Полевое управление асинхронным электроприводом, используемым в наземной транспортной системе

Этот пример демонстрирует работу привода переменного тока переменной скорости в тяговой системе троллейбуса.

Тяговая система

Электроэнергия поставляется на 15 кВ, единственная фаза, цепная линия на 60 Гц через / 460-вольтовый трансформатор на 15 кВ. Вторичная обмотка трансформатора подключена к полномостовому преобразователю с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) переменного/постоянного тока, вырабатывающему напряжение постоянного тока 750 В на линии постоянного тока. Это напряжение фильтруется фильтром, настроенным на вторую гармонику (120 Гц). Напряжение линии постоянного тока подключено к трехфазному двухуровневому преобразователю с ШИМ-управлением. Этот преобразователь генерирует переменное напряжение и частоту, необходимые для работы асинхронного двигателя с переменной скоростью. Преобразователь переменного/постоянного тока позволяет реверсировать поток энергии во время периода торможения. Кинетическая энергия шины затем преобразуется в электрическую энергию и подается обратно в энергосистему. Кроме того, с этим типом преобразователя возможна работа с единичным коэффициентом мощности.

Привод асинхронного двигателя с инверторным питанием может управляться с использованием различных схем в зависимости от применения, требуемых рабочих характеристик и сложности конструкции контроллера. Обычно используемыми схемами являются скалярное управление (управление V/Hz или управление потоком разомкнутого контура) или векторное управление (полевое управление или прямое управление крутящим моментом). В этих схемах скорость двигателя регулируется изменением частоты питания. Чтобы создать оптимальный крутящий момент без магнитного насыщения, необходимо поддерживать постоянный поток воздушного зазора вблизи номинального значения так, чтобы напряжение оставалось пропорциональным частоте. В нашем примере мы используем схему управления, ориентированную на поле (ВОК).

Полевая теория управления

ВОК представляет собой схему управления для асинхронных двигателей, в которой опорный кадр координат d-q, зафиксированный вектором пространства потока двигателя, используется для достижения развязки между потоком двигателя и крутящим моментом. Следовательно, они могут отдельно управляться токами прямой оси статора и квадратурной оси соответственно.

Рассмотрим упрощенную схему на рисунке, на которой показаны магнитомодельные силы статора и ротора (ММФ) $F_s$ и $F_r$ в данный момент.

Трехфазные обмотки статора и ротора выполнены в виде двух однооборотных эквивалентных обмоток. MMF $F_s$ и $F_r$ вращаются с синхронной скоростью, определяемой частотой питания. Результирующая ММФ ( $F$ векторная сумма и $F_s$ ) $F_r$ создает поток двигателя, который вращается с синхронной скоростью, как показано на рисунке.

Крутящий момент, развиваемый двигателем, определяется:

$T=k \: F_r \: \phi \: sin(\theta)$

где $F_r$ - MMF ротора, - $\phi$ поток двигателя, - $\theta$ угол между и, $F_r$ и $\phi$ - $k$ постоянная, которая зависит от конструкции двигателя. Это соотношение указывает, что развиваемый крутящий момент является максимальным, когда равен $\theta$ 90 градусам. Задача схемы управления ВОК состоит в том, чтобы поддерживать этот угол как можно ближе к 90 градусам и поддерживать поток двигателя на номинальном уровне (за исключением операций ослабления поля).

На рисунке ниже показан принцип использования ВОК. Векторы текущего пространства $I_s$ и $I_r$ представляют ММФ $F_s$ и $F_r$ на предыдущем рисунке. Заметим, что вектор пространства тока ротора перпендикулярен $I_r$ датчикам тока намагничивания, которые создают поток двигателя.

Опорные координаты правильно ориентированы. Токи постоянной оси статора совмещены с потоком двигателя, а ток квадратурной оси статора $i_{qs}$ перпендикулярен потоку двигателя. Следовательно, поток двигателя и крутящий момент могут отдельно управляться компонентами тока статора $i_{ds}$ и соответственно $i_{qs}$ .

Поток $\phi$ , показанный на чертеже, представляет собой общий поток, создаваемый в воздушном зазоре векторами тока статора и ротора. $\phi = L_m (I_s + I_r)$ В теории ВОК $\phi_r$ вместо потока воздушного зазора используется поток ротора. $\phi$ Поток ротора $\phi_r$ очень близок к потоку воздушного зазора. $\phi$ Единственное различие состоит в том, что включает $\phi_r$ небольшой поток,. - $Llr$ $I_r$ индуктивность утечки ротора. $\phi_r$ управляется для того, чтобы оставаться выровненными с осью d вращающейся рамы так, чтобы и. $\phi_{rd} = \phi_r$ $\phi_{rq} = 0$

Положение потока двигателя $\theta_e$ требуется для преобразования координат и генерируется из частоты вращения ротора $\omega_m$ и частоты скольжения. $\omega_{sl}$

$\theta_e=\int p \omega_m +\omega_{sl} dt$

где $p$ - количество пар полюсов. Вычисление частоты скольжения $\omega_{sl}$ и опорных токов $i_{ds}ref$ и $i_{qs}ref$ требует, чтобы модель двигателя была реализована внутри контроллера.

$\omega_{sl}$ оценивается по опорному току статора $i_{qs}ref$ и параметрам двигателя $L_m$ $Llr$ и следующим $R_r$ образом:

$\omega_{sl} = \frac{L_m}{\tau_r} \: \frac{i_{qs}}{\phi_r} = \frac{L_m R_r}{Ll_r + L_m} \: \frac{i_{qs}}{\phi_r}$

где $\phi_r$ - связь потока ротора $L_m$ , - взаимная индуктивность и $Ll_r$ и - $R_r$ индуктивность и сопротивление утечки ротора. Постоянная времени ротора:

$\tau_r = \frac{Ll_r + L_m}{R_r}$

Тяга потока ротора рассчитывается следующим образом:

$\phi_r = \frac{L_m \: i_{ds}}{1+\tau_rs}$

Эталон q-оси статора $i_{qs}ref$ рассчитывается на основе эталона крутящего момента $T_{e}ref$ и связи потока ротора: $\phi_r$

$i_{qs}ref = \frac{2}{3} \: \frac{1}{p} \: \frac{Ll_r+L_m}{L_m} \: \frac{T_{e}ref}{\phi_r}$

Эталонный ток d-оси статора $i_{ds}ref$ получают из эталона связи потока: $\phi_{r}ref$

$i_{ds}ref = \frac{\phi_{r}ref}{L_m}$

Полевое управление

Частота вращения двигателя $\omega_m$ и эталон скорости $\omega_{ref}$ подаются в блок регулятора скорости для получения эталона крутящего момента. $Te_{ref}$ Роль регулятора скорости заключается в поддержании скорости двигателя равной опорной скорости в установившемся состоянии при обеспечении быстрой динамической реакции во время переходных процессов.

Вычисленные $i_{ds}ref$ и $i_{qs}ref$ текущие эталоны подаются на регуляторы тока. Регуляторы обрабатывают измеренный и опорный токи для получения трехфазных опорных сигналов. $Vref$ Сигналы в соединены $Vref$ с модулятором ШИМ, который генерирует импульсы на инвертор двигателя. Модулятор использует метод пространственного вектора ШИМ с усреднением импульсов и частотой переключения 2 кГц.

Контроллер выпрямителя

Этот контроллер регулирует напряжение линии постоянного тока и поддерживает единичный коэффициент входной мощности. Он состоит из следующих основных блоков:

Система PLL & Measurements синхронизирована с вторичным напряжением трансформатора. Вторичное напряжение и ток измеряют и преобразуют в координаты d-q.
Регулятор тока (внутренний контур управления) состоит из двух ПИ-контроллеров для токов Id и Iq. Выходными сигналами контроллеров являются сигналы Vd и Vq, которые преобразуются в опорный сигнал Vref для генератора ШИМ. Привязка Iq поддерживается равной нулю для достижения коэффициента единичной мощности. Ссылка Id обеспечивается внешним контуром управления напряжением.
Регулятор напряжения (внешний контур управления), который регулирует напряжение линии постоянного тока.

Опорный сигнал Vref подключается к генератору ШИМ, который вырабатывает импульсы на выпрямитель переменного/постоянного тока с полным мостом. Генератор использует метод ШИМ на основе несущей с усреднением импульсов и частотой переключения 2340 (39 * 60) Гц.

Моделирование

Выполните моделирование и просмотрите формы сигналов на блоках области. Для имитации резкого изменения уклона дороги через 3,5 секунды крутящий момент нагрузки снижается с 400 Н.м до 40 Н.м, а опорная скорость снижается с 1000 об/мин до 750 об/мин. Поскольку троллейбус спускается вниз по холму, кинетическая энергия преобразуется в электрическую с помощью асинхронного двигателя, который затем работает как генератор. Эта энергия возвращается в электросеть через линию связи постоянного тока и однофазный преобразователь, который затем работает как инвертор. Обратите внимание на обратное изменение активной мощности (около минус 25 кВт при 3,5 с) в трассировке P (кВт), Q (кВар) блока Scope.

Моделирование в реальном времени

Если у вас есть Simulink Real-Time и цель Speedgoat, вы можете запустить эту модель в реальном времени.

Откройте окно Параметры конфигурации (Configuration Parameters) (или нажмите Ctrl + E), щелкните Создание кода (Code Generation) и задайте для параметра Системный целевой файл (System target file) значение slrealtime.tlc .
Подключитесь к целевому объекту и на вкладке «Реальное время» нажмите кнопку «Выполнить на целевом объекте».

Модель будет автоматически построена, развернута и выполнена на целевом объекте. В зависимости от целевой пропускной способности потоковой передачи может потребоваться уменьшить количество сигналов, передаваемых в реальном времени с целевого компьютера на хост-компьютер.

Документация