滞环PWM变频调速系统的仿真研究
李晓竹 彭继慎(辽宁工程技术大学阜新123000)
摘 要 依据同步电动机的电路与状态方程、变频器的结构以及滞环PWM原理，运用****的电路电子仿真软件包ICAP对滞环PWM变频调速系统进行了仿真研究．取得了良好的效果。
叙 词 同步电动机变频器仿真
1 引 言
近年，由于计算机技术的飞跃发展，应用计算机对实际电力传动系统进行仿真已日益为人们所重视和应用。出现了各种各样的系统与电路仿真软件包，其中电路仿真软件包SPICE已闻名于世，各种基于SPICE发展起来的软件包更是层出不穷，其中较为****的PSPICE已为广大读者所熟知[1]。最近，美国intusoft公司推出了一种交互式电路分析程序ICAP，既可以在Windows下运行，也可以安装在Win95或Windows NT系统中。它是在SPICE3的基础上发展而来的。它含有丰富的器件模型库，尤其是一些新型的大功率器件，如IGBT、MOSFET和GTR等，因此特别适用于电力电子电路的仿真研究。2 ICAP简介ICAP主要包括四个部分：
a．文本文件编辑器
主要功能是完成对cir、out及err文件的编辑工作，茌这里可以设置仿真种类、时间、步长等参数，其功能相当于PSPICE的主菜单。另外，如果仿真过程中出现错误，ICAP会自动从IsSpice退到此菜单。
b．调用仿真器
IsSpice是ICAP的仿真器，在这里完成对电路图的仿真，并把仿真结果写入文件中，四个子窗口，可交互查看仿真实时曲线、各节点电压、各支路电流、仿真错误信息，并可以利用ICL语言修改仿真参数。
c．调用示波器
Scope是ICAP中的图形后处理器，可将JsSpice的运行结果在显示屏幕和打印设备上用图形显示。
d．调用电路图编辑器
SpiceNet是ICAP新开发的功能强大的电路图编辑器，在这里用户可以直接画电路图，退出后，ICAP(主菜单见图1)会自动形成IsSpice所需的ckt文件。
3 由变频器和同步电动机构成的传动系统的仿真
在应用ICAP对变频器和同步电动机构成的传动系统进行仿真时，采用变频器与同步电动机分别建模的方法。首先依据变频器的电路结构，建立变频器的电路结构模型，用于变频器的仿真。然后再根据同步电动机的等效电路模型以及依据状态方程建立的状态方程仿真模型，用于同步电动机的仿真。依据自适应PWM原理建立的电路仿真模型将变频器电路模型与同步电动机模型连接起来作为控制电路的仿真。
3.1控制电路的仿真
控制电路仿真是依据自适应PWM原理进行的。
3.1.1 自适应PWM的原理
控制电路产生预期幅度和频率的正弦基准电流波，它与实际相电流相比较，在电流超过某一规定区域（仿真精度）时，半桥中上IGBT管关断而下IGBT管开通，结果，输出电压从+0. 5Vd转换到-0.5vd，输出电流开始衰减。当电流横越区域的下限时，下IGBT关断，上IGBT管开遁。在每次转换时保持规定的封锁时间，以防止直通故障[2]。
靠上面和下面IGBT管的来回开关，迫使实际电流波在所需的区域内跟踪基准波。这时，逆变器实质上变成电流源型了，而不是电压源型，并且峰一峰值波纹被自适应地控制在滞后区域之内，而与Vd无关，从而严密地控制了与峰一峰值波纹电流间接相关的波纹电流有效值，将电机发热减至****限度。对于瞬时峰值电流敏感的晶体管类器件，瞬时峰值电流的控制是一个极大的优点。电流控制PWM方式可以平滑地转换到恒功率区内。在电机反电势较低的低速区内，其电流控制器的跟踪是没有困难的。但在高速条件下，因为较高的反电势，在周期的部分时间内电流控制器将会饱和，在这个条件下，基波电流幅度较小，并且其相位将偏离指令电流的相位。电流波的斜率可表示为：
式中yVcmsinwst是正弦变化的反电势，而L是有效漏感。滞后区域能适应于控制逆变器的开关频率，它将相应地改变峰一峰值波纹[2]。
3.1.2 PWM在ICAP中的具体实现
在图3中以6个脉冲源所代替的IGBT的触发电路是实现自适应电流控制PWM的关键，具体电路如图2所示。
第一个运放构成的减法器产生相电流与基准电流的差值。
笫二个运放构成的滞回比较器产生控制的上下限，即Ub超出上下限时，即触发IG-BT。控制的上下限U+和U-由下式给出。
第三个运放构成反向器，将输出电压反向。Uz为稳压管输出的电压，与Ul和U2的幅值相同，以产生稳定的电压驱动后部电路。由它们产生的电压信号经延迟后，再经驱动放大电路放大后，分别用于驱动半桥中的上、下IGBT管。
3.2变频器的仿真
3.2.1变频器的结构
变频器采用交一直一交型，经过整流和逆变两次功率变换，由于逆变侧采用了IG-BT整流侧则可以采用普通二极管。R、S、T三端接三相交流电源，A、B、C三端接电动机。起滤波作用，C1和C0起充电电流的缓冲作用。C1、C2的作用主要有三个：一是滤波作用，二是去耦作用，三是恒压作用。型号为GT25Q101。为了简单起见，六个脉冲源代表触发电路，如图3所示。每个脉冲源有图2所示的基本电路构成。
3.2.2变频器的仿真结果
根据变频器的结构，对其进行了仿真研究。图4给出的是15Hz时的线电压仿真波形。
3.3 同步电动机的电路仿真模型
3.3.1 同步电动机的仿真模型
在同步机暂态分析中，借助同步旋转q系模型，通称派克(park)方程，同步电动机的稳态和暂态过程可以通过求解这组微分方程而获得。park方程为：
式中，d、P分别表示同步旋转坐标系中d轴和g轴的分量，s、r分别表示定子和转子量．P表示微分算子，表示激磁绕组量。
在矩阵方程式(5)中，是以电压而不是以电流作为独立变量的。当定子电流已知，且励磁电压已知条件下，只有第三至五行，在求解时是独立的。第一行和第二行构成了电机端电压的辅助关系式，换句话说，在求解时并不需要。由于定子电流和转子励磁电压可以看作转子电压方程的输入量，3个转子方程可以为：
3.3.2 状态方程的电路仿真模型
在等效电路模型中（见图5），存在独立支路的电流源和电感的割集，是一种强迫的过渡过程，这给电路仿真带来一定困难。应注意到这种方法是考虑了3个伪电流变量。
辖子电流可分别用转子磁链表示，此时，状态变量为3个伪电流，采用磁链为状态变量后，取消了电流的微分项，保持离散控制下状态变量的连续性。采用状态方程表示的同步电动机电路仿真模型示于图6。图中的电路仿真模型中，被转换为可控电压源，表示3个网络中的伪电流。
将上3个式子代入转子方程，可得到用变换的转子磁链作为变量表示的矩阵方程。
3.3.3 动态转矩的电路仿真模型
转矩的动态方程可表示为：
式中，T为机电时间常数，Do为摩擦力矩系数。同步电动机的电磁转矩由3部分组成，包括反应转矩、励磁转矩和阻尼转矩。在等效电路模型中按式(12)计算。
在状态方程模型中按式(13)计算。按照上述转矩的动态方程，可得出动态转矩的ICAP电路仿真模型，如图7所示。
4结语
由图8和图9的比较可以看出，三相实际电流很好地跟踪三相基准电流，电流反应快，且能限制峰值电流，抑制高频分量，相位和幅值的误差也得到了限制，而且非常逼近实际的系统。
通过采用****的电路电子仿真软件包CAP对变频器、电机和控制系统进行仿真研究，使得系统的设计和研究更加直观、精确和实际。
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