Симулируйте блок управления приводом переменной скорости

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 контура, 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.

Создание и симуляция электропривода PWM

Выполните эти шаги, чтобы создать модель PWM-управляемого двигателя.

Сборка и конфигурирование модели

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:
1. Добавьте блок Bus Selector из библиотеки Simulink> Signal Routing.
2. Соедините выходной порт измерения, m, блока машины к входному порту блока Bus Selector.
3. Откройте диалоговое окно Block Parameters для блока Bus Selector. Дважды кликните блок.
4. Удалите предварительно выобранные сигналы. В панели Selected elements Shift выбирает ??? signal1 и ??? signal2, затем нажмите Remove.
5. Выберите сигналы интереса:
  1. На левой панели диалогового окна выберите Stator measurements> Stator current is_a (A). Нажмите Select>>.
  2. Выберите Mechanical> Rotor speed (wm). Нажмите Select>>.
  3. Выберите Electromagnetic torque Te (N*m). Нажмите Select>>.

Загрузка и управление двигателем

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.

$T = k \times ω^{2}$

Номинальный крутящий момент двигателя

$T_{n} = \frac{3 \times 746}{188.5} = 11.87 N m$

Поэтому постоянный k должен быть

$k = \frac{T_{n}}{ω^{2}} = \frac{11.87}{{188.5}^{2}} = 3.34 \times 10^{- 4}$

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.

Управление Инвертер-Бридж с импульсным генератором

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 конвертер, чтобы действовать в разомкнутом контуре 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	`Three-phase bridge (6 pulses)`
Режим работы	`Unsynchronized`
Частота	`18*60Hz (1080 Hz)`
Начальная фаза	`0 degrees`
Минимальные и максимальные значения	[-1,1]
Выборка метода	`Natural`
Внутренняя генерация опорного сигнала	`selected`
Индекс модуляции	0.9
Частота опорного сигнала	`60 Hz`
Фаза опорного сигнала	`0 degrees`
Размер шага	`10e-6 s`

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:
$V_{L L r m s} = \frac{m}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}} V d c = m \times 0.612 \times V D C$
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.

Отображение сигналов и измерение основного напряжения и текущий

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
60 Hz
Гармоника n
1
Начальный вход
[0 0]
Размер шага
10e-6 s

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.

Симуляция электропривода PWM с непрерывным алгоритмом интегрирования

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

$220 \times \sqrt{2} = 311 V$

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 нагрузки 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

Используя блок Multimeter

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
Universal Bridge
iSw2
Universal Bridge
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.

Примечание

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.

Дискретизация электропривода PWM

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.

Выполнение гармонического анализа Используя инструмент БПФ

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	`ScopeData`
Input	`input 1`
Signal number	1
Start time	`0.7 s`
Number of cycles	2
Display	`FFT window`
Fundamental frequency	`60 Hz`
Max frequency	`5000 Hz`
Frequency axis	`Harmonic order`
Display style	`Bar (relative to Fund or DC)`

Анализируемый сигнал отображен в верхнем окне. Нажмите Display. Спектр частоты отображен в нижнем окне, как показано на следующем рисунке.

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).

Документация