主要内容

电力驱动模型

电气驱动模型是为来自许多学科的工程师设计的，他们希望在他们的系统模拟中轻松准确地结合电气驱动。该界面以系统外观的拓扑结构显示所选驱动器的参数，从而简化了用户可能想要对默认值进行的调整。然后，他们可以无缝地使用任何其他工具箱或区块集来分析电力驱动与其系统相互作用的时间或频率行为。当一个强大的驱动器必须小心操作，而不忽略一侧负载和另一侧电源的操作限制时，这些模型是最有帮助的。一个很好的例子是混合动力汽车的电力驱动系统，当刹车时，它可以在几毫秒内从驱动车轮到给电池充电。

工程师和科学家可以轻松地使用工业和运输系统中使用的7个典型的直流(DC)驱动器，8个交流(AC)驱动器提供更高效和多功能的电机，从牵引到定位设备，以及用于连接到电机的轴和减速器模型(由Simulink制成的负载模型)金宝app®块。模型的附加价值是保证电机、功率转换器和控制系统有效性的参数。特别关注电机模型，将模型的行为与主要制造商公布的数据进行比较。模型中提供了大量典型驱动器的示例或案例研究。希望典型的用户系统与这些分析的系统相似，从而节省构建实际系统的时间，并在分析中提供一个已知的参考点。

要访问电动驱动器模型，在MATLAB®命令提示符，输入:

electricdrivelib

什么是电动驱动?

一个电传动是一种以可调速度将电能转换为机械能的系统。这就是为什么电驱动也被称为可调速驱动器(ASD)。此外，电力驱动始终包含电流(或转矩)调节，为电机提供安全的电流控制。因此，电力驱动扭矩/速度在稳态下能够匹配任何机械负载的扭矩/速度特性。这种电机与机械负载匹配意味着更好的能源效率，并导致更低的能源成本。此外，在加速和减速的瞬态期间，电动驱动提供了快速的动态，并允许软启动和软停止。

越来越多的应用要求扭矩和速度变化以匹配机械负载。电动交通工具、电梯、计算机磁盘驱动器、机床和机器人都是高性能应用的例子，在这些应用中，所需的运动与时间曲线必须非常精确地跟踪。泵、风扇、输送机和暖通空调是中等性能应用的例子，其中变速运行意味着节能。

电力驱动元件

电传动装置由以下主要部件组成:

  • 电动马达

  • 电力电子变换器

  • 驱动控制器

这张图显示了电力驱动器的基本拓扑结构。

电力驱动基本拓扑

马达用于电力驱动的是直流电(DC)或交流电(AC)电机。电机的类型定义了电驱动的分类为直流电机驱动和交流电机驱动。

电力电子转换器从电源产生可变的交流电压和频率。根据电力驱动的类型，有许多类型的转换器。直流电机驱动器基于相控整流器(AC-DC转换器)或斩波(DC-DC转换器)，而交流电机驱动器使用逆变器(DC-AC转换器)或环转换器(AC-AC转换器)。所有电力电子变换器的基本部件都是电子开关，它要么是半可控的(可控通态)，如晶闸管的情况，要么是完全可控的(可控通态和关态)，如IGBT(绝缘栅双极晶体管)和矩形脉冲断开(闸关可控硅)块。电子开关的可控特性是什么允许转换器产生可变的交流电压和频率。

驱动控制器的目的是将所需的驱动转矩/速度剖面转换为电子功率转换器的触发脉冲，同时考虑传感器反馈的各种驱动变量(电流、速度等)。为了完成这种转换，控制器首先基于电流(或转矩)调节器。电流调节器是强制性的，因为它通过精确控制电机电流来保护电机。如果驱动器处于扭矩调节模式，则该调节器的设定点(SP)可以从外部提供，如果驱动器处于调速模式，则可以从内部由速度调节器提供。在电动驱动模型中，速度调节器与电流调节器串联在一起，并基于PI控制器，具有三个重要特征:

  • SP的变化率是有限的，以便期望的速度逐渐斜坡到SP，以避免突然的阶跃变化。

  • 速度调节器输出，即当前调节器的SP，受最大和最小上限限制。

  • 积分项也有限制，以避免缠绕。下图为基于PI控制器的速度控制器框图。

基于PI控制器的调速器

Multiquadrant操作

对于每种电驱动应用，要驱动的机械负载都有一组特定的要求。电力驱动的扭矩/速度可能性可以表示为由四个象限组成的速度与扭矩图。在第一象限，电扭矩和速度标志都是正的，表明向前行驶，因为电扭矩是在运动的方向上。在第二象限，力矩符号为负，速度符号为正，表示前向制动，因为力矩与运动方向相反。在第三象限，电动扭矩和速度标志都是负的，表明反向行驶。在第四象限，电动扭矩符号为正，速度为负，表示反向制动。驱动制动由制动斩波器(动态制动)或双向功率流(再生制动)处理。

这张图说明了四象限操作电驱动器的区域。每个象限都有一个从0到+/-公称速度ω的恒定扭矩区域b从ω开始，转矩与速度成反比减小的区域b到最大速度ω马克斯．这第二区域是一个恒定功率区域，是通过降低电机磁通量获得的。

电力驱动的四象限操作

平均值模型

电气驱动模型允许两个级别的模拟-详细模拟或平均值模拟。详细的模拟使用通用桥块来表示整流和逆变器控制驱动器的详细行为。这种仿真级别需要较小的仿真时间步长来实现驱动器的高频电信号组件的正确表示。

平均值模拟采用功率变换器的平均值模型。在平均值模式下进行模拟时，驱动电动机的功率变换器的输入和输出电流和电压表示实际电流和电压的平均值。通过这样做，高频分量不表示，模拟可以使用更大的时间步长。每个功率转换器的平均值模型在文档中描述了每个直流或交流模型类型。驱动器中在平均值水平上使用的时间步长通常可以增加到模型中使用的最小控制器采样时间。例如，如果驱动器对当前环使用20 μs的时间步长，对速度环使用100 μs的时间步长，那么在平均值模式下的仿真时间步长可以增加到20 μs。每个模型的文档中都给出了仿真时间步长指南。