高频斩波式串级调速系统分析

　　3.3 异步电动机模型

　　图3 为异步电动机仿真子系统的内部模型结构，封装后为四个输入端、7个输出端的Motor 子系统模块(见图2)。

　　异步电动机模块(Asynchronous Machine) 的参数设置为绕线式电机，参数折算到转子侧。在定子侧串入的三相变压器(linear transformer)为逆变变压器。

　　3.4 启动过程的仿真

　　图4为启动环节仿真子系统内部模型结构，封装后为9个输入端、3个输出端的Start子系统模块(见图2),完成电机平稳起动的任务。

　　在电机起动时，1KM闭合，2KM、3KM打开，电机转子回路串入三相频敏变阻器PF，限制起动电流。当电机转速升高到设定的允许值时，装置自动将2KM闭合，切除频敏变阻器，电机转子回路经1KM短路,进入全速工作状态。运行稳定后，1KM断开，2KM和3KM闭合，接入串级调速控制系统，进入调速运行状态，调整占空比来改变速度的大小。

　　3.5 串级调速控制系统的仿真

　　图5 为斩波式串级调速系统仿真子系统内部模型结构，封装后为7 个输入端、3 个输出端的Speed Control 子系统模块(见图2)，通过调整输入7 的占空比大小完成电机调速的任务。

　　图5中调速系统的三个核心单元分别为：①Universal Bridge为通用桥模块，用于模拟三相全波整流单元，将转子回路三相交流变为直流，以便对转子回路施加串接直流电势控制。②IGBT为斩波单元，以恒频调宽方式工作，由外部的高频脉冲信号作为IGBT 的门控信号，其占空比和频率由脉冲信号决定。③Thyristor bridge 为6 脉冲晶闸管桥模块，用于模拟三相全桥有源逆变器，将经斩波控制后的转差功率逆变为三相工频交流送至内反馈绕组，实现节能。

　　4 仿真实例

　　针对适用于风机、泵类等大容量平方转矩负载的串级调速系统进行仿真试验，建立如图2 所示的模型，有关参数设置如下：供电电源为6KV 、50HZ 三相交流电源;异步电动机为额定功率2240KW ，极对数2， 转动惯量140 kg.m2 。仿真时间0～10 秒，在t=3.5 秒投入调速系统，占空比100% 。t=5 秒后，每间隔1 秒将占空比降低10%，进行仿真试验。

　　图6 为电机启动、调速运行过程的转速、A 相转子电流、整流电压和直流电流的仿真曲线。可见启动过程中，电机平稳从零转速升至全速运行，转子电流得到有效抑制。调速过程平稳快速，并且随着占空比的降低，等效附加直流电动势Ub 增大，转子电流I2 减小，转速降低，符合2.2 节的理论分析。

　　5 结论

　　本文对高频斩波式串级调速系统的交流回路和直流回路进行了详尽分析，并从电气原理结构图出发，在 MATLAB/Simulink 环境下利用SimPowerSystem 工具箱和封装技术为串级调速系统建立了仿真模型。

　　从仿真实例的结果来看，该模型逼真再现了实际系统的启动、调速运行等动态过程，说明该仿真方法是有效的，具有工程实用价值。

　　本文作者创新点：在 MATLAB/Simulink 环境下利用SimPowerSystem 工具箱和封装技术建立的串级调速系统仿真模型，符合实际工程设计的组成结构，仿真效果真实，为电机调速系统的工程设计提供了理论依据和验证手段。