1 引言
串級調速是一種經典的高效節能調速方案，而高頻斬波串級調速系統是在傳統串級調速理論基礎上，應用現代電機技術、電力電子技術和計算機控制技術的先進成果而產生的新一代高效調速技術。該技術以控制轉子低電壓回路進而控制高壓電機，以變流轉差功率進而控制大功率電機，并以高頻斬波器實現PWM脈寬調制替代傳統調速系統">串級調速系統的逆變角調節，具有控制容量小、控制電壓低，調速性能優良和節能效率高、諧波功率小，裝置尺寸小，運行條件寬松等優點，在高壓大容量電機節能調速上具有突出的優勢。
在實際工程設計中，常需進行計算機仿真研究，以獲得指導性結論或對工程計算參數進行驗證。在仿真技術中，常采用的數學模型形式有：傳遞函數、開關函數或狀態方程等。而三相交流異步電機和調速裝置中的電力電子器件都是高度非線性系統，用解析方法難以得到詳盡的描述。
為此，在MATLAB/Simulink環境下利用SimPowerSystem工具箱進行交流電機調速系統的建模和仿真研究。并且采用封裝技術將仿真模型按實際系統的組成結構建立子系統，整個仿真模型結構清晰，而且仿真試驗結果表明，該模型能反映實際系統的特性，可信度很高。
2 斬波串級調速系統的工作原理
2.1 系統構成
交流調速系統如圖1所示，主要由三部分構成：繞線式異步電動機、啟動環節和串級調速控制裝置。
交流電機采用三相繞線式異步電動機。
啟動環節由頻敏變阻器PF 和接觸器1KM 、2KM 、3KM 構成，加設了自動切換的接觸器，能減小起動電流，使大型電機平穩起動。
串級調速控制裝置由三相全波整流橋、IGBT 高頻斬波器、三相全橋有源逆變器和平波電抗器、隔離二極管、緩沖電容器等構成，實現優良的無級調速特性，有效地抑制了諧波對電網的污染，取得更高的節能效果。
2.2 工作原理
串級調速系統的基本原理是在轉子側串入附加反向電動勢Ef ，通過改變附加電動勢的大小來改變轉子電流I2 ，從而改變電磁轉矩達到改變轉速的目的。
若附加反向電動勢Ef 增大，轉子電流I減小，電磁轉矩TM 減小，若負載轉矩T不變，由式(4)可見使轉速減小，轉速減小又使負載轉矩Tc減小2(對于風機、泵類等大容量平方轉矩負載c)，重新獲得轉矩的平衡，穩定于新的轉速運行，最終達到改變轉速的目的。
串級調速關鍵問題是如何獲得附加電動勢，如圖1中的串級調速控制裝置，將轉子電壓通過三相全波整流橋整流為直流電壓Ud ，而三相全橋有源逆變器的工作狀態始終固定在最小逆變角βmin ，提供恒定的直流反電勢。由于逆變器始終固定工作在最小逆變角βmin ，大大提高了逆變器的功率因數，并且不隨轉速的調節而變化，從而改善了傳統的串級調速系統功率因數低的缺陷。中間直流回路加入高頻IGBT 斬波器，通過改變斬波器的占空比(τ/T) ，來獲得轉子回路的等效附加直流電動勢Ub 。
由此可見，斬波式串級調速運行規律為：當占空比越大，即斬波器的導通時間越長，轉速越高;反之，則轉速越低。并且可以達到足夠寬的調速范圍和足夠精確的轉速控制性能，系統功率因數也獲得很大改進。
3 仿真模型的建立
對斬波式串級調速控制系統進行仿真研究，采用MATLAB 軟件Simulink 環境下的SimPowerSystem 工具箱建立仿真模型。
3.1 基于封裝技術建立仿真模型
建立斬波式串級調速控制系統的仿真模型，包含電氣系統和控制回路，模塊數量多，模型復雜，不利于工程分析。利用子系統封裝技術，將功能相關的模塊組合為子系統。
按交流調速系統的三個組成部分建立三個子系統：繞線式異步電動機(Motor)、啟動單元(Start)、串級調速控制裝置(Speed Control),如圖2 所示。整個仿真模型按照電氣原理結構圖建立，結構清晰，功能明確，便于進行工程設計。
3.3 異步電動機模型
圖3 為異步電動機仿真子系統的內部模型結構，封裝后為四個輸入端、7個輸出端的Motor 子系統模塊(見圖2)。
異步電動機模塊(Asynchronous Machine) 的參數設置為繞線式電機，參數折算到轉子側。在定子側串入的三相變壓器(linear transformer)為逆變變壓器。
3.4 啟動過程的仿真
圖4為啟動環節仿真子系統內部模型結構，封裝后為9個輸入端、3個輸出端的Start子系統模塊(見圖2),完成電機平穩起動的任務。
在電機起動時，1KM閉合，2KM、3KM打開，電機轉子回路串入三相頻敏變阻器PF，限制起動電流。當電機轉速升高到設定的允許值時，裝置自動將2KM閉合，切除頻敏變阻器，電機轉子回路經1KM短路,進入全速工作狀態。運行穩定后，1KM斷開，2KM和3KM閉合，接入串級調速控制系統，進入調速運行狀態，調整占空比來改變速度的大小。
3.5 串級調速控制系統的仿真
圖5 為斬波式串級調速系統仿真子系統內部模型結構，封裝后為7 個輸入端、3 個輸出端的Speed Control 子系統模塊(見圖2)，通過調整輸入7 的占空比大小完成電機調速的任務。
圖5中調速系統的三個核心單元分別為：①Universal Bridge為通用橋模塊，用于模擬三相全波整流單元，將轉子回路三相交流變為直流，以便對轉子回路施加串接直流電勢控制。②IGBT為斬波單元，以恒頻調寬方式工作，由外部的高頻脈沖信號作為IGBT 的門控信號，其占空比和頻率由脈沖信號決定。③Thyristor bridge 為6 脈沖晶閘管橋模塊，用于模擬三相全橋有源逆變器，將經斬波控制后的轉差功率逆變為三相工頻交流送至內反饋繞組，實現節能。
4 仿真實例
針對適用于風機、泵類等大容量平方轉矩負載的串級調速系統進行仿真試驗，建立如圖2 所示的模型，有關參數設置如下：供電電源為6KV 、50HZ 三相交流電源;異步電動機為額定功率2240KW ，極對數2， 轉動慣量140 kg.m2 。仿真時間0～10 秒，在t=3.5 秒投入調速系統，占空比100% 。t=5 秒后，每間隔1 秒將占空比降低10%，進行仿真試驗。
圖6 為電機啟動、調速運行過程的轉速、A 相轉子電流、整流電壓和直流電流的仿真曲線。可見啟動過程中，電機平穩從零轉速升至全速運行，轉子電流得到有效抑制。調速過程平穩快速，并且隨著占空比的降低，等效附加直流電動勢Ub 增大，轉子電流I2 減小，轉速降低，符合2.2 節的理論分析。
5 結論
本文對高頻斬波式串級調速系統的交流回路和直流回路進行了詳盡分析，并從電氣原理結構圖出發，在 MATLAB/Simulink 環境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術為串級調速系統建立了仿真模型。
從仿真實例的結果來看，該模型逼真再現了實際系統的啟動、調速運行等動態過程，說明該仿真方法是有效的，具有工程實用價值。
本文作者創新點：在 MATLAB/Simulink 環境下利用SimPowerSystem 工具箱和封裝技術建立的串級調速系統仿真模型，符合實際工程設計的組成結構，仿真效果真實，為電機調速系統的工程設計提供了理論依據和驗證手段。