CN110135034B - 一种静止变频器仿真建模方法及系统 - Google Patents

一种静止变频器仿真建模方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静止变频器仿真建模方法，包括构建静止变频器一次回路模型；构建转子静摩擦力模型；构建转子转动阻力模型；构建静止变频器励磁控制模型。同时公开了相应的系统。本发明不仅构建静止变频器一次回路模型，还构建转子静摩擦力模型、转子转动阻力模型和静止变频器励磁控制模型，不仅能反应静止变频器一次回路的电路结构，也可反应实际的工作状态。

Description

一种静止变频器仿真建模方法及系统
技术领域
本发明涉及一种静止变频器仿真建模方法及系统，属于实时数字动态仿真试验技术领域。
背景技术
如图1所示的静止变频器一次回路图，三相全控整流桥和直流电抗器组成直流电流源，通过控制逆变桥将直流电流变成频率逐渐升高的交流电流输入到同步电机定子，在电机转子施加励磁后，使电机由静止升速到需要转速。静止变频器被广泛用于抽水蓄能电站可逆式机组的启动。在静止变频器工程实施前需要进行静止变频器控制设备的控制功能测试、控制参数整定等工作，因此需要构建静止变频器一次回路模型，但是现有方法构建的模型仅能反应其电路结构，无法反应实际的工作状态。
发明内容
本发明提供了一种静止变频器仿真建模方法及系统，解决了现有模型存在的上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种静止变频器仿真建模方法，包括，
构建静止变频器一次回路模型；
构建转子静摩擦力模型；
构建转子转动阻力模型；
构建静止变频器励磁控制模型。
转子静摩擦力模型模拟转子静摩擦力，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
电机启动初始阶段，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
用与转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm来模拟转子静摩擦力；
转子静摩擦力模型为：
Tm＝FskD
Figure BDA0002047478870000021
其中，J为转子的转动惯量，g为重力加速度，D为转子的惯性直径，μ为静摩擦系数，k为阻力矩力臂系数。
转子转动阻力模型模拟转子转动阻力，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
电机转动后，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
用转子转动阻力矩Tr模拟转子转动阻力；
转子转动阻力模型为：
Figure BDA0002047478870000022
Pr＝k1n3+k2n1.5+k3n1.8+k4n1.3
其中，n为电机转速，k1、k2、k3、k4为系数，Pr为电机启动时的耗损功率。
静止变频器励磁控制模型接收励磁电流参考信号和电机模型输出的励磁电流，静止变频器励磁控制模型输出电机励磁电压。
静止变频器励磁控制模型中，用一阶惯性环节
Figure BDA0002047478870000023
模拟励磁电流测量，用并联的比例kp和积分
Figure BDA0002047478870000024
方式模拟励磁电流控制PI计算，用一阶惯性环节
Figure BDA0002047478870000031
模拟励磁整流桥；
静止变频器励磁控制模型为：
Figure BDA0002047478870000032
其中，Ef为电机励磁电压，Iref为励磁电流参考信号，If为电机模型输出的励磁电流，t1、t2为惯性常数，kT为增益，Ti为积分时间常数。
一种静止变频器仿真建模系统，包括，
一次回路建模模块：构建静止变频器一次回路模型；
静摩擦力建模模块：构建转子静摩擦力模型；
转动阻力建模模块：构建转子转动阻力模型；
励磁控制建模模块：构建静止变频器励磁控制模型。
本发明所达到的有益效果：本发明不仅构建静止变频器一次回路模型，还构建转子静摩擦力模型、转子转动阻力模型和静止变频器励磁控制模型，不仅能反应静止变频器一次回路的电路结构，也可反应实际的工作状态。
附图说明
图1为静止变频器一次回路电路图；
图2为本发明的流程图；
图3为阻力矩控制时序图；
图4为静止变频器励磁控制模型及其与外部的连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种静止变频器仿真建模方法，包括以下步骤：
步骤1，根据实际的静止变频器一次回路图，构建静止变频器一次回路模型。
根据实际的静止变频器一次回路图，用RTDS中的交流电源模型元件、开关模型元件、可控硅三相变流桥、直流电抗器模型元件、变压器模型元件及同步电机模型元件，在RTDS中建立静止变频器一次回路模型，该模型仅反应电路结构。
步骤2，在静止变频器一次回路模型的电机模型中设置转子初始位置角。
步骤3，构建转子静摩擦力模型、转子转动阻力模型和静止变频器励磁控制模型。
根据与转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm，构建转子静摩擦力模型，具体如下：
用与转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm来模拟转子静摩擦力；
转子最大静摩擦力Fs的公式为：
Figure BDA0002047478870000041
其中，J为转子的转动惯量，单位为kg·m2，g＝9.8m/s2为重力加速度，D为转子的惯性直径，单位为m，μ为静摩擦系数，取值为0.1～0.2；
转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm公式为：
Tm＝FskD
其中，k为阻力矩力臂系数，取值为0.1～0.5。
因此转子静摩擦力模型为：
Tm＝FskD
Figure BDA0002047478870000042
转子静摩擦力模型模拟转子静摩擦力，电机启动初始阶段(约300ms内，该阶段，静止变频器输出已施加到电机上，电机还未转动，静摩擦力起作用)，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。如果电机按照转子静摩擦力的方向转动，则说明启动电流不足以克服转子静摩擦力，需要加大启动电流，直到电机开始按照转子静摩擦力相反的方向转动。
根据转子转动阻力矩Tr，构建转子转动阻力，其中转子转动阻力矩Tr对应于电机启动时的耗损功率Pr，具体如下：
电机启动时的耗损功率考虑转子在空气中的风阻损耗、转子推力轴承滑动摩擦损耗、导轴承滑动摩擦损耗及电机的空载铁耗，具体公式为：
Pr＝k1n3+k2n1.5+k3n1.8+k4n1.3
其中，n为电机转速，k1、k2、k3、k4为系数；
转子转动阻力矩Tr公式为：
Figure BDA0002047478870000051
因此转子转动阻力模型为：
Figure BDA0002047478870000052
Pr＝k1n3+k2n1.5+k3n1.8+k4n1.3。
转子转动阻力模型模拟转子转动阻力，电机转动后，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
如图3所示，在给电机某两相定子绕组通入启动电流的初始300ms时间内(即电机启动初始阶段)，转子静摩擦力模型通过电机模型中的机械转矩输入接口，向电机转子施加阻力矩Tm；300ms后(电机转动后)，转子转动阻力模型将转子转动阻力矩Tr接入电机模型的机械转矩输入接口。
根据静止变频器在电机启动时对电机励磁的控制特点，构建静止变频器励磁控制模型，具体如下：
静止变频器励磁控制依次包括励磁电流测量环节、励磁电流控制PI(比例积分)计算环节、励磁整流桥环节，静止变频器励磁控制为根据输入励磁电流参考信号Iref(静止变频器控制器输出该信号)和电机模型输出的励磁电流输出电机励磁电压Ef。
如图4所示，静止变频器励磁控制模型接收励磁电流参考信号和电机模型输出的励磁电流，静止变频器励磁控制模型输出电机励磁电压，在静止变频器励磁控制模型中，用一阶惯性环节
Figure BDA0002047478870000061
模拟励磁电流测量，用并联的比例kp和积分
Figure BDA0002047478870000062
方式模拟励磁电流控制PI计算，用一阶惯性环节
Figure BDA0002047478870000063
模拟励磁整流桥。
因此静止变频器励磁控制模型为：
Figure BDA0002047478870000064
其中，Ef为电机励磁电压，Iref为励磁电流参考信号，If为电机模型输出的励磁电流，t1、t2为惯性常数，kT为增益，Ti为积分时间常数。
上述方法不仅构建静止变频器一次回路模型，还构建转子静摩擦力模型、转子转动阻力模型和静止变频器励磁控制模型，不仅能反应静止变频器一次回路的电路结构，也可反应实际的工作状态。
一种静止变频器仿真建模系统，包括：
一次回路建模模块：构建静止变频器一次回路模型。
静摩擦力建模模块：构建转子静摩擦力模型。
转动阻力建模模块：构建转子转动阻力模型。
励磁控制建模模块：构建静止变频器励磁控制模型。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行静止变频器仿真建模方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行静止变频器仿真建模方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种静止变频器仿真建模方法，其特征在于：包括，
构建静止变频器一次回路模型；
构建转子静摩擦力模型，其中，转子静摩擦力模型模拟转子静摩擦力，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型，
用与转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm来模拟转子静摩擦力；
转子静摩擦力模型为：
Tm＝FskD
Figure FDA0003659997220000011
其中，J为转子的转动惯量，g为重力加速度，D为转子的惯性直径，μ为静摩擦系数，k为阻力矩力臂系数；
构建转子转动阻力模型，其中，转子转动阻力模型模拟转子转动阻力，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型，
用转子转动阻力矩Tr模拟转子转动阻力，
转子转动阻力模型为：
Figure FDA0003659997220000012
Pr＝k1n3+k2n1.5+k3n1.8+k4n1.3
其中，n为电机转速，k1、k2、k3、k4为系数，Pr为电机启动时的耗损功率；
构建静止变频器励磁控制模型，其中，静止变频器励磁控制模型中，用一阶惯性环节
Figure FDA0003659997220000013
模拟励磁电流测量，用并联的比例kp和积分
Figure FDA0003659997220000014
方式模拟励磁电流控制PI计算，用一阶惯性环节
Figure FDA0003659997220000015
模拟励磁整流桥，
静止变频器励磁控制模型为：
Figure FDA0003659997220000021
其中，Ef为电机励磁电压，Iref为励磁电流参考信号，If为电机模型输出的励磁电流，t1、t2为惯性常数，kT为增益，Ti为积分时间常数。
2.根据权利要求1所述的一种静止变频器仿真建模方法，其特征在于：电机启动初始阶段，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
3.根据权利要求1所述的一种静止变频器仿真建模方法，其特征在于：电机转动后，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型。
4.根据权利要求1所述的一种静止变频器仿真建模方法，其特征在于：静止变频器励磁控制模型接收励磁电流参考信号和电机模型输出的励磁电流，静止变频器励磁控制模型输出电机励磁电压。
5.一种静止变频器仿真建模系统，其特征在于：包括，
一次回路建模模块：构建静止变频器一次回路模型；
静摩擦力建模模块：构建转子静摩擦力模型，其中，转子静摩擦力模型模拟转子静摩擦力，转子静摩擦力输入静止变频器一次回路模型的电机模型，
用与转子最大静摩擦力Fs对应的阻力矩Tm来模拟转子静摩擦力；
转子静摩擦力模型为：
Tm＝FskD
Figure FDA0003659997220000022
其中，J为转子的转动惯量，g为重力加速度，D为转子的惯性直径，μ为静摩擦系数，k为阻力矩力臂系数；
转动阻力建模模块：构建转子转动阻力模型，其中，转子转动阻力模型模拟转子转动阻力，模拟转子转动阻力输入静止变频器一次回路模型的电机模型，
用转子转动阻力矩Tr模拟转子转动阻力，
转子转动阻力模型为：
Figure FDA0003659997220000031
Pr＝k1n3+k2n1.5+k3n1.8+k4n1.3
其中，n为电机转速，k1、k2、k3、k4为系数，Pr为电机启动时的耗损功率；
励磁控制建模模块：构建静止变频器励磁控制模型，其中，静止变频器励磁控制模型中，用一阶惯性环节
Figure FDA0003659997220000032
模拟励磁电流测量，用并联的比例kp和积分
Figure FDA0003659997220000033
方式模拟励磁电流控制PI计算，用一阶惯性环节
Figure FDA0003659997220000034
模拟励磁整流桥，
静止变频器励磁控制模型为：
Figure FDA0003659997220000035
其中，Ef为电机励磁电压，Iref为励磁电流参考信号，If为电机模型输出的励磁电流，t1、t2为惯性常数，kT为增益，Ti为积分时间常数。
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