Управление переменной скоростью AC электрические машины использует принудительно коммутируемые электронные переключатели, такие как IGBTs, МОП-транзисторы и GTOs. Асинхронные машины, питаемые напряжением получило конвертеры (VSC) модуляции ширины импульса (PWM), в наше время постепенно заменяют двигатели постоянного тока и тиристорные мосты. С PWM, объединенным с современными методами управления такой как ориентированные на поле на управление или прямое управление крутящим моментом, можно получить ту же гибкость в скорости и закрутить управление как с машинами DC. Этот пример показывает, как создать простой диск AC разомкнутого цикла, управляющий асинхронной машиной. Специализированные Энергосистемы Simscape™ Electrical™ содержат библиотеку предварительно созданных моделей, которые позволяют вам симулировать системы электроприводов без потребности создать те сложные системы самим. Для получения дополнительной информации об этой библиотеке, смотрите Библиотеку Электроприводов.
Библиотека Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Machines содержит четыре из обычно используемых трехфазных машин: упрощенные и полные синхронные машины, асинхронная машина и постоянный магнит синхронная машина. Каждая машина может использоваться или в генераторе или в моторном режиме. Объединенный с линейными и нелинейными элементами, такими как трансформаторы, линии, загрузки, прерыватели, и т.д., они могут использоваться, чтобы симулировать электромеханические переходные процессы в электрической сети. Они могут также быть объединены с электронными устройствами степени, чтобы симулировать диски.
Библиотека Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Power Electronics содержит блоки, разрешающие вам симулировать диоды, тиристоры, тиристоры GTO, МОП-транзисторы и устройства IGBT. Вы могли соединить несколько блоков вместе, чтобы создать трехфазный мост. Например, мост инвертора IGBT потребовал бы шести IGBTs и шести антипараллельных диодов.
Чтобы упростить реализацию мостов, блок Universal Bridge автоматически выполняет эти соединения для вас.
Выполните эти шаги, чтобы создать модель PWM-управляемого двигателя.
Введите power_new в командной строке, чтобы открыть новую модель. Сохраните модель как power_PWMmotor
Добавьте блок Universal Bridge из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Power Electronics
В настройках Parameters для блока Universal Bridge, установленного параметр Power Electronic device на IGBT /Diodes.
Добавьте блок Asynchronous Machine SI Units из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Machines
Установите параметры блока Asynchronous Machine SI Units можно следующим образом.
| Настройки | Параметр | Значение | |
|---|---|---|---|
| Configuration | Rotor type | Squirrel-cage | |
| Parameters | Nominal power, voltage (line-line), and frequency [ Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz) ] | [3*746 220 60] | |
| Stator resistance and inductance [ Rs(ohm) Lls(H) ] | [1.115 0.005974] | ||
| Rotor resistance and inductance [ Rr'(ohm) Llr'(H) ] | [1.083 0.005974] | ||
| Mutual inductance Lm (H) | 0.2037 | ||
| Inertia, friction factor, pole pairs [ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() ] | [0.02 0.005752 2] | ||
| [slip, th(deg), ia,ib,ic(A), pha, phb, phc(deg)] | [1 0 0 0 0 0 0 0] |
Установка номинальной степени к 3*746 ВА и номинальная линия к линейному напряжению Vn к 220 Vrms реализует 3 л. с., машина на 60 Гц с двумя парами полюсов. Номинальная скорость поэтому немного ниже, чем синхронная скорость 1 800 об/мин или ws = 188,5 рад/с.
Установка параметра Rotor type на Squirrel-cage, скрывает выходные порты, a, b и c, потому что эти три терминала ротора обычно закорачиваются вместе для нормальной моторной операции.
Доступ к внутренним сигналам блока Asynchronous Machine:
Добавьте блок Bus Selector из библиотеки Simulink> Signal Routing.
Соедините выходной порт измерения, m, блока машины к входному порту блока Bus Selector.
Откройте диалоговое окно Block Parameters для блока Bus Selector. Дважды кликните блок.
Удалите предварительно выобранные сигналы. В Selected signals pane. Shift выбирает ??? signal1 и ??? signal2, затем нажмите Remove.
Выберите сигналы интереса:
На левой панели диалогового окна выберите Stator measurements> Stator current is_a (A). Нажмите Select>>.
Выберите Mechanical> Rotor speed (wm). Нажмите Select>>.
Выберите Electromagnetic torque Te (N*m). Нажмите Select>>.
Реализуйте характеристику скорости крутящего момента моторной загрузки. Принятие квадратичной характеристики скорости крутящего момента (вентилятор или насос вводят загрузку)., крутящий момент T пропорционален квадрату скорости ω.
Номинальный крутящий момент двигателя
Поэтому постоянный k должен быть
Добавьте блок Interpreted MATLAB Function из библиотеки Simulink> User-Defined Functions. Дважды кликните функциональный блок и введите выражение для крутящего момента как функция скорости: 3.34e-4*u^2.
Соедините выход функционального блока к входному порту крутящего момента, Tm, блока машины.
Добавьте блок DC Voltage Source из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Electrical Sources. В настройках Parameters для блока, для параметра Amplitude (V), задают 400.
Поменяйте имя блока Voltage Measurement к VAB.
Добавьте блок Ground из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Elements. Соедините элементы степени и блоки датчика напряжения как показано в схеме power_PWMmotor модель.
Чтобы управлять мостом инвертора, используйте импульсный генератор.
Добавьте блок PWM Generator (2-Level) из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Control & Measurements> Pulse & Signal Generators. Можно сконфигурировать theconverter, действует в разомкнутом цикле и трех PWM, модулирующие сигналы сгенерированы внутренне. Соедините P выход с входом импульсов Универсального Мостовой бруса
Откройте Генератор PWM (2-уровневое) диалоговое окно блока и установите параметры можно следующим образом.
Тип генератора |
|
Режим работы |
|
Частота |
|
Начальная фаза |
|
Минимальные и максимальные значения | [-1,1] |
Выборка метода |
|
Внутренняя генерация ссылочного сигнала |
|
Индекс модуляции | 0.9 |
Ссылочная частота сигнала |
|
Ссылочная фаза сигнала |
|
'SampleTime' |
|
Блок был дискретизирован так, чтобы импульсы изменились во множителях шага требуемого времени. Временной шаг 10 мкс соответствует +/-0,54% переключающегося периода на уровне 1 080 Гц.
Одна общепринятая методика генерации импульсов PWM использует сравнение выходного напряжения, чтобы синтезировать (60 Гц в этом случае) с треугольной волной на переключающейся частоте (1 080 Гц в этом случае). Выходное напряжение RMS от линии к линии является функцией входного напряжения DC и индекса m модуляции, как дано следующим уравнением:
Поэтому напряжение постоянного тока 400 В и фактор модуляции 0,90 дают к 220 Vrms линия к линейному напряжению выхода, которая является номинальным напряжением асинхронного двигателя.
Вы теперь добавляете блоки, измеряющие основной компонент (60 Гц), встроенных в прерванное напряжение Vab и в фазу ток. Добавьте блок Fourier от библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Control & Measurements> Measurements до вашей модели.
Откройте диалоговое окно блока Фурье и проверяйте, что параметры устанавливаются можно следующим образом:
Основная частота |
|
Гармоника n | 1 |
Начальный вход | [0 0] |
'SampleTime' |
|
Соедините этот блок с выходом датчика напряжения Vab.
Скопируйте блок Фурье. Чтобы измерить фазу ток, вы соединяете этот блок со Статором текущий is_a выход блока селектора Шины.
Передайте эти сигналы потоком Инспектору Данных моделирования: Те, МСФО и w сигналы измерения выход блока Asynchronous Machine и напряжение VAB.
Установите время остановки на 1 s и запустите симуляцию. Откройте Simulation Data Inspector и посмотрите на сигналы.
Двигатель запускает и достигает своей установившейся скорости 181 рад/с (1 728 об/мин) после 0,5 с. При запуске, величине текущего пика пределов 90 А на 60 Гц (RMS на 64 А), тогда как ее установившееся значение составляет 10,5 А (RMS на 7,4 А). Как ожидалось величина напряжения на 60 Гц, содержавшегося в прерванной волне, остается в
Также заметьте сильные колебания электромагнитного крутящего момента при запуске. Если вы увеличиваете масштаб крутящего момента в устойчивом состоянии, необходимо наблюдать сигнал с шумом со средним значением 11.9 N.m, соответствуя крутящему моменту загрузки на номинальной скорости.
Если вы увеличиваете масштаб трех моторных токов, вы видите, что все гармоники (множители 1 080 Гц, переключающих частоту), отфильтрованы индуктивностью статора, так, чтобы компонент на 60 Гц был доминирующим.
Электропривод PWM; результаты симуляции для моторного запуска при полном напряжении
Универсальный Мостовой брус не является обычной подсистемой, где все шесть отдельных переключателей доступны. Если вы хотите измерить напряжения переключателя и токи, необходимо использовать блок Multimeter, который предоставляет доступ в мост внутренние сигналы:
Откройте диалоговое окно Universal Bridge и установите параметр Измерения на Device currents.
Добавьте, что блок Multimeter из библиотеки Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Measurements Дважды кликает блок Multimeter. Окно, показывающее шесть токов переключателя, появляется.
Выберите два тока плеча мостовой схемы, соединенного с фазой A. Они идентифицированы как
iSw1 |
|
iSw2 |
|
Нажмите Close. Количество сигналов (2) отображено в значке Мультиметра.
Отправьте сигнал от блока Multimeter до Инспектора Данных моделирования.
Перезапустите симуляцию. Формы волны, полученные для первых 20 мс, показывают в этом графике.
Токи в Переключателях 1 и 2 IGBT/Diode
Как ожидалось токи в переключателях 1 и 2 дополнительны. Положительный ток указывает на текущее течение в IGBT, тогда как отрицательный ток указывает на ток в антипараллельном диоде.
Использование блока Multimeter не ограничивается Универсальным Мостовой брусом. Много блоков библиотек Electrical Sources и Elements имеют параметр Измерения, где можно выбрать напряжения, токи или насыщаемые потоки трансформатора. Разумное использование блока Multimeter сокращает количество токовых и датчиков напряжения в вашей схеме, облегчая следовать.
Вы можете заметить, что симуляция с помощью алгоритма интегрирования переменного шага относительно долга. В зависимости от вашего компьютера могут потребоваться десятки секунд, чтобы симулировать одну секунду. Чтобы сократить время симуляции, можно дискретизировать схему и симулировать на фиксированных шагах времени симуляции.
Во вкладке Simulation нажмите Model Settings. Выберите Solver. Под Solver selection выберите Fixed-step и Discrete (no continuous states) опции. Откройте блок powergui и установите тип Симуляции на Discrete. Установите Шаг расчета на 10e-6 s. Энергосистема, включая асинхронную машину, теперь дискретизируется в 10 шагах расчета мкс.
Запустите симуляцию. Заметьте, что симуляция теперь быстрее, чем с непрерывной системой. Результаты соответствуют хорошо непрерывной системе.
Два блока Фурье позволяют расчет основного компонента напряжения и текущий, в то время как симуляция запускается. Если бы требуется наблюдать гармонические компоненты, также вам был бы нужен блок Фурье для каждой гармоники. Этот подход не удобен.
Добавьте блок Scope в свою модель и соедините ее при выходе блока VAB Voltage Measurement. В блоке Scope, данных логов к рабочей области как структура со временем. Запустите симуляцию. Теперь используйте инструмент FFT powergui, чтобы отобразить спектр частоты напряжения и форм тока.
Когда симуляция будет завершена, откройте powergui и выберите FFT Analysis. Новое окно открывается. Установите параметры, задающие анализируемый сигнал, окно времени и частотный диапазон можно следующим образом:
|
Name |
|
|
Input |
|
|
Signal number |
1 |
|
Start time |
|
|
Number of cycles |
2 |
|
Display |
|
|
Fundamental frequency |
|
|
Max frequency |
|
|
Frequency axis |
|
|
Display style |
|
Анализируемый сигнал отображен в верхнем окне. Нажмите Display. Спектр частоты отображен в нижнем окне, как показано в следующей фигуре.
Анализ БПФ моторной линии к линейному напряжению
Основное и общее гармоническое искажение (THD) компонента напряжения Vab отображено выше окна спектра. Величина основного принципа напряжения инвертора (312 В) соответствует хорошо теоретическому значению (311 В для m=0.9).
Гармоники отображены в проценте основного компонента. Как ожидалось гармоники происходят вокруг множителей несущей частоты (n*18 + - k). Самые высокие гармоники (30%) появляются в 16-й гармонике (18 - 2) и 20-й гармонике (18 + 2).
