1398-DDM-009 /A

1398-DDM-009 /A 

在实际工程设计中，常需进行计算机仿真研究，以获得指导性结论或对工程计算参数进行验证。在仿真技术中，常采用的数学模型形式有：传递函数、开关函数或状态方程等。而三相交流异步电机和调速装置中的电力电子器件都是高度非线性系统，用解析方法难以得到详尽的描述。

为此，在MATLAB/Simulink环境下利用SimPowerSystem工具箱进行交流电机调速系统的建模和仿真研究。并且采用封装技术将仿真模型按实际系统的组成结构建立子系统，整个仿真模型结构清晰，而且仿真试验结果表明，该模型能反映实际系统的特性，可信度很高。

2 斩波串级调速系统的工作原理

2.1 系统构成

交流调速系统如图1所示，主要由三部分构成：绕线式异步电动机、启动环节和串级调速控制装置。

1398-DDM-009 /A

交流电机采用三相绕线式异步电动机。

启动环节由频敏变阻器PF 和接触器1KM 、2KM 、3KM 构成，加设了自动切换的接触器，能减小起动电流，使大型电机平稳起动。

串级调速控制装置由三相全波整流桥、IGBT 高频斩波器、三相全桥有源逆变器和平波电抗器、隔离二极管、缓冲电容器等构成，实现优良的无级调速特性，有效地抑制了谐波对电网的污染，取得更高的节能效果。

2.2 工作原理

串级调速系统的基本原理是在转子侧串入附加反向电动势Ef ，通过改变附加电动势的大小来改变转子电流I2 ，从而改变电磁转矩达到改变转速的目的。

1398-DDM-009 /A

串级调速关键问题是如何获得附加电动势，如图1中的串级调速控制装置，将转子电压通过三相全波整流桥整流为直流电压Ud ，而三相全桥有源逆变器的工作状态始终固定在 小逆变角βmin ，提供恒定的直流反电势。由于逆变器始终固定工作在 小逆变角βmin ，大大提高了逆变器的功率因数，并且不随转速的调节而变化，从而改善了传统的串级调速系统功率因数低的缺陷。中间直流回路加入高频IGBT 斩波器，通过改变斩波器的占空比(τ/T) ，来获得转子回路的等效附加直流电动势Ub 。

由此可见，斩波式串级调速运行规律为：当占空比越大，即斩波器的导通时间越长，转速越高;反之，则转速越低。并且可以达到足够宽的调速范围和足够精确的转速控制性能，系统功率因数也获得很大改进。

3 仿真模型的建立

对斩波式串级调速控制系统进行仿真研究，采用MATLAB 软件Simulink 环境下的SimPowerSystem 工具箱建立仿真模型。

3.1 基于封装技术建立仿真模型

建立斩波式串级调速控制系统的仿真模型，包含电气系统和控制回路，模块数量多，模型复杂，不利于工程分析。利用子系统封装技术，将功能相关的模块组合为子系统。

按交流调速系统的三个组成部分建立三个子系统：绕线式异步电动机(Motor)、启动单元(Start)、串级调速控制装置(Speed Control),如图2 所示。整个仿真模型按照电气原理结构图建立，结构清晰，功能明确，便于进行工程设计。