Векторное управление приводом асинхронного двигателя, используемым в наземной транспортной системе

Этот пример демонстрирует операцию привода переменного тока в тяговой системе троллейбуса.

Тяговая система

Электрическая энергия обеспечивается однофазной сетью мощностью 60 Гц на 15 кВ через трансформатор kV/460 15 В. Вторичная система трансформатора соединена с полномостовым преобразователем переменного/постоянного тока с модуляцией ширины импульса (PWM), формирующим постоянное напряжение 750 В на ссылке постоянного тока. Это напряжение фильтруется фильтром, настроенным на вторую гармонику (120 Гц). Напряжение ссылки постоянного тока соединяется с управляемым ШИМ трехфазным двухуровневым преобразователем. Этот преобразователь генерирует переменное напряжение и частоту, необходимые для операции асинхронного двигателя с переменной скоростью. Преобразователь переменного/постоянного тока позволяет обратному потоку степени в течение периода торможения. Кинетическая энергия шины затем преобразуется в электрическую энергию и впрыскивается обратно в степень. В сложение, единица степени коэффициент операции возможны с помощью этого вида конвертера.

Приводом асинхронного двигателя с инвертором можно управлять с помощью различных схем в зависимости от применения, желаемой эффективности и сложности проектирования контроллера. Обычно используемые схемы являются скалярным управлением (В/Гц цикл управления или регулирование потока разомкнутого контура) или векторным управлением (векторное управление или прямое управление крутящим моментом). В этих схемах скорость двигателя управляется изменением частоты питания. В порядок развития оптимального крутящего момента без магнитного насыщения необходимо поддерживать постоянный поток воздушной погрешности вблизи номинального значения, чтобы напряжение сохранялось пропорциональным частоте. В нашем примере мы используем схему векторного управления (FOC).

Векторная теория управления

FOC является схемой управления для асинхронных двигателей, в которой d-q координат опорная система координат, заблокированная на векторе пространства потока двигателя, используется для достижения развязки между потоком двигателя и крутящим моментом. Следовательно, они могут отдельно управляться токами прямой оси и квадратурной оси статора, соответственно.

Рассмотрим упрощенную схему на рисунке, которая показывает магнитомотивные силы статора и ротора (MMFs) $F_s$ и $F_r$ в заданный момент.

Трехфазные обмотки статора и ротора представлены двумя однооборотными эквивалентными обмотками. MMFs $F_s$ и $F_r$ вращаются с синхронной скоростью, определяемой частотой питания. Получившаяся MMF ( $F$ вектор сумма и $F_s$ ) $F_r$ создает поток двигателя, который вращается с синхронной скоростью, как показано на рисунке.

Крутящий момент, развиваемый двигателем, задается:

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

где $F_r$ - MMF ротора, - $\phi$ поток мотора, - $\theta$ угол между и, $F_r$ и $\phi$ является $k$ константой, которая зависит от конструкции мотора. Это отношение указывает, что развиваемый крутящий момент является максимальным, когда он равен $\theta$ 90 степеням. Задачей схемы управления FOC является поддержание этого угла как можно ближе к 90 степеням и поддержание потока двигателя на его номинальном значении (за исключением случаев ослабления операции).

Рисунок ниже показывает принцип FOC. Векторы текущего пространства $I_s$ и $I_r$ представляют MMF $F_s$ и на $F_r$ предыдущем рисунке. Обратите внимание, что вектор пространства тока ротора $I_r$ перпендикулярен токам намагничивания, которые производят поток мотора.

Координаты ссылки правильно ориентированы. Ток прямой оси статора совмещен с потоком мотора, и ток квадратурной оси статора $i_{qs}$ перпендикулярен потоку мотора. Следовательно, потоком двигателя и крутящим моментом могут управлять компоненты тока статора $i_{ds}$ и, $i_{qs}$ соответственно.

Поток $\phi$ , показанный на рисунке, является общим потоком, произведенным в воздушном зазоре векторами пространства тока статора и ротора. $\phi = L_m (I_s + I_r)$ В теории FOC поток ротора $\phi_r$ используется вместо потока воздушной перегородки. $\phi$ Поток ротора $\phi_r$ очень близок к потоку воздушной перегородки. Единственное $\phi$ различие заключается в том, что включает $\phi_r$ небольшой поток,. - $Llr$ $I_r$ индуктивность утечек ротора. $\phi_r$ управляется для того, чтобы оставаться выровненным по оси D вращающейся системы координат так, чтобы и. $\phi_{rd} = \phi_r$ $\phi_{rq} = 0$

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

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

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

$\omega_{sl}$ определяется из исходного тока статора $i_{qs}ref$ и параметров двигателя и $L_m$ $Llr$ $R_r$ следующим 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 $\phi_r$ - редактирование ротора $L_m$ , - взаимная индуктивность, и $Ll_r$ - $R_r$ индуктивность и сопротивление утечки ротора. Постоянная времени ротора:

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

Редактирование ротора вычисляется следующим образом:

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

Ссылка q-составляющей статора $i_{qs}ref$ вычисляется из ссылки крутящего момента $T_{e}ref$ и редактирования ротора: $\phi_r$

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

Ток ссылки оси D статора $i_{ds}ref$ получается из редактирования потока ссылки: $\phi_{r}ref$

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

Векторное управление

Скорость двигателя $\omega_m$ и ссылка скорости $\omega_{ref}$ подаются на блок Speed Regulator, чтобы получить ссылку крутящего момента. $Te_{ref}$ Роль регулятора скорости состоит в том, чтобы поддерживать скорость двигателя равной ссылке скорости в установившемся состоянии, обеспечивая при этом быструю динамическую характеристику во время переходных процессов.

Вычисленная $i_{ds}ref$ и $i_{qs}ref$ текущая ссылки подаются в текущие регуляторы. Регуляторы обрабатывают измеренный и опорный токи, чтобы получить трехфазные опорные сигналы,. $Vref$ Сигналы в $Vref$ соединяются с ШИМ модулятором, который генерирует импульсы к инвертору мотора. Модулятор использует метод PWM вектора пространства со средним импульсом и частотой переключения 2 кГц.

Контроллер выпрямителя

Этот контроллер регулирует напряжение постоянного тока и поддерживает единый входной коэффициент степени. Он состоит из следующих основных блоков:

Система PLL & Measurements синхронизируется со вторичным напряжением трансформатора. Вторичное напряжение и ток измеряются и преобразуются в координаты d-q.
Регулятор Тока (внутренний цикл управления) состоит из двух ПИ-контроллеров для токов D и Q. Выходы контроллеров являются сигналами Vd и Vq, которые преобразуются в уставку Vref для генератора PWM. Ссылка Iq остается равной нулю, чтобы изменить коэффициент степени единицы. Ссылка Id обеспечивается внешним циклом управления напряжением.
Регулятор Напряжения (внешний цикл управления), который регулирует напряжение постоянного тока.

Опорный сигнал Vref соединяется с генератором PWM, который производит импульсы к полномостовому выпрямителю переменного/постоянного тока. Генератор использует основанный на несущей метод PWM с импульсным усреднением и частотой переключения 2340 (39 * 60) Гц.

Симуляция

Запустите симуляцию и наблюдайте форму волны на блоках Scope. Чтобы симулировать резкое изменение уклона дороги, на 3,5 секунде крутящий момент нагрузки понижается с 400 Н.м до 40 Н.м, и ссылка скорости понижается с 1000 об/мин до 750 об/мин. Поскольку троллейбусная шина идёт вниз по горе, кинетическая энергия преобразуется в электроэнергию асинхронным двигателем, который затем действует как генератор. Эта энергия возвращается в степень сетку через ссылку постоянного тока и однофазный преобразователь, который затем действует как инвертор. Обратите внимание, что активная степень противоположна (около минус 25 кВт при 3,5 с) в трассировке P (кВт), Q (кВар) блока Scope.

Симуляция в реальном времени

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

Откройте окно Configuration Parameters (или нажмите Ctrl + E), нажмите Генерация Кода и установите Системный целевой файл равным slrealtime.tlc .
Подключитесь к целевому объекту и на вкладке Real-Time нажмите Run on Target.

Затем ваша модель будет автоматически построена, развернута и выполнена на цели. В зависимости от целевой потоковой полосы, вам, вероятно, придется уменьшить количество сигналов, переданных в реальном времени от цели к хосту-компьютеру.

Документация