謝 維
(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院,北京 100176;2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)
近年來(lái)隨著電力電子器件的迅猛發(fā)展,交流調(diào)速控制技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了相位控制技術(shù)、VVVF控制技術(shù)、轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)、VVVF控制技術(shù)及脈寬調(diào)制技術(shù),其中PWM是一種很有發(fā)展前途的變頻調(diào)速方法。在直流-交流變換中,開(kāi)關(guān)器件由于在承受正電壓時(shí)關(guān)斷,因此如果采用晶閘管(SCR)作為開(kāi)關(guān)器件,則必須加入強(qiáng)迫換流回路,使SCR在關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極-陰極間承受反壓,這增加了控制的復(fù)雜性,增大了裝置的體積、重量,而且SCR的開(kāi)關(guān)頻率較慢。因此,在直流-交流變換中一般采用全控型器件,在全控型電力電子器件中,IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合型器件,兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗特性和電力雙極型晶體管(BJT)的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性,在變頻器、開(kāi)關(guān)電源、中頻電源及要求快速、低損耗的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。所以,本文的設(shè)計(jì)中采用IGBT作為逆變電路仿真中的主要開(kāi)關(guān)器件。
電力電子開(kāi)關(guān)器件也稱(chēng)功率半導(dǎo)體器件(Power Semiconductor Device),是電力電子技術(shù)中用來(lái)進(jìn)行功率控制與處理、高效電能形式變換,實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的新技術(shù)核心器件。電力電子開(kāi)關(guān)器件正在向著全控化、高頻化、集成化和多功能化的方向發(fā)展。目前,逆變電路中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的電力電子開(kāi)關(guān)器件主要有SCR,TRIS,GTO,GTR,VMOSFET和IGBT。由于它們的開(kāi)關(guān)速度和電流容量各不相同,因此在逆變電路中的應(yīng)用范圍也不相同。根據(jù)電力電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展,以及各種開(kāi)關(guān)器件的性能比較,主電路開(kāi)關(guān)器件的選擇遵循以下幾個(gè)原則:
(1) 在幾kW以下的逆變電源中,開(kāi)關(guān)器件將以VMOSFET為主。這類(lèi)電源的容量密度高,噪聲很小。如照明、醫(yī)用電源、汽車(chē)和家用電器等。在幾百kVA以上的大容量及超大容量的逆變電路中,開(kāi)關(guān)器件的選擇仍以GTO為主。如大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高壓直流輸電和大型化學(xué)電源,其容量都在幾百kVA以上。但是在某些工頻場(chǎng)合下有時(shí)也用TRIS和SCR,其中SCR主要還用于整流式電源設(shè)備。
(2) 在從幾kVA到幾百kVA直至上MW的中大容量的逆變器中,開(kāi)關(guān)器件將以IGBT為主。GTR由于其驅(qū)動(dòng)功耗大和開(kāi)關(guān)速度慢等原因,將逐步被IGBT和其他新型開(kāi)關(guān)器件所取代。這個(gè)容量等級(jí)的逆變器應(yīng)用在交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、UPS、逆變式弧焊電源、通信開(kāi)關(guān)電源和有源濾波裝置等場(chǎng)合中。
根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速式(1)可見(jiàn),可以通過(guò)改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率、定子頻率和極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)調(diào)速。異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí),轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化,調(diào)速范圍寬,無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率均較高。
(1)
在對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí),常須考慮的一個(gè)重要因素:希望保持電機(jī)中每極磁通量Φm為額定值不變。如果磁通太弱,沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心,是一種浪費(fèi);但是如果過(guò)分增大磁通,又會(huì)使鐵心飽和,從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流,嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。為了控制協(xié)調(diào)好電壓和頻率,以便達(dá)到控制好Φm的目的,因此,需考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。
(1) 基頻以下調(diào)速。根據(jù)式(2)
Eg=4.44f1SskNsφm
(2)
Eg是在定子每相中氣隙磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值,單位為V;f1是定子頻率,單位為Hz;Ns是每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù);kNs是繞組基波系數(shù);Φm是每極氣隙磁通量,單位為Wb。因此,只要控制好Eg和f1,便可達(dá)到控制磁通Φm的目的。要保持Φm不變,當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí),必須同時(shí)降低Eg,使Eg/f1=常數(shù),即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的,所以當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí),可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認(rèn)為定子相電壓Us≈Eg,則得Us/f1=常數(shù)。但是在低頻時(shí)Us和Eg都較小,定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著,不再能忽略。此時(shí),需要人為地把電壓Us抬高一些,以便近似地補(bǔ)償定子壓降。無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詾閍線(xiàn),帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性則示于圖1中的b線(xiàn)。
圖1 基頻下調(diào)速的控制特性
圖2 基頻上下調(diào)速的控制特性
(2) 基頻以上調(diào)速。在基頻以上調(diào)速時(shí),頻率應(yīng)該從f1N向上升高,但是定子電壓Us卻不可能超過(guò)額定電壓UsN,最多只能保持Us=UsN。這將迫使磁通與頻率成反比例地降低,相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。將基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫(huà)在一起,如圖2所示。如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值,即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行,則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動(dòng)的原理,在基頻以下,磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定,則屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì);而在基頻以上,轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低,則基本上屬于“恒功率調(diào)速”。
圖3 恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真框圖
基于以上的恒壓頻比控制,下面將對(duì)基于IGBT逆變電路的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真。異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真框圖,如圖3所示。
其中,f1為系統(tǒng)最終要輸出的頻率指令,經(jīng)過(guò)加、減速時(shí)間給定環(huán)節(jié)得到逆變器實(shí)際輸出的頻率f1。以電機(jī)從零開(kāi)始加速為例,如果設(shè)定f1從0加速到f1所需的時(shí)間為T(mén),則在0 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路仿真模型,如圖4所示。其中,直流電壓為24 V,逆變器為IGBT的三相半橋逆變器,而電機(jī)為異步電機(jī)模塊,其主電路由直流電壓源、逆變器和電機(jī)依次相連。 圖4 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路仿真框圖 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制部分,利用Step模塊設(shè)定頻率指令f1*,而加減速模塊用Rate Limiter模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。此仿真系統(tǒng)中加減速的斜率分別設(shè)置為200和-200,表示0~50 Hz的加速時(shí)間為0.25 s。恒壓頻比曲線(xiàn)可以用Simulink中的Lookup Table模塊完成,此系統(tǒng)設(shè)置表中的頻率點(diǎn)為[0,5,25,50,100],相對(duì)應(yīng)的調(diào)制度為[0.1,0.1,0.5,1,1]。表示5 Hz以下時(shí)調(diào)制度為0.1,而在5~50 Hz時(shí)調(diào)制度隨頻率線(xiàn)性增長(zhǎng),在50 Hz時(shí)則調(diào)制度達(dá)到1,最后在50~100 Hz時(shí)調(diào)制度保持為1。得到的頻率和調(diào)制度送入PWM模塊,該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖5所示。其中,PWM模塊的輸出連接到三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制。 圖5 PWM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從系統(tǒng)仿真圖4中,可以看出選用了Machines Measurement Demux模塊測(cè)量電機(jī)狀態(tài),采用Selector模塊對(duì)三相信號(hào)進(jìn)行分離,這里只觀察其中的一相。 仿真結(jié)果如圖6所示。其中,兩幅運(yùn)行結(jié)果圖符合一般PWM三相逆變器交流側(cè)的電壓與電流??梢钥闯?,這些仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致,證明本文使用的SVPWM控制算法是正確的。 圖6 IGBT逆變器Matlab 由仿真結(jié)果知在0~0.25 s時(shí),電機(jī)處于加速過(guò)程,而在0.25 s之后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。由于空載時(shí),轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min的附近,所以定子電流為空載電流,頻率為50 Hz,而轉(zhuǎn)子電流基本為0。在0.5 s時(shí)突加負(fù)載,則定轉(zhuǎn)子電流迅速增加,輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)地增加,而電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩下降,最后穩(wěn)定在1 420 r/min附近,即轉(zhuǎn)速降落為80 r/min左右。在1 s時(shí)電機(jī)頻率指令變?yōu)?0 Hz,電機(jī)開(kāi)始減速并最終穩(wěn)定于820 r/min附近,因此相對(duì)于30 Hz下的同步轉(zhuǎn)速900 r/min,其轉(zhuǎn)速降落同樣為80 r/min。仿真結(jié)果與前面對(duì)變頻調(diào)速特性的分析一致。 由于轉(zhuǎn)子電流頻率即轉(zhuǎn)差頻率,因此在同一負(fù)載下,無(wú)論定子頻率是否變化,轉(zhuǎn)子電流頻率都基本不變。同時(shí),還可以看出啟動(dòng)電流相對(duì)較小,這也是采用變頻器的優(yōu)勢(shì)之一。此外,只要改變定子的頻率就可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。 基于以上的理論分析及Matlab仿真結(jié)果,可以看出,異步電機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率,從而改變同步轉(zhuǎn)速的方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器,而變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類(lèi),目前國(guó)內(nèi)則大都使用交-直-交變頻器。其特點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣,可用于籠型異步電動(dòng)機(jī);特性硬,調(diào)速范圍大;效率高,調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗。造價(jià)高,技術(shù)復(fù)雜,維護(hù)檢修困難。因此,本方法適用于要求調(diào)速性能較好、精度高的場(chǎng)合。 目前,MATLAB軟件在電力電子中的仿真有以下幾個(gè)方面的發(fā)展:結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際,按照各種理論體系進(jìn)行仿真過(guò)程的設(shè)計(jì),使所有工程的內(nèi)容都有其理論根源,以給讀者各種理論背景的查詢(xún);采用更有效的硬件和MATLAB軟件,可以開(kāi)發(fā)出功能更完善用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和教學(xué)仿真系統(tǒng);隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛,MATLAB軟件必將涉及與各類(lèi)電力電子器件、系統(tǒng)、裝置等有關(guān)的電力電子技術(shù)仿真。 參考文獻(xiàn): [1] 劉衛(wèi)國(guó). MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 2版.北京:高等教育出版社,2006 [2] 林飛,杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2009 [3] 黃忠霖,黃京. 電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009 [4] 薛定宇. 基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]. 2版. 北京:清華大學(xué)出版社,2011 [5] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005 [6] 余名俊,李嵐,王秀麗. 異步電動(dòng)機(jī)的MATLAB建模與仿真[J]. 微電機(jī),2006,39(6):35-37 [7] 顧德英,季正東,張平. 基于SIMULINK的異步電機(jī)的建模與仿真[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2003,15(2):71-73 [8] 王峰,姜建國(guó),顏天佑. 基于MATLAB的異步電動(dòng)機(jī)建模方法的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(7):1733-17354 IGBT逆變器仿真模型及運(yùn)行結(jié)果
4.1 用Matlab建立IGBT逆變器仿真模型
4.2 IGBT逆變器Matlab仿真運(yùn)行結(jié)果
5 結(jié)束語(yǔ)
重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2014年6期