Симулируйте диск двигателя постоянного тока

Семь моделей диска DC, обозначенный DC1 к DC7, основаны на двигателе кисти DC. Как в любом электродвигателе, двигатель кисти DC состоит из (зафиксированной) части статора и ротора (подвижная) часть. Двигатель кисти DC также имеет два типа обмоток — возбуждение или обмотка возбуждения и обмотка арматуры. Когда имя подразумевает, обмотка возбуждения используется, чтобы произвести магнитное поле возбуждения в двигателе, тогда как обмотки арматуры несут вызванный моторный ток. Поскольку постоянная времени (L/R) схемы арматуры намного меньше, чем та из обмотки возбуждения, контролируя скорость путем изменения напряжения якоря быстрее, чем изменение полевого напряжения. Поэтому поле возбуждения питается из постоянного источника напряжения постоянного тока, в то время как обмотки арматуры питаются переменным источником постоянного тока. Последний источник производится управляемым фазой тиристорным конвертером для DC1 к моделям DC4 и транзисторным прерывателем для DC5, DC6 и моделей DC7. Тиристорный конвертер питается однофазным источником переменного тока для DC1 и DC2 и трехфазным источником переменного тока для DC3 и DC4. Наконец, модели DC могут работать в наборах квадрантов.

Модель	Тип конвертера	Квадранты операции
DC1	Однофазный тиристорный конвертер	I-II
DC2	Однофазный тиристорный конвертер	Я II III IV
DC3	Трехфазный тиристорный конвертер	I-II
DC4	Трехфазный тиристорный конвертер	Я II III IV
DC5	Прерыватель	I
DC6	Прерыватель	I-II
DC7	Прерыватель	Я II III IV

Регенеративное торможение

Операция в квадрантах II и IV соответствует прямому и противоположному торможению, соответственно. Для моделей DC это торможение является регенеративным, означая, что кинетическая энергия системы моторной загрузки преобразована в электроэнергию и возвращена в источник питания. Этот двунаправленный поток энергии получен путем инвертирования связей двигателя, когда ток становится пустым (DC1 и DC3) или при помощи второго конвертера (DC2 и DC4). Оба метода позволяют инвертировать моторный ток для того, чтобы создать электрический крутящий момент напротив направления движения. Питаемые прерывателем модели диска DC (DC5, DC6, DC7) производят регенеративное торможение подобными способами.

Пример: тиристорный основанный на конвертере диск двигателя постоянного тока

Пример использует модель DC3 с набором параметров двигателя постоянного тока на 200 л. с. во время регулирования скорости. Блок DC3 моделирует 2D квадрантный трехфазный тиристорный диск конвертера. Двигатель соединяется с загрузкой и управляется к ее номинальной скорости на 1 750 об/мин.

Откройте DC3_example путем ввода dc3_example в MATLAB^® подсказка. В этом примере вы управляете двигателем постоянного тока на 200 л. с. 500-вольтового номинального напряжения якоря. Среднее выходное напряжение ${\hat{V}}_{o u t}$ из трехфазного тиристорного выпрямителя мостом дают
${\hat{V}}_{o u t} = \frac{3 \sqrt{2} \cdot V_{l, r m s}}{π} \cdot \cos α$
где $V_{l, r m s}$ значение напряжения RMS от фазы к фазе трехфазного источника напряжения, и α является значением угла зажигания тиристоров. Для лучшего управления напряжением обычно накладывается более низкое ограничение угла включения, и максимальным средним выходным напряжением, доступным от выпрямительного моста, таким образом дают
${\hat{V}}_{o u t, \max} = \frac{3 \sqrt{2} \cdot V_{l, r m s}}{π} \cdot \cos α_{\min}$
где _αmin является более низким пределом угла включения. В нашем случае более низкий предел угла включения, используемый в модели DC3, является 20 градусами. С таким угловым значением и для того, чтобы иметь максимальное среднее значение выходного напряжения 500 В, чтобы управлять двигателем на 200 л. с. к его номинальной скорости, необходимое значение напряжения RMS от фазы к фазе, данное предыдущим уравнением, составляет 370 В. Принятие диска соединяется с американской электрической сетью, самое близкое стандартное значение напряжения составляет 460 В.

Установите значение напряжения RMS от фазы к фазе источника переменного тока к 460 В и частоту к 60 Гц. Назовите источник переменного тока 460 V 60 Hz.

Обратите внимание на то, что исходная амплитуда напряжения и значения частоты, необходимые для каждой модели диска моделей Electric Drives, могут быть найдены в ссылочных заметках. Номинальная стоимость соответствующих двигателей также включена. Таблица содержит значения, соответствующие модели на 200 л. с. DC3.

Управляйте входным напряжением	Амплитуда	460 В
Управляйте входным напряжением	Частота	60 Гц
Моторная номинальная стоимость	Степень	200 л. с.
	Скорость	1 750 об/мин
	Напряжение	500 В

Для того, чтобы представлять реальный трехфазный источник, необходимо задать правильное исходное сопротивление R и индуктивность значения L. Чтобы определить их, каждый обычно использует значение степени короткой схемы _Psc и данный X /R отношение, где $X = L \cdot ω$ , ω, являющийся угловой частотой источника напряжения. Как показывает опыт, степень короткой схемы, поглощенная исходным импедансом, как предполагается, по крайней мере в 20 раз больше, чем номинальная степень диска, и X/R отношение обычно близко к 10 для промышленных предприятий.

Значение исходного импеданса Z получено

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

где V является значением напряжения RMS от фазы к фазе источника напряжения. Для высокого X /R отношение r, исходное сопротивление R приблизительно равен

R = \frac{Z}{r}

(1)

и исходная индуктивность L к

L = \frac{Z}{ω}

(2)

В этом примере напряжение RMS от фазы к фазе стоит 460 В, и исходная частота составляет 60 Гц. Если мы приходим к власти короткой схемы 25 раз номинальной степени диска, мы находим исходный импеданс 0,056 Ω. Для X /R отношение 10, с помощью уравнения 1 и уравнения 2, мы находим значение сопротивления 0,0056 Ω и значение индуктивности 0,15 мГн.

Снимите флажок Specify impedance using short-circuit level и установите значение сопротивления источника переменного тока к 0,0056 Ω и индуктивность к 0,15 мГн.

Соедините модель DC3 с механической загрузкой

Вход Tm представляет крутящий момент нагрузки, применился к валу двигателя постоянного тока. Если значения крутящего момента нагрузки и скорости будут иметь противоположные знаки, ускоряющий крутящий момент будет суммой электромагнитных и крутящих моментов нагрузки. Много крутящих моментов нагрузки пропорциональны скорости управляемой загрузки такой, как представлено уравнением

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

(3)

где _ωm является скоростью в rad/s и N скорость в об/мин. Вы теперь создадите такую загрузку.

Чтобы вычислить этот тип механического крутящего момента нагрузки, скорость двигателя постоянного тока необходима. Этот может быть получен при помощи выходных параметров модели DC3. Все модели диска имеют четыре выходных вектора: Двигатель, Conv., Ctrl и Wm. Моторный вектор содержит все связанные с двигателем переменные, вектор Conv. содержит все напряжение конвертера и текущие значения, вектор Ctrl содержит все регулирование важные значения, такие как скорость или опорные сигналы крутящего момента, скорость или ошибка регулирования крутящего момента, значение угла зажигания, и так далее, и Wm является частотой вращения двигателя в rad/s. Все описания операции ввода-вывода доступны на странице с описанием каждой модели.

Частота вращения двигателя (Wm) может быть умножена на постоянный K уравнения 3, чтобы получить сигнал крутящего момента нагрузки, который будет соединен с входом Tm модели DC3:

Создайте подсистему после и назовите ее Linear load torque.
Постоянный K может быть вычислен, зная на номинальной скорости, двигатель должен разработать номинальный крутящий момент. Как показано в таблице, которая содержит значения, соответствующие модели на 200 л. с. DC3, двигатель постоянного тока, используемый в этой симуляции, имеет номинальную скорость _Nm,n 1 750 об/мин. Начиная с номинальной механической выходной мощности _Pm,n двигателя составляет 200 л. с., номинальный механический крутящий момент нагрузки_{, Tmec,n} может быть вычислен после уравнения 4 (где вязким трением пропускают),
$P_{m, n} = T_{m e c, n} \cdot ω_{m, n} = T_{n} \cdot \frac{π \cdot N_{m, n}}{30}$ (4)
где _ωm,n является номинальной скоростью в rad/s. Используя это уравнение, мы находим номинальный механический крутящий момент 814 N.m. Наконец уравнение 3 дает нам значение K 4,44.
Установите постоянное значение блока Linear load torque к 4.44.
Соедините ввод и вывод блока Linear load torque к входу Wm и Tm блока DC3, соответственно.

Задайте сетбол

Вход сетбола модели DC3 может или быть значением скорости (в об/мин) или значением крутящего момента (в N.m) в зависимости от режима регулирования (скорость или закрутить регулирование). В этом примере мы будем устанавливать блок DC3 в режиме регулирования скорости и управлять двигателем постоянного тока на 200 л. с. к его номинальной скорости 1 750 об/мин.

Замените блок, который соединяется с входом SP блока DC3 блоком Constant.
Соедините блок Constant с входом сетбола модели DC3 и назовите его Speed reference.
Установите сетбол на 1 750 об/мин.

Визуализируйте внутренние сигналы

Необходимо теперь использовать модель DC3 выходные параметры, чтобы визуализировать интересные сигналы с осциллографом. Предположим, что необходимо визуализировать следующие сигналы:

Тиристорный угол включения моста
Моторное напряжение якоря
Моторный ток якоря и ссылка
Ссылка скорости и частота вращения двигателя

Обратите внимание на то, что все описания операции ввода-вывода модели могут быть найдены в соответствующих ссылочных заметках. Посмотрите под маской блока DC3, чтобы видеть, какие сигналы соединяются с DC3 выходные параметры. Во вкладке Block нажмите Look Under Mask.

Как вы видите ниже, угол включения содержится в выходном векторе Ctrl. Угол включения Альфа (см. ссылочные заметки блока DC3) является вторым элементом этого вектора.

Моторный вектор (показанный на следующем рисунке) содержит три из необходимых сигналов. Напряжение якоря и текущие сигналы являются первыми и третьими элементами, соответственно. Скорость является вторым элементом Моторного вектора.

Наконец, текущие опорные сигналы и опорные сигналы скорости являются первыми и четвертыми элементами вектора Ctrl, соответственно (см. следующую фигуру). Обратите внимание на то, что Касательно сигнала в блоке Regulation switch была бы ссылка крутящего момента в режиме регулирования крутящего момента.

Внутренний текущий мост и сигналы напряжения может быть извлечен через Conv. выход, который соединяется с мультиметром выход. Путем нажатия на блок Multimeter можно выбрать сигналы конвертера, которые что вы хотите вывести. Обратитесь к странице с описанием блока Multimeter для получения дополнительной информации о том, как использовать блок Multimeter.

Установите среду симуляции Фиксированного Шага

Для того, чтобы симулировать вашу систему, необходимо теперь задать правильный шаг времени симуляции и установить опцию решателя фиксированного шага. Рекомендуемые значения шага расчета для дисков DC, дисков AC и механических моделей могут быть найдены в разделах Комментариев соответствующих страниц с описанием блока. Рекомендуемый шаг расчета для модели DC3 составляет 5 мкс.

Во вкладке Simulation powergui нажмите Model Settings. Выберите Solver. Под Solver selection выбирают fixed-step и discrete (no continuous states). Установите время остановки на 12 секунды.

Прежде, чем симулировать вашу схему, необходимо сначала установить правильные внутренние параметры DC3.

Установите мощный набор параметров диска

Много моделей Electric Drives имеют два набора параметров: набор малой мощности и мощный набор. По умолчанию все модели первоначально загружаются с набором малой мощности. Параметры модели DC3 в настоящее время загружены в DC_example те из диска на 5 л. с.

Вы теперь установите мощные параметры диска, которые являются теми из диска на 200 л. с.

Откройте блок DC3.
Параметры разделены после трех основных частей системы приводов: параметры двигателя (вкладка DC Machine), параметры конвертера (вкладка Converter) и параметры регулирования контроллера диска (вкладка Controller).
Чтобы загрузить параметры на 200 л. с., нажмите кнопку Load.
Когда вы нажимаете кнопку Load, окно, содержащее малую мощность и мощные файлы параметра каждой модели AC and DC, появляется. Эти файлы содержат все параметры, используемые графическим интерфейсом пользователя. Имя каждого файла начинается с имени модели, сопровождаемого значением степени. Версию на 200 л. с. DC3 таким образом называют dc3_200hp_params.
Выберите dc3_200hp_params.mat файл и нажимает Load.

Параметры на 200 л. с. теперь загружаются. Обратите внимание на то, что можно также сохранить пользовательские параметры диска при помощи кнопки Save. Когда вы делаете так, ваши пользовательские параметры сохранены в формате MAT-файла и могут быть перезагружены в любое время.

Установите значение инерции двигателя

Вся инерция по умолчанию электроприводов является инерцией “без загрузок”, которая только представляет инерцию ротора. Когда двигатель связывается с загрузкой, параметр инерции вкладки DC Machine представляет объединенную инерцию ротора и управляемой загрузки. В этом примере инерция без загрузок двигателя на 200 л. с. DC3 является 2.5 kg*m^2. Поскольку диск непосредственно связывается с загрузкой, необходимо увеличить это значение инерцией загрузки. Предположим, что новая объединенная инерция составляет 15 kg*m^2.

В разделе DC Machine диалогового окна измените значение инерции в 15 kg*m^2.
Нажмите OK, чтобы применить изменения и закрыть диалоговое окно.

Установите параметры контроллера DC3 и результаты симуляции

Скорость и токовые контроллеры блока DC3 оба состоят из пропорционально-интегрального регулятора. Можно найти детали о регуляторах каждой модели диска на соответствующих страницах с описанием блока. Пользовательский интерфейс каждой модели содержит схематический из контроллера диска внутренняя структура.

Откройте блок DC3. Кликните по вкладке Controller и затем кнопке Schematic.
Все параметры регулирования по умолчанию (скорость и параметры токового контроллера) были обрезаны для инерции “без загрузок”. Поскольку инерция была изменена, некоторые изменения должны быть внесены в контроллере скорости. Токовый контроллер не должен быть изменен, изменение инерции, имеющей мало влияния на текущее управление.
Для того, чтобы визуализировать изменения, которые должны быть внесены, запустить симуляцию существующей схемы.
Запустите симуляцию. Результаты симуляции, визуализируемые на осциллографе, показывают ниже.
Ток якоря следует за своей ссылкой, но насыщает на уровне 450 А во время ускоряющей фазы. Это насыщение является результатом предела ссылки токового контроллера 1.5 pu, который в свою очередь вызывает недостаточный ускоряющий крутящий момент. Двигатель не может следовать за изменением скорости по умолчанию на 650 об/мин/с. Поскольку ускоряющий крутящий момент не может быть увеличен, чтобы избежать перегорания схемы арматуры, изменение скорости должно быть понижено то же самым значением, что инерция была увеличена. Если вы уменьшаете изменение скорости $\dot{ω}$ суммой, равной увеличению инерции, можно получить тот же крутящий момент по сравнению с кривой скорости (или текущий по сравнению со скоростью) как значение по умолчанию, полученное с 2.5 инерцией kg*m^2 с помощью новой инерции I.
$T_{e m} (ω) = I \cdot \dot{ω} + T_{m e c} + B \cdot ω = I \cdot \dot{ω} + K^{'} \cdot ω + B \cdot ω$
$B \cdot ω$ термин представляет вязкое трение в диске, где B является коэффициентом вязкого трения.
В этом случае мы уменьшаем изменение скорости немного меньше, чем увеличение инерции для того, чтобы иметь достаточно высокое ускорение и установить его на 200 об/мин/с.
Откройте блок DC3. В разделе Controller, установленном ускоряющий параметр изменения скорости контроллера скорости меню к 200 rpm/s.
Запустите симуляцию и наблюдайте новые результаты относительно осциллографа.
Действующее постановление очень хорошо, и никакие текущие изменения регулятора не будут предприняты. Регулирование скорости является удовлетворительным, но некоторые улучшения могут быть сделаны: начальное отслеживание ссылки скорости может быть быстрее, и перерегулирование скорости и маленькая скорость, сползающая, ошибка, с которой сталкиваются во время ускоряющейся фазы, может уменьшаться. Модификация пропорционального и интегральные составляющие регулятора скорости PI позволяют вам достигать этих целей:
- Путем увеличения пропорциональной составляющей контроллера скорости вы увеличиваете чувствительность диспетчера, потому что это реагирует намного быстрее на небольшие ошибки регулирования скорости. В результате начальное отслеживание ссылки скорости улучшено, потому что текущая ссылка, выпущенная контроллером скорости, реагирует быстрее.
- Увеличение интегральной составляющей позволяет частоте вращения двигателя догонять пандус ссылки скорости намного быстрее в сползающие периоды, ведя к более быстрой реакции на маленькие термины интеграла скоростной погрешности, которые происходят, когда сигнал отрегулирован после пандуса. Контроллер будет реагировать для того, чтобы уменьшить интеграл скоростной погрешности намного быстрее путем создания немного более высокого ускоряющего крутящего момента при следовании за линейным ускорением.
Слишком высокое увеличение пропорционального и интегральных составляющих может вызвать нестабильность, контроллер, становящийся щепетильным. Слишком высокие усиления могут также вызвать текущее насыщение. Простой способ настроить контроллер скорости, усиления должны увеличить их шаг за шагом и симулировать новую настройку после каждого изменения до желаемых производительностей системы, получен (метод испытания/ошибки).
Когда токовый контроллер должен быть обрезан, хороший способ достигнуть, это должно сохранить ротор все еще путем устанавливания очень высокого объединенного значения инерции. Это позволяет разъединение электрических и механических параметров. Вы затем настраиваете параметры токового контроллера, пока ток не следует за данными текущими ссылками отлично. Тот же процесс применяется к текущему регулятору как к сделанным выше для регулирования скорости. Если текущий регулятор обрезается, можно затем обрезать регулятор скорости путем сброса объединенной инерции к ее начальному значению.
Попробуйте различные значения регулятора скорости и наблюдайте получившиеся изменения в системной динамике. Пропорциональная составляющая 80 и интегральная составляющая 200 дают очень хорошие результаты, как показано.

Значение угла зажигания понижается с увеличением скорости для того, чтобы сгенерировать растущее выходное напряжение конвертера. Конвертер здесь работает в режиме выпрямителя, степень, передающая транзитом с источника переменного тока на двигатель постоянного тока. Увеличение напряжения позволяет конвертеру держать питание в курсе двигателя постоянного тока во время ускоряющей фазы, напряжение якоря, увеличивающееся пропорционально со скоростью. Текущее увеличение, наблюдаемое во время этой фазы, происходит из-за увеличивающегося крутящего момента, отклоненного загрузкой. Вокруг t = 8,5 с, скорость достигает своего сетбола, и ток якоря понижается приблизительно к 335 А, поскольку больше ускоряющего крутящего момента не необходимо.

Прежде, чем завершить этот пример, заметьте два фильтра первого порядка, используемые в скорости и схемах токового контроллера в контроллере схематическая фигура. Эти фильтры удаляют нежелательный ток и гармоники скорости в токе и сигналах измерения скорости. Эти гармоники вызываются исправленными выходными напряжениями трехфазных полных конвертеров. Основная частота пульсации, введенная трехфазным полным конвертером, равна шесть раз исходной частоте напряжения (6-я гармоника). В случае этого примера первая гармоническая частота таким образом равна 360 Гц. Частота среза фильтров первого порядка должна, по крайней мере, быть ниже, чем 360 Гц. Поскольку фильтры являются фильтрами первого порядка, частота среза должна быть намного ниже, чтобы иметь довольно хорошее гармоническое отклонение. Следует иметь в виду, что слишком низкая частота среза может вызвать неустойчивость системы. В случае дисков прерывателя как DC5, DC6 и DC7, основная частота равна частоте PWM.

Симулируйте в режиме среднего значения

Большинство моделей диска может быть симулировано в режиме среднего значения. В таком режиме блоки Universal Bridge, используемые, чтобы симулировать конвертеры степени, управляющие двигателями, заменяются конвертерами среднего значения. Используемые модели конвертера среднего значения описаны на страницах с описанием каждой модели диска. Это позволяет вам увеличить шаг времени симуляции и таким образом увеличить скорость симуляции.

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

Откройте блок DC3. Выберите Average опция в Model detail level выпадающий список.
Выберите раздел Converter.
Заметьте, что это 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 может быть увеличен временной шаг для того, чтобы запустить более быстрые симуляции. Инструкция должна увеличить временной шаг до самого маленького времени выборки контроллера, используемого в модели. В этом случае время выборки является тем же самым для скорости и токовых контроллеров и равно 100 мкс.
Откройте блок powergui. Установите Simulation type на Discrete. Установите шаг расчета на 100 мкс. Запустите симуляцию.
Заметьте, что время симуляции уменьшается. Наблюдайте результаты симуляции: выходное напряжение выпрямителя и текущие пульсации не представлены, вы видите только среднее значение этих сигналов. Если вы позже попытаетесь визуализировать текущий вход, вы будете только видеть основной компонент на 60 Гц подробного тока.

Документация