1．雙饋調速系統的構成

對于繞線式異步電機，定子接有固定頻率（50Hz）的工業電源，轉子側接有頻率、幅值、相位可調的變頻器電源后即構成雙饋調速系統。在電動機的轉軸上裝上轉子頻率檢測器測出轉差頻率，利用此信號及矢量控制技術即可實現對變頻電源輸出電壓（電流）幅值、頻率及相位的控制，并使異步電機的調速性能幾乎與直流電動機調速性能相媲美。

2．矢量控制的理論基礎

為達到良好的調速性能對雙饋電機采取先進的矢量控制技術。矢量控制的實質是在交流電機里構建出直流電機的模型，用直流電機的調速方法對其調速，而為了對真實的可控量進行控制，又須將其變換到原來所在坐標系的坐標。具體的實現方法是先求出定子磁鏈的方向，并以該方向為同步旋轉坐標系的dc軸，超前其90o的方向為qc軸，這樣就構成了dc-qc同步旋轉坐標系。對轉子電流進行了從三相到兩相變換后，再將其變換到同步坐標系下，轉子電流就被解耦成了一對轉矩分量和激磁分量。前者位于qc軸，電磁轉矩只和該值有關；后者位于dc軸，起到激磁的作用，可改善定子側的功率因數。

3．控制系統結構

轉子電流經過解耦后，就可用直流調速的方法對其進行控制。在控制系統中，給定量是轉速，受控量是電磁轉矩（轉子電流的轉矩分量）。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，兩者之間實行串級聯接，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管變流器的觸發裝置。轉速調節器的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態時無靜差，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調節器的作用是電流跟隨，過流保護和及時抑制。

為了獲得良好的動、靜態性能，雙閉環調速系統的兩個調節器一般都采用PI調節器。兩個調節器的輸出都是帶限幅的，轉速調節器ASR的輸出限幅（飽和）電壓是Uin*，它決定了電流調節器給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓是Uctm，它限制了晶閘管變流器輸出電壓的最大值。

圖 1雙閉環比例-積分調節示意圖

4．Matlab 仿真模型的建立

雙饋系統的仿真模型包括電機模塊、控制系統模塊、變頻器模塊。

（1）電機模塊

Matlab中已經建立了異步電機模型，轉子方面的各參量均折合到定子側，并用上標撇號表示，其等效電路模型為

該對話框里沒有電機定、轉子電壓變比關系一項，在此數學模型中這一信息也無法體現。比如，定轉子的額定電壓分別是6000伏、1640伏，但當仿真定子側接6000伏電壓、轉子側開路這種狀態時，轉子側的電壓也是6000伏，因此不宜將模型的轉子直接與變頻器模型直接相連。為了體現定轉子之間電壓、電流的變比關系，在轉子輸出端接一近似理想的三相兩繞組變壓器，該變壓器副邊的輸出作為轉子的輸出，變壓器的變比為定子側額定電壓與轉子側額定電壓的比值。

圖 3修正過的電機模型

（2）控制模塊

（3）變頻器模塊

變頻器一相的供電流回路模型如圖6所示，主要由兩組反并聯的晶閘管變流器和控制正負組封鎖與開通的邏輯判斷電路聯接而成。變頻器正負組交替工作輸出交流電流，且兩組不可同時開通，否則在正負組間形成很大的環流會將變頻器燒壞，為此需有可靠工作的控制正負組封鎖與開通的邏輯判斷電路，即圖中的DLC模塊。在無環流交-交變頻器供電回路中，轉子電流過零點檢測是實現變頻調速的重要一環，若不能準確檢測出轉子電流過零，交流電流就不能正確輸出，導致轉子電流頻率不能追隨實際的轉差頻率，力矩電流偏離給定值，變頻調速失敗。

圖 6變頻器一相供電回路模型

當轉子電流大于0.5安培時，判斷電流沒到零；小于0.5安培時須過1e-5 秒的延時后再次檢測電流，若仍小于0.5安，則認為電流到零了否則認為是干擾信號。判斷電流到零后需先封鎖當前工作的變流器后再開通另一組變流器，中間設置了1e-3秒的死區時間以防止在正負變流器之間出現環流。下圖是該變頻器模塊輸出的仿真波形（時間以秒為單位）。

將修正了的電機模型、控制系統和變頻器連接起來便構成了雙饋調速系統的模型如下圖8所示。速度的設定在Constant2方框中填寫， Constant1可填寫轉子電流的激磁分量，設定為轉子電流的2%。

5．對實際系統的仿真分析

應用該模型對實際雙饋調速系統進行仿真分析以驗證模型的合理性。該雙饋調速系統是中國環流器2號（HL-2A）的環向場電源供電系統。由兩套80MVA交流脈沖發電機組組成。每套機組由同軸的一臺6kV 2500kW 4極繞線式異步電動機，一個飛輪，一臺隱極式、4極、雙Y相移30o的3kV 80MVA脈沖同步發電機和一臺勵磁發電機組成，系統GD2為287 t·m2。環向磁場供電電源的工作原理是，由電動機以低功率拖動整個軸系轉到高轉速，將電網電能轉化成軸系的轉動動能，然后對發電機進行快速勵磁并進行適當控制，發電機通過變流器以大功率放電，同時伴隨著軸系轉速迅速下降，軸系的轉動動能轉化為電能放出。

為增加該供機組的儲能與釋能，為這兩套機組的電動機配備了在轉子側進行變頻調速的交-交變頻器，以使電動機以雙饋調速的方式將機組超同步運行至1650rpm。機組的啟動過程是，先由盤車機構盤動到2rpm，從2rpm到1476rpm則由電動機并借助液體電阻滑差調節器來完成，當轉速穩定在1476rpm時，將轉子從液體電阻切換到交-交變頻器，電動機以雙饋變頻調速的方式將機組繼續加速至1650rpm。

已知實際系統的電動機參數為：定、轉子額定電壓6000、1640伏，額定電流284、933安，額定轉速1476rmp。仿真中將轉速給定設為1515rmp，要求升速過程中定轉子電流、力矩為額定值，定子側功率因數95%以上。因為受仿真時間與計算機內存、仿真模型大小的限制，每次仿真時間最多可設為6秒鐘，因此只仿真了從1476“1477rmp、1498.5”1500.5rmp兩段，借此說明投入變頻器和超同步兩段過程。仿真的結果如下圖所示：（以下仿真圖形的縱軸均以秒為時間單位）

從圖9-11可以觀測到0.6秒時轉子電流、電磁轉矩升到0.7（標么值），1秒鐘時升到1，并保持該轉矩加速。在超同步過程中定、轉子電流和轉矩仍保持在額定值1并測得定、轉子電流幅值為390安、1280安，與實際系統的定、轉子幅值401安、1319安非常接近，從圖12可以看出定子繞組的電流、電壓其相位幾乎一致，說明功率因數很高。這些驗證了該模型的正確性與參數選擇的合理性。

HL-2A裝置的極向場供電電源的結構與環向場的類似，該套機組原產日本，設計額定轉速就是3600rpm、電動機工作頻率60Hz，但在我國的電網條件下只能運行在最高轉速2991rpm，為充分利用該套機組的容量，也擬為其配備類似的變頻裝置，所以這套雙饋調速系統的建模及仿真分析對125 MVA機組的雙饋調速系統容量等選取來說具有直接的指導意義。

結束語

Matlab是當今廣泛使用的仿真工具但實際使用中也會遇到一些諸如聯接不匹配的問題，應分析具體的原因找出解決的辦法。本文中的措施是行之有效的。

雙饋變頻調速系統可以有效提高定子側功率因數到1，另外雙饋變頻調速所需變頻器容量相對較小，在變頻器輸出頻率不高的場合有很高的應用價值。

這套雙饋調速系統模型對研究類似的問題有一定的參考價值，仿真的結果可作為系統設計的參考，如變頻器容量、變頻器的供電電壓、電抗器的值、加速轉矩等有關量的設計。