Ориентированное на поле управление диска асинхронного двигателя, используемого в системе наземного транспорта

Этот пример демонстрирует работу диска AC переменной скорости в системе тяги троллейбуса.

Система тяги

Электроэнергия предоставляется на 15 кВ, однофазная, цепная линия на 60 Гц через / 460-вольтовый трансформатор на 15 кВ. Вторичный трансформатор соединяется с модуляцией длительности импульса (PWM) полный мостовой преобразователь AC/DC, производящий напряжение постоянного тока 750 В на ссылке DC. Это напряжение отфильтровано фильтром, настроенным на вторую гармонику (120 Гц). Напряжение ссылки DC соединяется с PWM-управляемым, трехфазным, двухуровневым конвертером. Этот конвертер генерирует переменное напряжение и частоту, требуемую для работы переменной скорости асинхронного двигателя. Конвертер AC/DC позволяет потоку энергии инвертировать во время периода торможения. Кинетическая энергия шины затем преобразована в электроэнергию и ввела назад к энергосистеме. Кроме того, операция коэффициента мощности единицы возможна с этим видом конвертера.

Питаемым инвертором диском асинхронного двигателя можно управлять при помощи различных схем в зависимости от приложения, желаемой эффективности и сложности проектирования контроллера. Обычно используемые схемы являются скалярным управлением (Цикл управления V/Hz или управление потоком разомкнутого контура) или векторное управление (ориентированный на поле на управление или прямое управление крутящим моментом). В этих схемах скорость вращения двигателя контролируется путем изменения частоты предоставления. Для того, чтобы разработать оптимальный крутящий момент без магнитного насыщения, необходимо обеспечить постоянный поток воздушного зазора около номинальной стоимости так, чтобы напряжение было сохранено пропорциональным частоте. В нашем примере мы используем схему ориентированного на поле управления (FOC).

Ориентированная на поле теория управления

FOC является схемой управления асинхронных двигателей, в которых система координат координат d-q, заблокированная к моторному вектору пробела потока, используется, чтобы достигнуть разъединения между моторным потоком и крутящим моментом. Следовательно, ими могут отдельно управлять прямая ось статора и токи квадратурной оси, соответственно.

Рассмотрите упрощенную схему на рисунке, который показывает статору и ротору магнитодвижущие силы (MMFs) $F_s$ и $F_r$ в данный момент.

Статор и ротор трехфазные обмотки представлены двумя одно поворотами эквивалентные обмотки. MMFs $F_s$ и $F_r$ вращаются на синхронной скорости, определенной частотой предоставления. Получившийся MMF $F$ (векторная сумма $F_s$ и $F_r$ ) производит моторный поток, который вращается на синхронной скорости как показано на рисунке.

Крутящим моментом, разработанным двигателем, дают:

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

где $F_r$ ротор является MMF, $\phi$ является моторным потоком, $\theta$ является углом между $F_r$ и $\phi$ и $k$ является константой, которая зависит от моторной конструкции. Это отношение указывает, что разработанный крутящий момент максимален, когда $\theta$ равно 90 градусам. Проблема схемы управления FOC состоит в том, чтобы сохранить этот угол максимально близко до 90 градусов и обеспечить моторный поток по его номинальной стоимости (кроме во время ослабляющей поле операции).

Рисунок ниже показывает принцип FOC. Текущие векторы пробела $I_s$ и $I_r$ представляют MMFs $F_s$ и $F_r$ на предыдущем рисунке. Обратите внимание на то, что текущий вектор пробела ротора $I_r$ перпендикулярен намагничивающим текущим идентификаторам, который производит моторный поток.

Ссылочные координаты правильно ориентированы. Прямая ось статора текущие идентификаторы выравниваются с моторным потоком и текущей квадратурной осью статора $i_{qs}$ , перпендикулярна моторному потоку. Следовательно, моторным потоком и крутящим моментом может отдельно управлять статор текущие компоненты $i_{ds}$ и $i_{qs}$ , соответственно.

$\phi$ Показанный на рисунке поток является общим потоком, произведенным в воздушном зазоре статором и ротором текущие векторы пробела $\phi = L_m (I_s + I_r)$ . В теории FOC поток ротора $\phi_r$ используется вместо потока воздушного зазора $\phi$ . Поток ротора $\phi_r$ очень близок поток воздушного зазора $\phi$ . Единственная разница, это $\phi_r$ включает маленький поток $Llr$ . $I_r$ индуктивность утечки ротора. $\phi_r$ управляется для того, чтобы остаться выровненным с d-осью вращающейся системы координат так, чтобы $\phi_{rd} = \phi_r$ и $\phi_{rq} = 0$ .

Моторное положение потока $\theta_e$ требуется, чтобы преобразовывать координаты и сгенерировано от скорости ротора $\omega_m$ и частоты скольжения $\omega_{sl}$ .

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

где $p$ количество пар полюса. Расчет частоты скольжения $\omega_{sl}$ и ссылочных токов $i_{ds}ref$ и $i_{qs}ref$ требует, чтобы модель двигателя была реализована в контроллере.

$\omega_{sl}$ оценен из текущей ссылки статора $i_{qs}ref$ и параметры двигателя $L_m$ $Llr$ , и $R_r$ можно 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 $\phi_r$ потокосцепление ротора, $L_m$ является взаимной индуктивностью, и $Ll_r$ и $R_r$ является индуктивностью утечки ротора и сопротивлением. Постоянная времени ротора:

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

Потокосцепление ротора вычисляется можно следующим образом:

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

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

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

Текущая ссылка d-оси статора $i_{ds}ref$ получена из ссылки потокосцепления $\phi_{r}ref$ :

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

Ориентированное на поле управление

Частота вращения двигателя $\omega_m$ и ссылка скорости $\omega_{ref}$ питаются блок Speed Regulator, чтобы произвести ссылку крутящего момента $Te_{ref}$ . Роль регулятора скорости должна сохранить частоту вращения двигателя равной ссылке скорости в устойчивом состоянии при обеспечении быстрого динамического ответа во время переходных процессов.

Расчетные $i_{ds}ref$ и $i_{qs}ref$ текущие ссылки питаются текущие регуляторы. Регуляторы обрабатывают измеренные и ссылочные токи, чтобы произвести трехфазные опорные сигналы $Vref$ . Сигналы в $Vref$ соединяются с модулятором PWM, который генерирует импульсы к моторному инвертору. Модулятор использует вектор пробела метод PWM с усреднением импульса и переключающейся частотой 2 кГц.

Контроллер выпрямителя

Этот контроллер регулирует напряжение ссылки DC и обеспечивает фактор входной мощности единицы. Это состоит из следующих основных блоков:

Система PLL & Measurements синхронизируется со вторичным напряжением трансформатора. Вторичное напряжение и текущий измеряется и преобразовывается к координатам d-q.
Текущий Регулятор (внутренний цикл управления) состоит из двух ПИ-контроллеров для токов ID и IQ. Выходные параметры диспетчеров являются сигналами Vd и Vq, которые преобразовываются к опорному сигналу Vref для генератора PWM. Ссылка IQ сохранена равной нулю к achive коэффициент мощности единицы. Ссылка ID обеспечивается внешним циклом управления напряжения.
Регулятор Напряжения (внешний цикл управления), который регулирует напряжение ссылки DC.

Опорный сигнал Vref соединяется с генератором PWM, который производит импульсы, в-полной-мере-соединяет выпрямитель AC/DC. Генератор использует основанный на несущей метод PWM с усреднением импульса и переключающейся частотой 2 340 (39*60) Гц.

Симуляция

Запустите симуляцию и наблюдайте формы волны относительно блоков Осциллографа. Чтобы симулировать резкое изменение дорожного наклона, в 3,5 секунды, крутящий момент нагрузки продвинут по сравнению с 400 N.m к 40 N.m, и ссылка скорости продвинута по сравнению с 1 000 об/мин к 750 об/мин. Поскольку троллейбус спускается по выступу, кинетическая энергия преобразована в электроэнергию асинхронным двигателем, который затем действует в качестве генератора. Эта энергия возвращена в энергосистему через ссылку DC и однофазный конвертер, который затем действует в качестве инвертора. Отметьте реверсы активной мощности (вокруг минус 25 кВт в 3,5 с) в P (kW), Q (kVar) трассировка блока Scope.

Симуляция в реальном времени

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

Откройте окно Configuration Parameters (или нажмите Ctrl+E), нажмите Code Generation и установите Системный конечный файл на slrealtime.tlc .
Соединитесь с целью и, во вкладке Real-Time, нажмите Run on Target.

Ваша модель будет затем автоматически создана, развернута и выполнена на цели. В зависимости от вашей целевой полосы пропускания потоковой передачи вам, вероятно, придется сократить количество сигналов, переданных в режиме реального времени от цели до хоста - компьютера.

Документация