xiàn)環(huán)流。下圖是該變頻器模塊輸出的仿真波形（時間以秒為單位）。

　　將修正了的電機模型、控制系統(tǒng)和變頻器連接起來便構(gòu)成了雙饋調(diào)速系統(tǒng)的模型如下圖8所示。速度的設(shè)定在Constant2方框中填寫， Constant1可填寫轉(zhuǎn)子電流的激磁分量，設(shè)定為轉(zhuǎn)子電流的2%。

　　5.對實際系統(tǒng)的仿真分析

　　應(yīng)用該模型對實際雙饋調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析以驗證模型的合理性。該雙饋調(diào)速系統(tǒng)是中國環(huán)流器2號（HL-2A）的環(huán)向場電源供電系統(tǒng)。由兩套80MVA交流脈沖發(fā)電機組組成。每套機組由同軸的一臺6kV 2500kW 4極繞線式異步電動機，一個飛輪，一臺隱極式、4極、雙Y相移30o的3kV 80MVA脈沖同步發(fā)電機和一臺勵磁發(fā)電機組成，系統(tǒng)GD2為287 t·m2.環(huán)向磁場供電電源的工作原理是，由電動機以低功率拖動整個軸系轉(zhuǎn)到高轉(zhuǎn)速，將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化成軸系的轉(zhuǎn)動動能，然后對發(fā)電機進行快速勵磁并進行適當控制，發(fā)電機通過變流器以大功率放電，同時伴隨著軸系轉(zhuǎn)速迅速下降，軸系的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為電能放出。

　　為增加該供機組的儲能與釋能，為這兩套機組的電動機配備了在轉(zhuǎn)子側(cè)進行變頻調(diào)速的交-交變頻器，以使電動機以雙饋調(diào)速的方式將機組超同步運行至1650rpm.機組的啟動過程是，先由盤車機構(gòu)盤動到2rpm,從2rpm到1476rpm則由電動機并借助液體電阻滑差調(diào)節(jié)器來完成，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1476rpm時，將轉(zhuǎn)子從液體電阻切換到交-交變頻器，電動機以雙饋變頻調(diào)速的方式將機組繼續(xù)加速至1650rpm.

　　已知實際系統(tǒng)的電動機參數(shù)為：定、轉(zhuǎn)子額定電壓6000、1640伏，額定電流284、933安，額定轉(zhuǎn)速1476rmp.仿真中將轉(zhuǎn)速給定設(shè)為1515rmp,要求升速過程中定轉(zhuǎn)子電流、力矩為額定值，定子側(cè)功率因數(shù)95%以上。因為受仿真時間與計算機內(nèi)存、仿真模型大小的限制，每次仿真時間多可設(shè)為6秒鐘，因此只仿真了從1476~1477rmp、1498.5~1500.5rmp兩段，借此說明投入變頻器和超同步兩段過程。仿真的結(jié)果如下圖所示：（以下仿真圖形的縱軸均以秒為時間單位）

　　從圖9-11可以觀測到0.6秒時轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩升到0.7（標幺值），1秒鐘時升到1,并保持該轉(zhuǎn)矩加速。在超同步過程中定、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩仍保持在額定值1并測得定、轉(zhuǎn)子電流幅值為390安、1280安，與實際系統(tǒng)的定、轉(zhuǎn)子幅值401安、1319安非常接近，從圖12可以看出定子繞組的電流、電壓其相位幾乎一致，說明功率因數(shù)很高。這些驗證了該模型的正確性與參數(shù)選擇的合理性。

　　HL-2A裝置的極向場供電電源的結(jié)構(gòu)與環(huán)向場的類似，該套機組原產(chǎn)日本，設(shè)計額定轉(zhuǎn)速就是3600rpm、電動機工作頻率60Hz,但在我國的電網(wǎng)條件下只能運行在轉(zhuǎn)速2991rpm,為充分利用該套機組的容量，也擬為其配備類似的變頻裝置，所以這套雙饋調(diào)速系統(tǒng)的建模及仿真分析對125 MVA機組的雙饋調(diào)速系統(tǒng)容量等選取來說具有直接的指導(dǎo)意義。

　　結(jié)束語

　　Matlab是當今廣泛使用的仿真工具但實際使用中也會遇到一些諸如聯(lián)接不匹配的問題，應(yīng)分析具體的原因找出解決的辦法。本文中的措施是行之有效的。

　　雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)可以有效提高定子側(cè)功率因數(shù)到1,另外雙饋變頻調(diào)速所需變頻器容量相對較小，在變頻器輸出頻率不高的場合有很高的應(yīng)用價值。

　　這套雙饋調(diào)速系統(tǒng)模型對研究類似的問題有一定的參考價值，仿真的結(jié)果可作為系統(tǒng)設(shè)計的參考，如變頻器容量、變頻器的供電電壓、電抗器的值、加速轉(zhuǎn)矩等有關(guān)量的設(shè)計。