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基于MATLAB的异步电机软起动过程的仿真
内容简介:异步电机软起动系统的仿真模型为应用Simulink建立的异步电机软起动系统的仿真模型。它主要由三相交流电压源、同步、脉冲发生、三相交流调压、电机及测量、电流反馈和起动控制等环节封装模块组成,结构划分与异步电机软起动系统原理图基本一致。
  基于MATLAB的异步电机软起动过程的仿真黄劭刚2,黄华高\季国瑜2(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.南昌大学,江西南昌330029)阐述了软起动主要环节模块的处理,建立了完整的仿真系统模型,最后给出仿真结果,实例验证。
  1前言异步电机应用十分广泛,随着社会的发展,生产技术的进步,在许多场合,人们对异步电机的起动性能也水涨船高。
  在现有的诸多起动方,软起动以其控制方便、可反馈闭环控制、平滑性好等优点脱颖而出,倍受青睐,国内的开发研究方兴未艾。对异步电机软起动进行仿真研究无疑具有重要意义,传统使用Folran或C语言建模编程仿真方法存在着一些明显缺点:编程效率不够高,程序调试比较烦,做动态特性曲线不太方便。由于软起动系统包括电路、电力电子、电机、控制等多个环节,更增加了传统方法仿真的困难。
  近几年,特别是1998年Matlab5.2新增加了电气系统模块库(PowwSystemBlockset)后,在我国应用Matlab进行电气仿真异军突起,而在此之前,Matlab主要在控制领域被广泛使用。电气系统模块库以Matlab下的Simulk动态系统建模仿真软件为运行环境,涵盖了电路、电力电子、电机等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型,模块的使用与常规Simulink模块类似。本文就在电气系统模块库基础上,利用Matlab建立异步电机软起动系统仿真模型,进行仿真。
  2异步电机软起动软起动器是在电动机调速装置的基础上逐步发展起来的,也称作减压起动器(SSRVS)。它采用了晶闸管功率元件(SCR)构成的三相交流调压电路,通过控制晶闸管功率元件的导通角,使施加于电动机的电压自动逐步升高,电动机从停止状态向运行状态逐步加速,最终主回路原理图在额定电压下稳定运行,主电路基本原理图如所示。
  软起动系统线路原理如所示。
  控制回路大体由电压同步信号采样及处理电路、信号检测电路、起动控制电路、保护控制电路以及移相控制电路等组成。
  采样及处理电路为移相控制触发脉冲的基准,确保触发脉冲相位与主回路电压相位之间的精度。
  信号检测电路检测电流大小、功率因数角等信号,提供限流控制及保护动作的依据。
  软起动核心和关键所在。选择合理的控制策略,实现软起动。
  软起动系统线路原理进行过流、断相、相序、过热等保护,保证电机安全可靠工作。
  发出移相信号控制触发角的大小,以改变晶闸管的开通程度,实现电动机输入电压的调节。
  3软起动仿真3.1异步电机数学模型异步电机数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,其在二相旋转坐标系的d-q模型为:转矩方程运动方程L丨方程中带有(’)的量表示从定子侧看过去的转子折算量。
  Matlab电气系统模块库中提供的异步电机模型就是基于转子旋转坐标系的d-q模型,它的标准形式的模块(Asy-chiomousMachineSIUnits)如所示,输入A、B、C和输出a、b、分别对应定子和转子的三相线路连接,模块内部定子和转子的三相绕组都设定为星形接法,中性点不能为外部所用,标准形式异步电机模块专用多路转换分解器转子的输出通常直接短接或者也可和外部电路相连。Tm为电机负载转矩输入,mS1为含有20个电机量的矢量输出,与此同时,模块库中提供了专用的多路转换分解器(ASMMeasurementDemux)(),用于分离输出电机的各种量值,如定、转子三相电流、电机转速、电磁转矩等,这些输出可用仿真示波器直接予以观测。
  3.2异步电机软起动系统的仿真模型为应用Simulink建立的异步电机软起动系统的仿真模型。它主要由三相交流电压源、同步、脉冲发生、三相交流调压、电机及测量、电流反馈和起动控制等环节封装模块组成,结构划分与异步电机软起动系统原理图基本一致。脉冲发生子系统模块、起动控制子系统模块和其他模块相比,模块名称前多加了一个‘’符号,这是由于在仿真初始化过程中,Simulink内部有一函数(powei2sys)逐一检查模型中各模块是否为电气系统模块,若是,则进行转换,反之不用转换,为了避免检查Simulink常规模块,以加快仿真速度,Simulink规定可在子系统模块名前加一‘’,但必须确保子系统内全为Simulink常规模块,以上提到的两个子系统模块就符合这个条件。
  下面就对如何建立这几个主要环节模块作一讨论:电气系统模块库中只提供单相电源,而没有现成的三相交流电源模块,我们可使用三个单相交流电源按星形连接,通过设定正确的相位顺序和幅值关系,简单地加以组合构成,并封装成模块,运用时只需直接设定此模块三相交流电源的线电压与频率。内部结构如所示。
  同步环节模块和三相桥式整三相交流电压源异步电机软起动仿真模型流电路不同,三相交流调压电路的控制角a= 0的点定在各相电压过零点,因而同步信号应取电源相电压信号,而不是线电压。其内部模型如,含有三个输入端口,三个输出端口。由于电气系统模块本质上同常规Simulink模块是有区别的,涉及到两类模块之间的信号流动,必须使用中间接口模块,因而根据性质,这里使用了电压测量模块作为输入电气信号和输出Simulink信号的中间接口。
  电气系统附加模块库(P(we-中给出了一同步六脉冲发生器可以满足一般要求,当然,也可根据实际需要,按照同步脉冲产生的机理,利用Simulink常规模块自行构建此环节模块。本仿真模型系统中,使用的是在上述库中同步六脉冲发生器模块基础上加以改造后的模块,采用宽脉冲触发,限于同步环节模块篇幅在此省去内部模型图。
  实际应用的软起动系统,通常是采用电流互感器取得反馈信号,经整流、滤波等信号处理环节,以获得如实反映起动电流(一般为有效值)的信号,实现起来并不简单,而在仿真建模中,却可轻易获取起动电流的有效值,因为也是在附加模块库中,测量子库(MeasuremaUs)提供了有效值,测量模块(RMS)可直接加以利用,十分方便。
  软起动本质是降压起动,关键在于限制起动电流。实现的过程是起动电压由某一给定电压值逐步升高,至所给定的限制电流之后保持恒定,在此恒定起动电压下过高的电流开始衰减后,起动电压再继续上升,如此这般最终达到额定全压。据此建立的封装模块内部模型如所示,输入的电流反馈信号iback和限流给定值iref通过加法器进行比较,电流偏差经滞环比较(Relay),若反馈信号大于给定值,输出为0,反之则输出为1.电压上升速率控制uincr值与滞环输出相乘后,通过一积分环节,产生值由0按上升斜率为其乘积值线性递增的信号,乘积值为0时,积分环节输出即保持原有值不变。起动电压起始给定值uini和积分输出值比较,偏差经一饱和环节(Saturation)限制输出值范围,送至输出端。uini和饱和输出范围的取值都表示触发角a的大小。
  三相交流调压环节模块三相交流调压环节是异步电机软起动特点所在,内部模型如,由脉冲发生环节输出的脉冲经选择器Selector和多路信号分解器Demux如图供给各晶闸管,确保它们之间的触发顺序。从电气系统模块库电力电子子模块库中选取6个晶闸管模块(Thristor),连接构成三对双向反并联晶闸管电路,为避免产生代数回路(algebraicloop),晶闸管元件参数Lon可设得足够小,但不能为0,考虑到带电机这一感性负载,需设定Rs和Cs,为不影响仿真合理性,Rs可取大阻值(如1e6),Cs可取inf,其余参数按实际情况选取。
  三相交流调压环节模块3.3仿真结果与实验结果利用上述仿真模型,对“道尔”战车用75IKW变频机组的异步电机软起动系统空载起动进行了仿真(限流有效值400A)。数值仿真算法:ode15s,相对误差:1e- 3,绝对误差:1e-3.由于该软起动系统的起动时间比较长(约需半分钟),整个起动过程的波形不便给出,为清楚起见,分别抽取起动初始阶段、限流中间阶段和起动结束阶段的局部起动电流波形放大显示,相应的实验波形也同时列出,以作对照(0)。
  从0我们可以看出,仿真波形和实验波形基本吻合。
  (a)起动初始段仿真电流波形(a)起动初始段实验电流波形(b)限流阶段局部仿真电流波形(1/)限流阶段局部实验电流波形(c)起动结束段仿真电流波形(c)起动结束段实验电流波形0仿真波形和实验波形4结论本文针对异步电机软起动系统,利用Matlab/Simulink和电气系统模块库建立其仿真模型,仿真高效、准确、直观,为后续深入分析研究奠定了基础,同时,仿真模型中建立的子系统模块具有一定和借鉴价值,并且可以方便地移植拷贝,减少了今后相关领域的仿真研究的重复工作量。
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