模拟变速电机控制
交流电机的变速控制使用强制换向电子开关,如igbt, mosfet和gto。异步电机脉宽灯(PWM)电压源变换器(VSC)正在逐渐取代直流电动机和晶闸管桥。使用PWM,结合现代控制技术,如面向场控制或直接转矩控制,您可以获得与直流电机相同的速度和转矩控制灵活性。本教程展示如何构建一个简单的开环交流驱动器控制异步机器。Simscape™电气™专用电力系统包含预先构建的模型,使您能够模拟电力驱动系统,而不需要自己构建这些复杂的系统。有关更多信息,请参见电力驱动模型.
的Simscape>电>专用电力系统>电机库包含四个最常用的三相电机:简化和完整的同步电机,异步电机,永磁同步电机。每台机器都可以在发电机或电机模式下使用。结合线性和非线性元素,如变压器、线路、负载、断路器等,它们可用于模拟电力网络中的机电暂态。它们还可以与电力电子设备相结合来模拟驱动器。
的Simscape>电>专用电力系统>电力电子库包含块,允许您模拟二极管,晶闸管,GTO晶闸管,mosfet和IGBT设备。你可以把几个块连接在一起,形成一个三相桥。例如,一个IGBT逆变器桥需要6个IGBT和6个反平行二极管。
为了便于桥接的实现,通用桥Block自动为您执行这些互连。
PWM电机驱动的构建与仿真
按照以下步骤建立一个pwm控制电机的模型。
组装和配置模型
类型
power_new
在命令行中打开一个新模型。将模型另存为power_PWMmotor
添加一个通用桥从Simscape>电>专用电力系统>电力电子图书馆
在参数的设置通用桥块,设置电力电子设备参数
IGBT /二极管
.添加一个异步电机SI单位从Simscape>电>专用电力系统>电机图书馆
的参数异步电机SI单位按如下方式阻挡。
设置 参数 价值 配置 转子类型 鼠笼式
参数 标称功率、电压(线路)、频率[Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz)] [3*746 220 60]
定子电阻和电感[Rs(欧姆)Lls(H)] (1.115 - 0.005974)
转子电阻及电感[Rr'(欧姆)Llr'(H)] (1.083 - 0.005974)
互感Lm (H) 0.2037
惯性、摩擦因数、极点对[J(kg.m^2) F(N.m.s) p()] [0.02 0.005752 2]
[slip, th(deg), ia,ib,ic(A), pha, phb, phc(deg)] [1 0 0 0 0 0 0 0 0]
将标称功率设置为
3 * 746
VA和标称线对线电压Vn到220
Vrms实现了一个3马力,60赫兹的机器与两对极点。因此,标称速度略低于同步速度1800转/分,或w年代= 188.5 rad/s。设置转子类型参数
鼠笼式
,隐藏输出端口,一个,b,c,因为这三个转子端子通常在电机正常运行时一起短路。访问内部信号异步电机布洛克:
装载和驱动电机
实现电机负载的转矩-转速特性。假设是二次转矩-转速特性(风扇或泵型负荷)。,扭矩T与速度的平方成正比ω。
电机的公称转矩为
因此,常数k应该是
添加一个MATLAB解释函数从金宝app>用户定义函数图书馆。双击功能块,输入扭矩与速度的关系表达式:
3.34 * u ^ 2的军医
.将功能块的输出连接到扭矩输入端口,Tm,机器块。
添加一个直流电压源从Simscape>电>专用电力系统>来源图书馆。在参数块的设置振幅(V)参数,指定
400
.的名称电压测量块
还有VAB
.添加一个地面从Simscape>电>专用电力系统>被动者图书馆。如图所示连接电源元件和电压传感器块
power_PWMmotor
模型。
用脉冲发生器控制逆变电桥
要控制逆变器桥,使用脉冲发生器。
添加一个PWM发生器(2级)从Simscape>电>专用电力系统>电力电子>电力电子控制图书馆。您可以配置转换器在开环中工作,并且三个PWM调制信号是在内部生成的。将P输出端连接到脉冲输入端通用桥块
打开PWM发生器(2级)对话框,按如下参数配置。
发电机类型
三相电桥(6脉冲)
操作模式
不同步的
频率
18*60Hz (1080hz)
初始阶段
0度
最小值和最大值
[1]
抽样技术
自然
内部产生参考信号
选择
调制指数
0.9
参考信号频率
60赫兹
参考信号阶段
0度
样品时间
10 e-6年代
该块已被离散化,以便脉冲以指定时间步长的倍数变化。10µs的时间步长对应于1080 Hz开关周期的+/- 0.54%。
产生PWM脉冲的一种常用方法是比较输出电压来合成开关频率(1080 Hz)的三角形波(在本例中为60 Hz)。线对线RMS输出电压是直流输入电压和调制指数的函数米如下式所示:
因此,400 V的直流电压和0.90的调制因子产生220 Vrms的输出线对线电压,这是异步电机的标称电压。
显示信号和测量基本电压和电流
用连续积分算法模拟PWM电机驱动
设置停止时间为1
然后开始模拟。打开模拟数据检查器看看这些信号。
电机启动并在0.5秒后达到181 rad/s (1728 rpm)的稳态速度。在启动时,60hz电流达到90a的峰值(64a RMS),而其稳态值为10.5 A (7.4 A RMS)。正如预期的那样,斩波中包含的60 Hz电压的幅度保持在
还要注意启动时电磁转矩的强烈振荡。如果放大稳态扭矩,应该观察到一个均值为11.9 N.m的噪声信号,对应于名义转速下的负载扭矩。
如果放大三个电机电流,可以看到所有谐波(1080 Hz开关频率的倍数)都被定子电感滤波,因此60 Hz分量占主导地位。
PWM电机驱动;电机全电压起动仿真结果
使用万用表块
的通用桥Block不是一个传统的子系统,其中所有六个单独的交换机都是可访问的。如果要测量开关的电压和电流,必须使用万用表Block,用于访问桥接内部信号:
正如预期的那样,开关1和开关2的电流是互补的。正电流表示电流在IGBT中流动,而负电流表示电流在反平行二极管中流动。
离散化PWM电机驱动
您可能已经注意到,使用可变步长积分算法的模拟比较长。根据您的计算机,模拟一秒可能需要数十秒。为了缩短仿真时间,可以将电路离散化,并以固定的仿真时间步长进行仿真。
在模拟选项卡上,单击模型设置.选择解算器.下解算器的选择,选择固定步
而且离散(无连续状态)
选项。打开powerguiBlock和set仿真类型来离散
.设置样品时间来10 e-6
s.电力系统,包括异步电机,现在以10µs的采样时间离散化。
开始模拟。观察到现在的模拟比连续系统快。结果与连续系统相比有较好的一致性。
使用FFT工具进行谐波分析
这两个傅里叶块允许在模拟运行时计算电压和电流的基本成分。如果你想观察谐波分量,你还需要一个傅里叶每个谐波块。这种方法不方便。
添加一个范围控件的输出端连接到模型VAB电压测量块。在范围块,日志数据到工作空间作为一个结构与时间。开始模拟。现在使用powergui的FFT工具来显示电压和电流波形的频谱。
模拟完成后,打开powergui并选择FFT分析.打开一个新窗口。设置分析信号、时间窗口和频率范围的参数,如下所示:
的名字 |
|
输入 |
|
信号数 |
|
开始时间 |
|
循环次数 |
|
显示 |
|
基频 |
|
最大频率 |
|
频率轴 |
|
显示风格 |
|
分析后的信号显示在上面的窗口中。点击显示.频谱显示在底部窗口中,如下图所示。
电机线电压的FFT分析
Vab电压的基本分量和总谐波失真(THD)显示在频谱窗口上方。逆变器电压(312 V)的基本值与理论值(311 V时m=0.9)比较良好。
谐波以基本分量的百分比表示。正如预期的那样,谐波出现在载频的倍数(n*18 +- k)附近,最高谐波(30%)出现在16次谐波(18 - 2)和20次谐波(18 + 2)。