Симулируйте привод двигателя постоянного тока

Семь моделей привода постоянного тока библиотеки, обозначенные DC1- DC7, основаны на кисти двигателе постоянного тока в библиотеке Electric Drives. Как и в любом электродвигателе, кисть постоянного тока состоит из статорной (неподвижной) части и роторной (подвижной) части. Двигатель кисти постоянного тока также имеет два типа обмоток - обмотка возбуждения или возбуждения и обмотка якоря. Как следует из имени, обмотка возбуждения используется для создания магнитного поля возбуждения в двигателе, в то время как катушки якоря несут индуцированный ток мотора. Поскольку временная константа (L/R) схемы якоря намного меньше, чем у обмотки возбуждения, управление скоростью путем изменения напряжения якоря быстрее, чем изменение напряжения возбуждения. Поэтому поле возбуждения питается от постоянного источника напряжения, в то время как обмотки якоря питаются от переменного источника постоянного тока. Последний источник производится управляемым фазой тиристорным преобразователем для моделей DC1 к DC4 и транзисторным измельчителем для моделей DC5, DC6 и DC7. Тиристорный преобразователь питается однофазным источником переменного тока для DC1 и DC2 и трехфазным источником переменного тока для DC3 и DC4. Наконец, модели постоянного тока могут работать в наборах квадрантов.

Модель	Тип конвертера	Операционные квадранты
DC1	Однофазный тиристорный преобразователь	I-II
DC2	Однофазный тиристорный преобразователь	I-II-III-IV
DC3	Трехфазный тиристорный преобразователь	I-II
DC4	Трехфазный тиристорный преобразователь	I-II-III-IV
DC5	Вертолет	Я
DC6	Вертолет	I-II
DC7	Вертолет	I-II-III-IV

Регенеративное торможение

Операция в квадрантах II и IV соответствует прямому и обратному торможению, соответственно. Для моделей постоянного тока библиотеки Electric Drives это торможение является регенеративным, что означает, что кинетическая энергия системы двигатель-нагрузка преобразуется в электрическую энергию и возвращается к источнику степени. Этот двунаправленный поток степени получается путем инвертирования соединений двигателя, когда ток становится нулевым (DC1 и DC3), или при помощи второго преобразователя (DC2 и DC4). Оба метода позволяют инвертировать ток двигателя в порядок, чтобы создать электрический крутящий момент, противоположный направлению движения. Модели привода постоянного тока с чоппером (DC5, DC6, DC7) производят регенеративное торможение в аналогичных модах.

Пример: Тиристорный двигатель постоянного тока на основе конвертера

В этом примере вы создаете и симулируете этот простой привод с двигателем постоянного тока на основе тиристорного конвертера:

В примере используется модель DC3 с параметром двигателя постоянного тока 200 л.с., установленным во время регулирования скорости. Блок DC3 моделирует двухквадрантный трехфазный привод тиристорного преобразователя. Двигатель соединяется с нагрузкой и вращается до номинальной скорости 1750 об/мин.

Получите модель DC3 из библиотеки электроприводов

Откройте новое окно и сохраните его как DC_example.
Добавьте Two-Quadrant Three-Phase Rectifier DC Drive блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Electric Drives> DC Drives библиотека в DC_example окно.

Соедините модель DC3 с источником напряжения

Все модели библиотеки имеют три типа входов: Входы электрической степени, скорость или крутящий момент, установленный точке входе (SP), и вход механического крутящего момента (Tm). Поскольку модель DC3 является трехфазным приводом, она представляет трёх электрических входов: A, B и C. В порядок, чтобы DC3 модель работала, вы должны теперь подключить эти входы к соответствующему источнику напряжения:

Добавьте Three-Phase Source блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Electrical Sources библиотека в Ваш круг. Соедините источники выходов A, B и C напряжения с DC3 A, B и C входы соответственно.
В этом примере вы управляете двигателем постоянного тока 200 л.с. номинального напряжения якоря 500 В. Среднее выходное напряжение ${\hat{V}}_{o u t}$ трехфазного тиристорного выпрямительного моста определяется как
${\hat{V}}_{o u t} = \frac{3 \sqrt{2} \cdot V_{l, r m s}}{π} \cdot \cos α$
где $V_{l, r m s}$ - значение напряжения «фаза-фаза rms» трехфазного источника напряжения, и α - значение угла зажигания тиристоров. Для лучшего управления напряжением обычно накладывается нижний предел угла включения, и, таким образом, максимальное среднее выходное напряжение, доступное от выпрямительного моста, задается как
${\hat{V}}_{o u t, \max} = \frac{3 \sqrt{2} \cdot V_{l, r m s}}{π} \cdot \cos α_{\min}$
где _αmin - нижний предел угла включения. В нашем случае нижний предел угла включения, используемый в модели DC3, составляет 20 степени. При таком значении угла и порядок иметь максимальное среднее выходное напряжение 500 В для приведения двигателя 200 л.с. в номинальную скорость, необходимое значение напряжения от фазы к фазе rms, заданное предыдущим уравнением, составляет 370 В. Предположим, что привод соединяется с американской электрической сетью, самое близкое стандартное значение напряжения составляет 460 В.

Установите значение напряжения «фаза-фаза» источника переменного тока равное 460 В, а частоту - 60 Гц. Назовите источник переменного тока 460 V 60 Hz.

Обратите внимание, что амплитуда и значения частоты источника напряжения, необходимые для каждой модели привода библиотеки Электроприводов, могут быть найдены в ссылочных примечаниях. Также включены номинальные значения соответствующих двигателей. Таблица содержит значения, соответствующие DC3 модели 200 л.с.

Напряжение Входа привода	Амплитуда	460 В
Напряжение Входа привода	Частота	60 Гц
Номинальные значения двигателя	Степень	200 л.с.
	Скорость	1750 об/мин
	Напряжение	500 В

В порядок представления реального трехфазного источника необходимо задать правильные значения R сопротивления и L индуктивности источника. Чтобы определить их, обычно используется короткие схемы степени value _Psc и заданное отношение X / R , где $X = L \cdot ω$ , ω являющийся угловой частотой источника напряжения. Как правило, короткая схема степени, поглощаемый входным сопротивлением источника, должен быть по меньшей мере в 20 раз больше номинальной степени привода, и отношение X/ R обычно близко к 10 для промышленных объектов.

Значение входного Z определяется

$Z = \frac{V^{2}}{P_{s c}}$

где V - значение напряжения от фазы к фазе rms источника напряжения. Для высокого X R / r отношения, R сопротивления источника приблизительно равен

R = \frac{Z}{r}

(1)

и индуктивность источника L к

L = \frac{Z}{ω}

(2)

В этом примере напряжение rms от фазы к фазе стоит 460 В, и частота источника составляет 60 Гц. Если мы примем степень короткой схемы в 25 раз больше номинальной степени привода, мы найдем импеданс источника 0,056 Ом. Для отношения X / R 10, используя 1 Уравнения и 2 Уравнения, мы находим значение сопротивления 0,0056, и значение индуктивности 0,15 мГ.

Снимите флажок Specify impedance using short-circuit level и установите значение сопротивления источника переменного тока равным 0,0056 Ом, а индуктивность равной 0,15 мГ.

Соедините модель DC3 с механической нагрузкой

Вход Tm представляет крутящий момент нагрузки, приложенный к валу двигателя постоянного тока. Если значения крутящего момента нагрузки и скорости имеют противоположные знаки, то крутящий момент ускорения будет суммой электромагнитных и крутящих моментов нагрузки. Многие крутящие моменты нагрузки пропорциональны скорости ведомой нагрузки, такой как представлено уравнением

T_{m e c} = K \cdot ω_{m} = K^{'} \cdot N_{m}

(3)

где _ωm - скорость в рад/с и N скорость в об/мин. Вы теперь будете строить такую нагрузку.

Чтобы вычислить этот тип крутящего момента механической нагрузки, необходима скорость двигателя постоянного тока. Этот может быть получен при помощи выходов модели DC3. Все модели привода библиотеки Electric Drives имеют четыре выходных вектора: Motor, Conv., Ctrl и Wm. Вектор Motor содержит все связанные с двигателем переменные, вектор Conv. содержит все напряжение преобразователя и текущие значения, вектор Ctrl содержит все важные значения регулирования, такие как скорость или опорные сигналы крутящего момента, ошибка регулирования скорости или крутящего момента, значения угла зажигания и так далее, и Wm является скоростью двигателя в рад/с. Все описания операции ввода-вывода доступны на странице с описанием каждой модели.

Скорость двигателя (Wm) может быть умножена на постоянную K уравнения 3, чтобы получить сигнал крутящего момента нагрузки, который будет подключен к входу Tm DC3 модели:

Создайте следующую подсистему и назовите ее Linear load torque.
Постоянная K может быть вычислена, зная, что при номинальной скорости двигатель должен развивать номинальный крутящий момент. Как показано в таблице, которая содержит значения, соответствующие DC3 модели 200 л.с., двигатель постоянного тока, используемый в этой симуляции, имеет номинальную _Nm,n скорости 1750 об/мин. Так как номинальная механическая выходная мощность _Pm,n двигателя составляет 200 л. с., номинальный механический крутящий момент нагрузки _Tmec,n может быть вычислен после Уравнения 4 (где вязким трением пренебрегают),
$P_{m, n} = T_{m e c, n} \cdot ω_{m, n} = T_{n} \cdot \frac{π \cdot N_{m, n}}{30}$ (4)
где _ωm,n - номинальная скорость в рад/с. Используя это уравнение, мы находим номинальный механический крутящий момент 814 N.M. Наконец уравнение 3 дает нам K значение 4.44.
Установите постоянное значение блока Linear крутящего момента нагрузки равным 4.44.
Соедините вход и выход блока Linear крутящего момента нагрузки с входами Wm и Tm блока DC3, соответственно. Теперь ваша модель должна выглядеть следующим образом.

Задайте заданные точки

Набор точки входа модели DC3 может быть либо значением скорости (в об/мин), либо значением крутящего момента (в N.m) в зависимости от режима регулирования (скорость или регулирование крутящего момента). В этом примере мы установим блок DC3 в режиме регулировки скорости и доведем двигатель постоянного тока мощностью 200 л.с. до номинальной скорости 1750 об/мин.

Добавьте блок Constant в DC_example.
Подключите блок Constant к входу заданной точки модели DC3 и назовите его Speed reference.
Установите точку аппарата равным 1750 об/мин.

Визуализация внутренних сигналов

Теперь необходимо использовать выходы модели DC3, чтобы визуализировать интересные сигналы с возможности. Предположим, вам нужно визуализировать следующие сигналы:

Тиристорный мост угла включения
Напряжение якоря мотора
Ток якоря и ссылка мотора
Скорость ссылки и скорость мотора

Обратите внимание, что все описания операции ввода-вывода модели можно найти в соответствующих ссылочных примечаниях. Смотрите под маской блока DC3, чтобы увидеть, какие сигналы соединяются с выходами DC3. На вкладке Block нажмите Look Under Mask.

Как вы можете увидеть ниже, угол включения содержится внутри выходного вектора Ctrl. Угол включения Alpha (см. DC3 примечания к ссылке блока) является вторым элементом этого вектора.

Вектор Motor (показан на следующем рисунке) содержит три необходимых сигнала. Сигналы напряжения якоря и тока являются первым и третьим элементами, соответственно. Скорость является вторым элементом вектора Motor.

Наконец, ток и опорные сигналы скорости являются первым и четвертым элементами вектора Ctrl, соответственно (см. следующий рисунок). Обратите внимание, что сигнал Ref. в блоке switch будет ссылкой крутящего момента в режиме регулирования крутящего момента.

Сигналы тока и напряжения внутреннего моста могут быть извлечены через выход Conv., который соединяется с выходом мультиметра. Чтобы рассмотреть эти сигналы, добавьте Multimeter блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks> Measurements библиотека в Ваш круг. Нажимая на блок Multimeter, можно выбрать сигналы конвертера, которые вы хотите вывести. Для получения дополнительной информации о том, как использовать блок Multimeter, см. страницу Multimeter.

При помощи блока Selector можно теперь извлечь необходимые сигналы из трех векторов выхода в порядок, чтобы визуализировать их:

Создайте следующую подсистему в порядок, чтобы извлечь все необходимые сигналы визуализации. Назовите Signal Selector.
Соедините выходные параметры Motor, Conv. и Ctrl блока DC3 с входами Motor, Conv. и Ctrl вашего блока Signal Selector.
Скопируйте два блока Scope в модель. Они будут использоваться для отображения выходных сигналов блока Signal Selector и блока Multimeter. Для первой области откройте диалоговое окно Scope Parameters. На вкладке General установите количество осей равным 4, время симуляции области значений для autoи используйте десятикратное уменьшение 20. Снимите флажок Limit Data Points to last на вкладке Data history. Соедините четыре выхода блока Signal Selector с входами возможностей. Соедините выход блока Multimeter с входом вторых возможностей.

Установите среду симуляции с фиксированным шагом

Все модели привода библиотеки являются дискретными моделями. В порядок симуляции системы необходимо задать правильный временной шаг симуляции и задать опцию решателя с фиксированным шагом. Рекомендуемые значения шага расчета для приводов постоянного тока, приводов переменного тока и механических моделей можно найти в разделах Remarks соответствующих блочных страниц с описанием. Рекомендуемый шаг расчета для модели DC3 составляет 5 мкс. Выполните следующие действия:

Добавьте Powergui блок от Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> Fundamental Blocks библиотека в DC_example. Откройте Powergui, кликните Configure Parameters и в диалоговом окне параметров Powergui блоков установите Simulation type Discrete. Установите шаг расчета 5 мкс.
На вкладке Simulation нажмите Model Settings. Выберите Solver. Под Solver selection выбрать fixed-step и discrete (no continuous states). Установите время остановки равным 12 секунд.

Перед симуляцией схемы необходимо сначала задать правильные DC3 внутренние параметры.

Установите набор параметров привода высокой степени

Многие модели библиотеки Electric Drives имеют два набора параметров: набор малой мощности и набор высокой мощности. По умолчанию все модели первоначально загружаются с набором малой мощности. Параметры модели DC3, загруженные в DC_example являются дисками 5 л.с.

Теперь вы будете устанавливать параметры привода высокой мощности, которые являются параметрами привода 200 л.с. Для этого вы будете использовать графический пользовательский интерфейс:

Откройте пользовательский интерфейс, дважды кликнув по блоку DC3.
Интерфейс разделяется на три основные части системы привода: параметры двигателя (DC Machine вкладка), параметры конвертера (Converter вкладка) и параметры регулирования контроллера привода (Controller вкладка).
Чтобы загрузить параметры 200 л.с., нажмите кнопку Load.
Когда вы нажимаете кнопку Load, появляется окно, содержащее файлы параметров малой мощности и высокой мощности каждой модели AC и DC. Эти файлы содержат все параметры, используемые графическим пользовательским интерфейсом. Имя каждого файла начинается с имени модели, за которым следует значение степени. Версия DC3 мощностью 200 л.с., таким образом, названа dc3_200hp_params.
Выберите dc3_200hp_params.mat Файл и нажатие кнопки Load.

Теперь загружены параметры 200 л.с. Обратите внимание, что вы также можете сохранить пользовательские параметры диска с помощью кнопки Save. Когда вы это делаете, ваши пользовательские параметры сохраняются в формате MAT-файла и могут быть перезагружены в любое время.

Установите значение инерции двигателя

Все инерции электроприводов по умолчанию являются инерциями «без нагрузки», которые представляют только инерцию ротора. Когда двигатель соединяется с нагрузкой, параметр инерции < reservedrangesplaceholder0 > вкладки представляет собой объединенную инерцию ротора и ведомой нагрузки. В этом примере инерция без нагрузки мотора DC3 200 л.с. составляет 2,5 кг * м ^ 2. Поскольку привод непосредственно связан с нагрузкой, вы должны увеличить это значение за счет инерции нагрузки. Предположим, что новая комбинированная инерция составляет 15 кг * м ^ 2.

В DC Machine разделе диалогового окна измените значение инерции на 15 кг * м ^ 2.
Нажмите кнопку OK, чтобы применить изменения и закрыть диалоговое окно.

Установите параметры контроллера DC3 и результаты симуляции

Скорость и токовые контроллеры блока DC3 состоят из пропорционально-интегрального регулятора. Подробную информацию о регуляторах каждой модели привода можно найти на соответствующих страницах с описанием на блоки. Пользовательский интерфейс каждой модели содержит схему внутренней структуры контроллера привода.

Откройте пользовательский интерфейс. Нажмите вкладку Controller, а затем кнопку Schematic.
Все параметры регулирования по умолчанию (параметры скорости и токового контроллера) были обрезаны для инерций «без нагрузки». Поскольку инерция была изменена, в контроллере скорости необходимо внести некоторые изменения. Токовый контроллер не должен быть изменен, изменение инерции, мало влияющее на текущее управление.
В порядок визуализации изменений, которые необходимо внести, запустите симуляцию текущей схемы.
Запустите симуляцию. Визуализированные на возможности результаты симуляции показаны ниже.
Ток якоря следует его ссылке, но достигает 450 А во время фазы ускорения. Это насыщение является результатом ссылки токового контроллера 1,5 pu, что, в свою очередь, вызывает недостаточный крутящий момент ускорения. Двигатель не может следовать скорости по умолчанию 650 об/мин/с. Поскольку крутящий момент ускорения не может быть увеличен, чтобы избежать выгорания схемы якоря, наклон скорости должен быть понижен на ту же величину, что и инерция была увеличена. Если вы уменьшаете темп скорости $\dot{ω}$ на величину, равную увеличению инерции, можно получить тот же крутящий момент по сравнению с кривой скорости (или ток по сравнению со скоростью), что и значение по умолчанию, полученное с инерцией 2,5 кг * м ^ 2, используя новую I инерции.
$T_{e m} (ω) = I \cdot \dot{ω} + T_{m e c} + B \cdot ω = I \cdot \dot{ω} + K^{'} \cdot ω + B \cdot ω$
$B \cdot ω$ термин представляет вязкое трение в приводе, где B - коэффициент вязкого трения.
В этом случае мы уменьшаем темп скорости чуть меньше, чем увеличение инерции в порядок, чтобы иметь достаточно высокое ускорение, и устанавливаем его на 200 об/мин/с.
Откройте пользовательский интерфейс. В разделе Controller установите параметр наклона скорости ускорения меню контроллера скорости равным 200 rpm/s.
Запустите симуляцию и наблюдайте новые результаты на возможностях.
Нынешнее регулирование очень хорошее, и никаких текущих изменений регулятора предприниматься не будет. Регулирование скорости удовлетворительно, но некоторые улучшения могут быть сделаны: начальное отслеживание ссылки скорости может быть быстрее, а перерегулирование скорости и небольшая ошибка нарастания скорости, с которой столкнулись во время фазы ускорения, могут быть уменьшены. Модификация пропорциональных и интегральных составляющих ПИ-регулятора скорости позволяет достичь следующих целей:
- Увеличивая пропорциональную составляющую контроллера скорости, вы увеличиваете чувствительность контроллера, потому что он намного быстрее реагирует на небольшие ошибки регулирования скорости. В результате начальное отслеживание ссылки скорости улучшается, потому что текущая ссылка, выданная контроллером скорости, реагирует быстрее.
- Увеличение интегральной составляющей позволяет скорости двигателя намного быстрее догнать начальный темп скорости во время периодов нарастания, что приводит к более быстрой реакции на интегральные условия ошибки малой скорости, которые происходят, когда сигнал регулируется вслед за усилием. Контроллер будет реагировать порядок, чтобы уменьшить интеграл ошибки скорости намного быстрее, создавая немного более высокий крутящий момент ускорения при следовании за наклоном ускорения.
Слишком высокое увеличение пропорциональных и интегральных составляющих может вызвать нестабильность, контроллер становится сверхчувствительным. Слишком высокие усиления могут также вызвать насыщение тока. Легкий способ настроить коэффициент усиления контроллера скорости состоит в том, чтобы увеличить их шаг за шагом и симулировать новое строение после каждого изменения, пока не будут получены желаемые производительности системы (метод проб/ошибок).
Когда токовый контроллер должен быть обрезан, хороший способ добиться этого - сохранить ротор неподвижным, установив очень высокое комбинированное значение инерции. Это позволяет развязать электрические и механические параметры. Затем вы настраиваете параметры токового контроллера, пока ток не последует за заданными текущими ссылками идеально. К регулятору тока применяется тот же процесс, что и к приведенным выше для регулирования скорости. Когда регулятор тока обрезан, можно затем обрезать регулятор скорости, сбросив объединенную инерцию до ее начального значения.
Попробуйте различные значения регулятора скорости и наблюдайте следующие изменения в динамике системы. Пропорциональная составляющая 80 и интегральная составляющая 200 дают очень хорошие результаты, как показано.

Значение угла зажигания снижается с увеличением скорости в порядок, чтобы сгенерировать растущее напряжение выхода конвертера. Здесь конвертер работает в режиме выпрямителя, передавая степень от источника переменного тока к двигателю постоянного тока. Увеличение напряжения позволяет конвертеру продолжать подавать ток на двигатель постоянного тока во время фазы ускорения, напряжение якоря увеличивается пропорционально скорости. Увеличение тока, наблюдаемое во время этой фазы, связано с увеличением крутящего момента, противоположного нагрузке. Около t = 8,5 с, скорость достигает своей заданной точки, и ток якоря снижается до примерно 335 А, так как больше не требуется крутящий момент ускорения.

Прежде чем завершить этот пример, заметьте два фильтра первого порядка, используемые в схемах скорости и токового контроллера в схематическом рисунке контроллера. Эти фильтры удаляют нежелательные гармоники тока и скорости в сигналах измерения тока и скорости. Эти гармоники вызваны выпрямленными выходными напряжениями трехфазных полных преобразователей. Основная частота пульсации, введенная трехфазным полным преобразователем, равна шести частотам источника напряжения (6-я гармоника). В случае этого примера частота первой гармоники равна 360 Гц. Частота отключения фильтров первого порядка должна быть как минимум ниже 360 Гц. Поскольку фильтры являются фильтрами первого порядка, частота отключения должна быть намного ниже, чтобы иметь достаточно хорошее гармоническое отклонение. Следует иметь в виду, что слишком низкая частота отключения может вызвать нестабильность системы. В случае приводов с измельчителем, таких как DC5, DC6 и DC7, основная частота равна частоте PWM.

Симулируйте в режиме среднего значения

Большинство моделей привода могут быть моделированы в режиме среднего значения. В таком режиме блоки Universal Bridge, используемые для симуляции преобразователей степени, приводящих двигатели, заменяются преобразователями среднего значения. Используемые модели конвертера среднего значения описаны на страницах с описанием каждой модели привода. Это позволяет вам увеличить временной шаг симуляции и, таким образом, увеличить скорость симуляции.

Используйте следующую процедуру, чтобы симулировать модель в режиме среднего значения.

Откройте пользовательский интерфейс. Выберите Average опция в раскрывающемся списке Model detail level .
Выберите Converter раздел.
Заметьте, что он содержит некоторые дополнительные параметры, характерные для режима среднего значения. Эти параметры влияют на внешний источник напряжения и используются выпрямителем среднего значения.
При симуляции в режиме среднего значения временной шаг может быть увеличен в порядок, чтобы запустить более быстрые симуляции. Руководство состоит в том, чтобы увеличить временной шаг до наименьшего времени дискретизации контроллера, используемого в модели. В этом случае время дискретизации совпадает для скорости и токовых контроллеров и равно 100 мкс.
Закройте пользовательский интерфейс и откройте блок powergui. Установите Simulation type значение Discrete. Установите шаг расчета 100 мкс. Запустите симуляцию.
Заметьте, что время симуляции сокращено. Наблюдайте результаты симуляции: выходное напряжение выпрямителя и пульсация тока не представлены, можно увидеть только среднее значение этих сигналов. Если вы позже попытаетесь визуализировать входной ток, вы увидите только 60 Гц основной компонент детализированного тока.

Документация