Single-Phase Induction Motor Drive

Реализуйте однофазный диск асинхронного двигателя

Библиотека:
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электроприводы / Диски AC

Описание

Блок Single-Phase Induction Motor Drive моделирует управляемый вектором однофазный диск машины. Конфигурация дисков состоит из выпрямителя полумоста, разделенной шины DC с двумя конденсаторами фильтра и инвертором 2D участка, который предоставляет обмотки для электродвигателя.

Однофазная машина индукции (SPIM), без ее запуска и рабочих конденсаторов, обработана как асимметричная двухфазная машина. Вспомогательные и основные обмотки доступны и находятся в квадратуре. Эта настройка обеспечивает хорошую производительность и операцию в регенерации режима.

Уравнения

Однофазный асинхронный двигатель асимметричен из-за неравных сопротивлений и индуктивности основных и вспомогательных обмоток. Чтобы получить математическую модель двигателя постоянными параметрами (напряжение, текущее, и поток), необходимо преобразовать все переменные к стационарной системе координат (d-q) зафиксированный к статору.

Математическая модель

Эта схема показывает математическую модель машины.

_Na и _Nm представляют количество вспомогательных и основных обмоток статора, соответственно.

Напряжение

Уравнения, которые задают напряжение для модели (в стационарной системе координат d-q):

$V_{q s} = R_{s} i_{q s} + \frac{d ϕ_{q s}}{d t},$

$V_{d s} = R_{a} i_{d s} + \frac{d ϕ_{d s}}{d t},$

$0 = R'_{r} i'_{q r} + \frac{d ϕ_{q r}^{'}}{d t} - \frac{1}{k} \cdot ω_{r} ϕ_{q r}^{'},$

$0 = k^{2} R'_{r} i'_{d r} + \frac{d ϕ_{d r}^{'}}{d t} + k \cdot ω_{r} ϕ_{d r}^{'},$

$k = \frac{N_{a}}{N_{m}},$

где:

_Vqs является q - напряжение статора оси.
_Rs является основным сопротивлением статора.
_iqs является q - текущий статор оси.
_ϕqs является q - потокосцепление статора оси.
_Vds является d - напряжение статора оси.
_Ra является вспомогательным сопротивлением статора.
_ids является d - текущий статор оси.
_ϕds является d - потокосцепление статора оси.
_R'r является сопротивлением обмотки ротора, упомянул основную обмотку статора.
_i'qr является q - текущий ротор оси упомянул основную обмотку статора.
_ϕ'qr является q - потокосцепление ротора оси упомянуло основную обмотку статора.
k является отношением поворота _Na к _Nm.
_ωr является ротором электрическая скорость вращения.
_i'dr является d - текущий ротор оси упомянул основную обмотку статора.
_ϕ'dr является d - потокосцепление ротора оси упомянуло основную обмотку статора.
_Na является количеством вспомогательных обмоток статора.
_Nm является количеством основных обмоток статора.

Поток

Уравнения, которые задают поток для модели (в стационарной системе координат d-q):

$ϕ_{q s} = L_{l s} i_{q s} + L_{m s} (i_{q s} + i_{q r}^{'})$

$ϕ_{d s} = L_{l a} i_{d s} + k^{2} L_{m s} (i_{d s} + i_{d r}^{'})$

$ϕ_{q r}^{'} = L_{l r}^{'} i_{q r}^{'} + L_{m s} (i_{q s} + i_{q r}^{'})$

$ϕ_{d r}^{'} = k^{2} L_{l r}^{'} i_{d r}^{'} + k^{2} L_{m s} (i_{d s} + i_{d r}^{'})$

где:

_Lls является индуктивностью утечки основной обмотки статора.
_Lla является индуктивностью утечки вспомогательной обмотки статора.
_Lms является индуктивностью намагничивания основной обмотки статора.
_L'lr является индуктивностью утечки обмотки ротора, упомянул основную обмотку статора.

Электромагнитный крутящий момент, выраженный как функция потокосцеплений ротора и токов,

$T_{e} = P (k \cdot ϕ_{q r}^{'} i_{d r}^{'} - \frac{1}{k} \cdot ϕ_{d r}^{'} i_{q r}^{'})$

где:

_Te является электромагнитным крутящим моментом.
P является количеством пар полюса.

Ориентированное на поле управление

Используя токи статора и потокосцепления ротора как переменные пространства состояний для модели SPIM, электромагнитное уравнение крутящего момента

$T_{e} = P \cdot \frac{L_{m s}}{L_{r}^{'}} (\frac{1}{k} \cdot i_{q s} ϕ_{d r}^{'} - k \cdot i_{d s} ϕ_{q r}^{'}) .$

Используя следующую замену переменной,

$i_{q s} = k^{2} \cdot i_{q s 1}$

$i_{d s} = i_{d s 1} .$

Поэтому электромагнитное уравнение крутящего момента может быть переписано как

$T_{e} = P \cdot \frac{L_{m s}}{L_{r}^{'}} k (ϕ_{d r}^{'} i_{q s 1} - ϕ_{q r}^{'} i_{d s 1}) .$

В косвенном роторе, ориентированном на поток на управление, d - ось системы координат ориентирована вдоль вектора потокосцепления ротора _{на ϕ'r}, затем

$ϕ_{d r}^{'} = ϕ_{r}^{'}$

$ϕ_{q r}^{'} = 0.$

Электромагнитный крутящий момент приводит к

$T_{e} = P \cdot \frac{L_{m s}}{L_{r}^{'}} k \cdot ϕ_{r}^{'} i_{q s 1}^{e} .$

Отсюда, q - ось текущий компонент

$i_{q s 1}^{e} = \cdot \frac{T_{e} \cdot L_{r}^{'}}{k \cdot L_{m s} \cdot P \cdot ϕ_{r}^{'}} .$

Получившаяся скорость промаха, _ωs,

$ω_{s} = \frac{k^{3} \cdot L_{m s} \cdot i_{q s 1}^{e}}{(\frac{L_{r}^{'}}{R_{r}^{'}}) \cdot ϕ_{r}^{'}} .$

Отсюда, d - ось текущий компонент

$i_{d s 1}^{e} = \frac{ϕ_{r}^{'}}{k^{2} \cdot L_{m s}} .$

где верхний индекс e указывает, что переменная отнесена в синхронную систему координат.

Эта блок-схема показывает ориентированное на поле управление.

Управление прямого крутящего момента

Этот тип управления выбирает вектор напряжения из переключающейся таблицы, чтобы управлять выключателями питания в инверторе, чтобы получить необходимый поток статора и соответствующий моторный крутящий момент. От моторных уравнений в стационарной системе координат d-q, оцените поток статора и крутящий момент:

$ϕ_{q s} = \int (V_{q s} - R_{s} i_{q s}) d t$

$ϕ_{d s} = \int (V_{d s} - R_{a} i_{d s}) d t .$

Принятие приближения

$L_{l a} = k^{2} \cdot L_{l s},$

и с помощью переменных статора (потокосцепления и токи) как переменные пространства состояний модели SPIM, электромагнитным крутящим моментом дают

$T_{e} = P (\frac{1}{k} \cdot i_{q s} ϕ_{d s} - k \cdot i_{d s} ϕ_{q s}) .$

Используя векторное произведение, крутящий момент

$T_{e} = P (ϕ_{s} \times i_{s}),$

это

$T_{e} = P | ϕ_{s} | \cdot | ϕ_{s} | \sin δ,$

где:

|_ϕs | и |_ϕr | являются величинами статора и векторов пробела потокосцепления ротора, соответственно.
δ является углом между векторами пробела.

Изменение в относительном перемещении _ϕs и _ϕr (заданный углом, δ) влияет на моторный мгновенный крутящий момент. Если падение напряжения на сопротивлении статора не использовано, потокосцепление статора непосредственно зависит от выходного напряжения инвертора.

Следующая схема показывает доступные векторы напряжения, которые соответствуют возможным состояниям инвертора и четырем отличным секторам в d-q плоскость для инвертора 2D участка.

Выбор соответствующих векторов напряжения инвертора может непосредственно изменить величину _ϕs (управление потоком) и вращающаяся скорость _ϕs (управление крутящим моментом) как показано в этой схеме сектора 1.

Эта блок-схема показывает управление прямого крутящего момента.

Предполагаемый поток и крутящий момент по сравнению со ссылками с помощью гистерезисного управления. digitalized выходные переменные и сектор положения потока статора используются, чтобы выбрать адаптированный вектор напряжения из переключающейся таблицы. Эта таблица показывает соответствующий вектор напряжения для инвертора, где _Hϕ и _HTe являются выходом потока и закручивают гистерезисные блоки

_Hϕ	_HTe	Сектор 1	Сектор 2	Сектор 3	Сектор 4
1 (Поток произошел),	1 (Крутящий момент произошел),	_V1	_V2	_V3	_V4
1 (Поток произошел),	0 (Крутящий момент снижается),	_V4	_V1	_V2	_V3
0 (Поток снижается),	1 (Крутящий момент произошел),	_V2	_V3	_V4	_V1
0 (Поток снижается),	0 (Крутящий момент снижается),	_V3	_V4	_V1	_V2

Порты

Входной параметр

развернуть все

`SP` — Сетбол скорости
Сигнал Simulink^®

Сетбол скорости, в об/мин. Сетбол скорости может быть ступенчатой функцией, но уровень изменения скорости следует за ускорением и пандусами замедления.

Типы данных: single | double

`Tm` — Загрузите крутящий момент
Сигнал Simulink

Моторный механический крутящий момент.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input на Torque Tm.

Типы данных: single | double

Вывод

развернуть все

`Motor` — Моторные измерения
Сигнал Simulink

Моторная шина измерения. Эта шина позволяет вам использовать блок Селектора Шины, чтобы наблюдать переменные для двигателя. Когда параметр Output bus mode устанавливается на Single output busses, эта шина содержит трехфазное измерение конвертеров и сигналы измерения контроллера.

Типы данных: bus

`Conv.` — Измерения конвертеров
Сигнал Simulink

Сигналы измерения напряжения на шине DC, выпрямитель текущий выход, и текущий вход инвертора.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Output bus mode на Multiple output busses.

Типы данных: bus

`Ctrl` — Измерения контроллера
Сигнал Simulink

Этот выход позволяет вам наблюдать крутящий момент и ссылку потока использование блока Селектора Шины.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Output bus mode на Multiple output busses.

Типы данных: bus

`Wm` — Частота вращения двигателя, rad/s
Сигнал Simulink

Механическая частота вращения двигателя.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input на Torque (Tm).

Типы данных: single | double

`S` — Вал двигателя
Сигнал Simulink

Порт вращательного механического устройства двигателя.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input на Mechanical rotational port.

Типы данных: single | double

Сохранение

развернуть все

`A` — Терминал A
специализированный электрический

Поэтапно осуществите терминал электропривода.

`B` — Терминал B
специализированный электрический

Терминал фазы B электропривода.

Параметры

развернуть все

`Base sample time` 'SampleTime'
`2e-06` (значение по умолчанию)

Моторный шаг расчета.

`Output bus mode` — Вариант Block
`Multiple outport buses` (значение по умолчанию) | `Single outport buses`

Сконфигурируйте входы шины.

Зависимости

Выбор Multiple outport buses включает выходные порты Ctrl и Conv.

`Use bus labels` — Метки выходного сигнала
от (значения по умолчанию) | на

Опция, чтобы пометить сигналы шины.

`Mechanical input` — Вариант Block
`Torque TM` (значение по умолчанию) | `Mechanical rotational port`

Сконфигурируйте механические порты ввода и вывода. Если вы выбираете Torque TM, выход является частотой вращения двигателя согласно этому дифференциальному уравнению, которое описывает механическую системную динамику:

$T_{e} = J \frac{d}{d t} ω_{r} + F ω_{r} + T_{m} .$

где:

_Te является электромагнитным крутящим моментом.
J является инерцией.
_ωr является скоростью вращения ротора.
F является приложенной силой.
_Tm является механическим крутящим моментом.

Если вы выбираете Mechanical rotational port, порт подключения S действует как оба механический порт ввода и вывода. Это позволяет прямую связь со средой Simscape™. Механическая система двигателя также включена в диск и основана на том же дифференциальном уравнении.

Зависимости

Выбор Torque TM включает порты Tm и Wm. Выбор Mechanical rotational port включает порт S.

Двигатель

Electrical parameters> Nominal values

`Power (VA)` — Моторная степень
0.25*746 (значение по умолчанию)

Моторная номинальная электроэнергия.

`Voltage (Vrms)` — Моторное напряжение
110 (значение по умолчанию)

Моторное номинальное электрическое напряжение.

`Frequency (Hz)` — Частота
60

Моторная номинальная электрическая частота.

Electrical parameters> Equivalent circuit values
Чтобы видеть эквивалентную схему для несимметричного SPIM, нажмите Equivalent circuit.

Electrical parameters> Equivalent circuit values> Main winding stator

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
2.02 (значение по умолчанию)

Сопротивление статора основная обмотка.

`Leakage inductance (H)` — Индуктивность утечки
`7.4e-3` (значение по умолчанию)

Моторная основная извилистая индуктивность утечки эквивалентной схемы статора.

`Mutual inductance (H)` — Взаимная индуктивность
0.1772 (значение по умолчанию)

Взаимная индуктивность статора основная обмотка.

Electrical parameters> Equivalent circuit values> Auxiliary winding stator

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
7.14 (значение по умолчанию)

Сопротивление статора вспомогательная обмотка.

`Leakage inductance (H)` — Индуктивность утечки
`8.5e-3` (значение по умолчанию)

Индуктивность утечки статора вспомогательная обмотка.

`Mutual inductance (H)` — Взаимная индуктивность
1.18 (значение по умолчанию)

Взаимная индуктивность статора вспомогательная обмотка.

Electrical parameters> Equivalent circuit values> Auxiliary winding rotor

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
4.12 (значение по умолчанию)

Сопротивление ротора основная обмотка.

`Leakage inductance (H)` — Индуктивность
`5.6e-3` (значение по умолчанию)

Индуктивность утечки ротора основная обмотка.

Mechanical parameters

`Inertia (kg.m^2)` — Инерция
0.0146 (значение по умолчанию)

Моторная инерция.

`Friction factor (N.m.s)` — Трение
0 (значение по умолчанию)

Моторный коэффициент трения.

`Pole pairs` — Количество пар полюса
2 (значение по умолчанию)

Количество моторных пар полюса.

`Initial speed w0 (%synchronous speed)` — Начальная скорость
0 (значение по умолчанию)

Моторная Начальная скорость.

Конвертеры и шина DC

Rectifier> Snubbers

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
`10e3` (значение по умолчанию)

Сопротивление демпферов выпрямителя. Чтобы устранить демпферы из модели, задайте inf.

`Capacitance (F)` — Емкость
`20e-9` (значение по умолчанию)

Емкость демпферов выпрямителя. Чтобы устранить демпферы из модели, задайте 0. Для резистивных демпферов задайте inf.

Rectifier> Diodes

`On-state resistance (ohm)` — Сопротивление
`1e-3` (значение по умолчанию)

Внутреннее сопротивление выпрямительных диодов, когда они проводят.

`Forward voltage (V)` — Напряжение
0.8 (значение по умолчанию)

Напряжение через выпрямительные диоды, когда они проводят.

DC Bus

`Capacitance (F)` — Емкость
`39e-4` (значение по умолчанию)

Емкость этих двух конденсаторов в шине DC

Braking Chopper

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
8 (значение по умолчанию)

Тормозящее сопротивление прерывателя используется, чтобы избежать повышенного напряжения шины во время моторного замедления или когда крутящий момент загрузки ускоряет двигатель.

`Chopper Frequency (Hz)` — Частота
4000 (значение по умолчанию)

Торможение частоты прерывателя.

`Activation voltage (V)` — Напряжение
310 (значение по умолчанию)

Динамическое торможение активируется, когда напряжение на шине достигает значения напряжения активации.

`Shutdown voltage (V)` — Напряжение
300 (значение по умолчанию)

Динамическое торможение закрывается, когда напряжение на шине достигает значения завершения работы.

Inverter> Switches

`On-state resistance (ohm)` — Сопротивление
`1e-3` (значение по умолчанию)

Внутреннее сопротивление инвертора IGBTs, когда они проводят.

Inverter> Switches> Forward voltages (V)

`Main Device` — Напряжение
0 (значение по умолчанию)

Передайте напряжение инвертора IGBTs

`Diode` — Напряжение
0 (значение по умолчанию)

Передайте напряжение диодов инвертора.

Inverter> Snubbers

`Resistance (ohm)` — Сопротивление
`10e3` (значение по умолчанию)

Сопротивление демпферов инвертора. Чтобы устранить демпферы из инвертора, задайте inf.

`Capacitance(F)` — Емкость
`20e-9` (значение по умолчанию)

Емкость демпферов инвертора. Чтобы устранить демпферы из модели, задайте 0. Для резистивных демпферов задайте inf.

Контроллер

`Regulation type` — Тип регулирования
`Speed regulation` (значение по умолчанию) | `Torque regulation`

Тип регулирования контроллер выполняет.

Зависимости

Выбор Speed regulation включает Speed cutoff frequency (Hz), Speed ramps и параметры PI regulator.

Speed controller

`Speed controller sampling time (s)` 'SampleTime'
`7*20e-6` (значение по умолчанию)

Время выборки должно быть кратным шагу времени симуляции.