Exponenta Banner
exponenta event banner

Генератор ШИМ (трехфазный, двухуровневый)

Формирование трехфазного двухуровневого сигнала с широтно-импульсной модуляцией

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape / Электрический / Контроль / Модуляция Ширины импульса

  • PWM Generator (Three-phase, Two-level) block

Описание

Блок генератора ШИМ (трехфазный, двухуровневый) управляет поведением переключения для трехфазного двухуровневого преобразователя мощности. Блок:

  1. Вычисляет время включения и отключения на основе входных данных блока:

    • Три синусоидальных опорных напряжения, по одному на фазу

    • Напряжение линии постоянного тока

  2. Использует время стробирования для генерации шести импульсов управления переключением.

  3. Использует время стробирования для генерации сигналов модуляции.

Непрерывная и прерывистая ШИМ

Блок обеспечивает режимы как непрерывной, так и прерывистой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). На чертеже показана общая разница между непрерывными синусоидальными ШИМ (СПИМ) и непрерывными формами сигналов модуляции пространственных векторов (СВМ).

Для прерывистого PWM (DPWM) блок зажимает модулированную волну к положительной или отрицательной направляющей постоянного тока в общей сложности на 120 градусов в течение каждого основного периода. В течение интервалов зажима модуляция прекращается.

Форма сигнала с 30-градусным DPWM имеет четыре 30-градусных интервала на основной период.

Выбор положительного или отрицательного 30-градусного фазового сдвига влияет на интервалы зажима для 60-градусного DPWM.

На рисунке показаны формы сигналов для положительного и отрицательного зажима постоянного тока для 120-градусного DPWM.

Режим отбора проб

Этот блок позволяет выбрать естественную, симметричную или асимметричную выборку волны модуляции.

Блок генератора ШИМ (трехфазный, двухуровневый) не выполняет ШИМ на основе несущей. Вместо этого блок использует входные сигналы для вычисления времени стробирования, а затем использует время стробирования для генерации как импульсов управления переключением, так и сигналов модуляции, которые он выдает.

PWM на основе несущей, однако, полезен для демонстрации того, как выбранный режим выборки связан с поведением включения и выключения импульсов, которые генерирует блок. Генератор, использующий двухуровневый метод ШИМ на основе несущей:

  1. Выполняет выборку опорной волны.

  2. Сравнивает выборку с треугольной несущей волной.

  3. Генерирует импульс включения, если выборка выше сигнала несущей, или импульс выключения, если выборка ниже волны несущей.

Чтобы определить поведение импульсов включения и выключения, двухуровневый генератор ШИМ на основе несущей использует следующие методы для выборки волны треугольника:

  • Естественный - выборка и сравнение происходят в точках пересечения модулированной волны и несущей волны.

  • Асимметричная - выборка происходит на верхней и нижней границах несущей волны. Сравнение происходит на пересечении, которое следует за выборкой.

  • Симметрично - выборка происходит только на верхней границе несущей волны. Сравнение происходит на пересечении, которое следует за выборкой.

Сверхмодуляция

Индекс модуляции, измеряющий способность преобразователя мощности выводить заданное напряжение, определяется как

m = VMVC,

где

  • m - индекс модуляции.

  • Vm - пиковое значение волны модуляции.

  • Vc - пиковое значение несущей волны треугольника.

Для трехфазного SPWM,

Vpeak = mvdc2,

где

  • Vpeak - пиковое значение фундаментальной составляющей напряжения фаза-нейтраль.

  • vdc - напряжение линии постоянного тока.

Для трехфазных пространственно-векторных PWM (SVM) и DPWM,

Vpeak = mvdc3.

Для нормальной стационарной работы, 0 < m ≤1. Если переходный процесс, такой как увеличение нагрузки, приводит к тому, что амплитуда Vm превышает амплитуду Vc, перемодуляция (m > 1) происходит.

Если происходит перегрузка, выходное напряжение преобразователя мощности прижимается к положительному или отрицательному рельсу постоянного тока.

В примере трехфазного двухуровневого ШИМ-генератора подсистема двухуровневого контроллера содержит вход 400-V DC-канала и индекс модуляции m, равный 0,8. Для SPWM максимальное входное напряжение составляет 400 V/2, то есть 200 В. Для демонстрации перемодуляции в начале моделирования добавляется переходный процесс. Переходный процесс заставляет амплитуды опорных напряжений превышать амплитуду 1/2 напряжения линии постоянного тока. Для выделения сверхмодуляции объем включает в себя результаты моделирования только для одного из шести выходных импульсов и только для α - фазы опорных напряжений, сигналов модуляции и выходных напряжений.

Индекс модуляции больше единицы между 0,03-0,09 с. Во время перемодуляции:

  • Импульс остается в положении включения или выключения.

  • Выходное напряжение Vao крепится к положительному или отрицательному рельсу постоянного тока.

Порты

Вход

развернуть все

Укажите три синусоидальных напряжения, по одному на фазу, которые должны выводиться подключенным преобразователем.

Укажите положительное вещественное число для напряжения постоянного тока преобразователя.

Продукция

развернуть все

Шесть импульсных сигналов, которые определяют поведение переключения в подключенном преобразователе мощности.

При создании кода для платформы, имеющей аппаратные средства с функцией PWM, можно развернуть модулирующую волну на аппаратном обеспечении. В противном случае эти данные используются только для справки.

Параметры

развернуть все

Прерывистая ШИМ зажимает сигнал к рельсу постоянного тока в общей сложности на 120 градусов в каждый основной период. Непрерывная ШИМ не выполняется.

Зависимости

Параметр Continuous PWM доступен только в том случае, если для параметра режима PWM установлено значение Continuous PWM (CPWM).

Режим дискретизации определяет, выполняет ли блок выборку сигнала модуляции, когда волны пересекаются, или когда несущая волна находится в одном или обоих своих граничных условиях.

Укажите скорость переключения переключателей в преобразователе питания.

Укажите интервал времени между последовательными выполнением блоков (выходные вычисления). Для обеспечения адекватного разрешения в генерируемом сигнале установите это значение меньшим или равным 1/(50*Fsw), где Fsw - частота переключения (Гц).

Укажите способ распределения 120 градусов за период, в течение которого блок зажимает модулированную волну к рельсу постоянного тока. Другие варианты:

  • 60 DPWM (+30 degree shift): +30 degree shift from 60 DPWM

  • 60 DPWM (-30 degree shift): -30 degree shift from 60 DPWM

  • 30 DPWM: 30 degree discontinuous PWM

  • 120 DPWM: positive dc component

  • 120 DPWM: negative dc component

Когда волна зажата, модуляция прекращается.

Зависимости

Параметр прерывистого PWM доступен только в том случае, если для параметра режима PWM установлено значение Discontinuous PWM (DPWM).

Примеры модели

Asynchronous Machine Scalar Control

Скалярное управление асинхронной машиной

Управление скоростью вращения ротора в приводе асинхронной машины (ASM) с помощью скалярного метода управления V/f. Преобразователь преобразует эталонную скорость в эталонную электрическую частоту. Контроллер генерирует опорные напряжения из опорной частоты путем поддержания постоянного отношения напряжения к частоте посредством скалярного управления V/f.

Electric Engine Dyno

Династия электрических двигателей

Образец испытания на динамометрическом стенде электромобиля. Испытательная среда содержит асинхронную машину (ASM) и внутреннюю синхронную машину с постоянными магнитами (IPMSM), подключенную к обратной связи через механический вал. Обе машины питаются высоковольтными батареями через управляемые трехфазные преобразователи. ASM мощностью 164 кВт создает крутящий момент нагрузки. IPMSM мощностью 35 кВт является тестируемой электрической машиной. Управляющая тестовая машина (IPMSM) управляет крутящим моментом IPMSM. Контроллер включает в себя многоскоростную структуру управления на основе PI. Скорость регулирования крутящего момента разомкнутого контура ниже, чем скорость регулирования тока замкнутого контура. Планирование задач для контроллера реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема Control Load Machine (ASM) использует одну скорость для управления скоростью ASM. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

Energy Balance in a 48V Starter Generator

Энергетический баланс в генераторе стартера 48V

Внутренняя синхронная машина с постоянными магнитами (IPMSM), используемая в качестве стартера/генератора в упрощенной 48V автомобильной системе. Система содержит 48V электрическую сеть и 12V электрическую сеть. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представлен базовыми механическими блоками. IPMSM работает как двигатель до тех пор, пока ДВС не достигнет холостого хода, а затем работает как генератор. IPMSM подает питание в 48V сеть, которая содержит R3 потребителя питания. Сеть 48V обеспечивает электропитанием сеть 12V, которая имеет двух потребителей: R1 и R2. Общее время моделирования (t) составляет 0,5 секунды. При t = 0,05 секунд включается ДВС. При t = 0,1 секунды включается R3. При t = 0,3 секунды R2 включается и увеличивает нагрузку на 12V электрическую сеть. Подсистема EM Controller включает в себя многоскоростную структуру каскадного управления на основе PI, которая имеет внешний контур управления напряжением и два внутренних контура управления током. Планирование задач в подсистеме управления реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема контроллера DCDC реализует простой PI-контроллер для преобразователя DC-DC Buck, который питает 12V сеть. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

HESM Torque Control

Управление крутящим моментом HESM

Управление крутящим моментом в гибридной синхронной машине (HESM) на основе электротяги. Постоянные магниты и обмотка возбуждения возбуждают HESM. Высоковольтная батарея питает ПЛ через управляемый трехфазный преобразователь для обмоток статора и через управляемый четырехквадрантный прерыватель для обмотки ротора. Идеальный источник угловой скорости обеспечивает нагрузку. Подсистема управления использует подход с разомкнутым контуром для управления крутящим моментом и подход с замкнутым контуром для управления током. В каждый момент времени выборки запрос крутящего момента преобразуется в соответствующие текущие ссылки. Текущий элемент управления основан на PI. При моделировании используется несколько этапов крутящего момента как в двигателе, так и в генераторе. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

HESM Velocity Control

Управление скоростью HESM

Управление угловой скоростью ротора в электротяговом приводе на базе гибридной синхронной машины возбуждения (HESM). Постоянные магниты и обмотка возбуждения возбуждают HESM. Высоковольтная батарея питает HESM через управляемый трехфазный преобразователь для обмоток статора и через управляемый четырехквадрантный прерыватель для обмотки ротора. Идеальный источник крутящего момента обеспечивает нагрузку. Подсистема управления включает многоскоростную структуру каскадного управления на основе PI. Управляющая структура имеет внешний контур регулирования угловой скорости и три внутренних контура регулирования тока. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

IPMSG Voltage Stabilization

Стабилизация напряжения IPMSG

Управление системой генератора низкого напряжения внутреннего синхронного генератора постоянного магнита (IPMSG) для гибридного электромобиля (HEV). Подсистема управления включает в себя многоскоростную каскадную структуру управления на основе PI, которая имеет внешний контур управления напряжением и два внутренних контура управления током. Планирование задач в подсистеме управления реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования. Идеальный источник угловой скорости, представляющий двигатель внутреннего сгорания, приводит в действие IPMSG. IPMSG обеспечивает низковольтное питание потребителей R1 и R2. При t = 0,4 секунды выключатель замыкается, увеличивая нагрузку.

IPMSM Torque Control in a Parallel HEV

Управление крутящим моментом IPMSM в параллельном HEV

Упрощенный параллельный гибридный электромобиль (HEV). Внутренняя синхронная машина с постоянными магнитами (IPMSM) и двигатель внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивают движение транспортного средства. IPMSM работает как в моторном режиме, так и в режиме генерации. Трансмиссия и дифференциал транспортного средства реализованы с использованием модели редуктора с фиксированным передаточным числом. Подсистема контроллера транспортного средства преобразует входные данные водителя в команды крутящего момента. Стратегия управления транспортным средством реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема контроллера ДВС управляет крутящим моментом двигателя внутреннего сгорания. Подсистема контроллера привода управляет крутящим моментом IPMSM. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

IPMSM Torque Control in a Series HEV

Управление крутящим моментом IPMSM в серии HEV

Внутренняя синхронная машина с постоянными магнитами (IPMSM), приводящая в движение гибридный электромобиль (HEV) упрощенной серии. Идеальный преобразователь DCDC, подключенный к высоковольтной батарее, питает IPMSM через управляемый трёхфазный преобразователь. Генератор с двигателем внутреннего сгорания заряжает высоковольтную батарею. Трансмиссия и дифференциал транспортного средства реализованы с использованием модели редуктора с фиксированным передаточным числом. Подсистема контроллера транспортного средства преобразует входные данные водителя в соответствующие команды для IPMSM и генератора. Подсистема контроллера привода управляет крутящим моментом IPMSM. Контроллер включает в себя многоскоростную структуру управления на основе PI. Скорость регулирования крутящего момента разомкнутого контура ниже, чем скорость регулирования тока замкнутого контура. Планирование задач для контроллера реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

IPMSM Torque Control in a Series-Parallel HEV

Управление крутящим моментом IPMSM в последовательном параллельном HEV

Упрощенный последовательно-параллельный гибридный электромобиль (HEV). Внутренняя синхронная машина с постоянными магнитами (IPMSM) и двигатель внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивают движение транспортного средства. Двигатель внутреннего сгорания также использует электрический генератор для подзарядки высоковольтной батареи во время вождения. Трансмиссия и дифференциал транспортного средства реализованы с использованием модели редуктора с фиксированным передаточным числом. Подсистема контроллера транспортного средства преобразует входные данные водителя в команды крутящего момента. Стратегия управления транспортным средством реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема контроллера ДВС управляет крутящим моментом двигателя внутреннего сгорания. Контроллер генератора управляет крутящим моментом электрогенератора. Подсистема контроллера привода управляет крутящим моментом IPMSM. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

IPMSM Torque Control in an Axle-Drive HEV

Управление крутящим моментом IPMSM в HEV привода оси

Внутренняя синхронная машина с постоянными магнитами (IPMSM), приводящая в движение электромобиль с упрощенным приводом на ось. Высоковольтная батарея питает IPMSM через управляемый трехфазный преобразователь. IPMSM работает как в моторном режиме, так и в режиме генерации. Трансмиссия и дифференциал транспортного средства реализованы с использованием модели редуктора с фиксированным передаточным числом. Подсистема контроллера транспортного средства преобразует входные данные водителя в соответствующую команду крутящего момента. Подсистема контроллера привода управляет крутящим моментом IPMSM. Контроллер включает в себя многоскоростную структуру управления на основе PI. Скорость регулирования крутящего момента разомкнутого контура ниже, чем скорость регулирования тока замкнутого контура. Планирование задач для контроллера реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

IPMSM Velocity Control

Управление скоростью IPMSM

Управление угловой скоростью ротора в синхронной машине на основе внутреннего постоянного магнита (IPMSM). Высоковольтная батарея питает IPMSM через управляемый трехфазный преобразователь. IPMSM работает как в моторном режиме, так и в режиме генерации в соответствии с нагрузкой. Идеальный источник крутящего момента обеспечивает нагрузку. Подсистема «Области» содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования. Подсистема управления включает в себя многоскоростную каскадную структуру управления на основе PI, которая имеет внешний контур управления угловой скоростью и два внутренних контура управления током. Планирование задач в подсистеме управления реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Во время моделирования на одну секунду требуемая угловая скорость составляет 0 об/мин, 500 об/мин, 2000 об/мин, а затем 3000 об/мин. Выше 1630 об/мин IPMSM входит в режим ослабления поля.

SM Torque Control

Управление крутящим моментом ПЛ

Управление крутящим моментом в электроприводе на базе синхронной машины (SM). Высоковольтная батарея питает ПЛ через управляемый трехфазный преобразователь для обмоток статора и управляемый четырехквадрантный прерыватель для обмотки ротора. Идеальный источник угловой скорости обеспечивает нагрузку. Подсистема управления использует подход с разомкнутым контуром для управления крутящим моментом и подход с замкнутым контуром для управления током. В каждый момент времени выборки запрос крутящего момента преобразуется в соответствующие текущие ссылки. Текущий элемент управления основан на PI. В моделировании используется несколько этапов крутящего момента как в двигателе, так и в генераторе. Планирование задач реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

SM Velocity Control

Управление скоростью SM

Управление угловой скоростью ротора в электротяговом приводе на базе синхронной машины (ПЛ). Высоковольтная батарея питает ПЛ через управляемый трехфазный преобразователь для обмоток статора и управляемый четырехквадрантный прерыватель для обмотки ротора. Идеальный источник крутящего момента обеспечивает нагрузку. Подсистема управления включает в себя многоскоростную каскадную структуру управления на основе PI, которая имеет внешний контур управления угловой скоростью и три внутренних контура управления током. Планирование задач в подсистеме управления реализуется как конечный автомат Stateflow ®. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

Synchronous Reluctance Machine Velocity Control

Синхронное управление скоростью машины с нежелательной связью

Управление угловой скоростью ротора в электроприводе на базе синхронной машины с сопротивлением (SynRM). Высоковольтная батарея питает SynRM через управляемый трехфазный преобразователь. Идеальный источник крутящего момента обеспечивает нагрузку. Подсистема управления включает многоскоростную структуру каскадного управления на основе PI. Управляющая структура содержит внешний контур регулирования угловой скорости и два внутренних контура регулирования тока. Подсистема визуализации содержит области, которые позволяют просматривать результаты моделирования.

Three-Phase Asynchronous Drive with Sensor Control

Трехфазный асинхронный привод с сенсорным управлением

Управление и анализ работы асинхронной машины (Asynchronous Machine, ASM) с помощью сенсорного полевого управления ротором. Модель показывает основную электрическую цепь с тремя дополнительными подсистемами, содержащими органы управления, измерения и области. Подсистема Control содержит два контроллера: один для преобразователя на стороне сетки (AC/DC) и один для преобразователя на стороне машины (DC/AC). Подсистема Scopes содержит две области времени: одну для Grid-Side Converter и одну для ASM. При выполнении модели открывается анализатор спектра, который отображает данные частоты для тока питания фазы А.

Three-Phase Asynchronous Drive with Sensorless Control

Трехфазный асинхронный привод с безсенсорным управлением

Управление и анализ работы асинхронной машины (Asynchronous Machine, ASM) с помощью бесконсенсорного полевого управления ротором. Модель показывает основную электрическую цепь с тремя дополнительными подсистемами, содержащими органы управления, измерения и области. Подсистема Control содержит два контроллера: один для преобразователя на стороне сетки (AC/DC) и один для преобразователя на стороне машины (DC/AC). Подсистема Scopes содержит две области времени: одну для Grid-Side Converter и одну для ASM. При выполнении модели открывается анализатор спектра, который отображает данные частоты для тока питания фазы А.

Three-Phase Two-Level PWM Generator

Трехфазный двухуровневый генератор ШИМ

Используйте генератор ШИМ (трехфазный, двухуровневый) для управления преобразователем. Входами генератора ШИМ являются опорные сигналы переменного тока и напряжение линии постоянного тока 400 В. Существует один временной диапазон для сигналов контроллера.

Ссылки

[1] Чон, Д. В., Дж. С. Ким и С. К. Сул. «Унифицированная методика модуляции напряжения для трехфазного преобразования мощности в реальном времени». IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 2, 1998, pp. 374-380.

[2] Хава, А. М., Р. Дж. Керкман и Т. А. Липо. «Простые аналитические и графические методы для дисков PWM-VSI на основе несущих». IEEE Transactions on Power Electronics, том 14, № 1, 1999, стр. 49-61.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

Блоки Simscape

Блоки

Представлен в R2016b

Документация Simscape Electrical

Поддержка