主要内容

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

Simscape>>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。

Simscape>>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

  1. 类型power_new在命令行中打开一个新模型。将模型另存为power_PWMmotor

  2. 添加一个通用桥Simscape>>专用电力系统>电力电子图书馆

  3. 参数的设置通用桥块,设置电力电子设备参数IGBT /二极管

  4. 添加一个异步电机SI单位Simscape>>专用电力系统>电机图书馆

  5. 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 * 746VA和标称线对线电压Vn到220Vrms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。

  6. 访问内部信号异步电机布洛克:

    1. 添加一个总线选择器金宝app>信号路由图书馆。

    2. 连接测量输出端口,,所述机器块的输入端口总线选择器块。

    3. 打开块的参数对话框。总线选择器块。双击该块。

    4. 移除预选信号。在选中的元素窗格中,转变选择???signal1而且???signal2,然后按删除

    5. 选择感兴趣的信号:

      1. 在对话框的左窗格中,选择测量定子>定子电流is_a (A).点击选择> >

      2. 选择机械>转子转速(wm).点击选择> >

      3. 选择电磁转矩Te (N*m).点击选择> >

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。

T k × ω 2

电机的公称转矩为

T n 3. × 746 188.5 11.87 N

因此,常数k应该是

k T n ω 2 11.87 188.5 2 3.34 × 10 4

  1. 添加一个MATLAB解释函数金宝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

  2. 将功能块的输出连接到扭矩输入端口,Tm,机器块。

  3. 添加一个直流电压源Simscape>>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

  4. 的名称电压测量还有VAB

  5. 添加一个地面Simscape>>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。

  1. 添加一个PWM发生器(2级)Simscape>>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

  2. 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

  3. 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如下式所示:

    V l l r 年代 2 × 3. 2 V d c × 0.612 × V D C

    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

  1. 您现在添加块测量嵌入在斩波Vab电压和A相电流中的基本组件(60 Hz)。添加一个傅里叶Simscape>>专用电力系统>传感器和测量库到您的模型。

    打开傅里叶对话框,检查参数设置如下:

    基频

    60赫兹

    谐波n

    1

    初始输入

    [0 0]

    样品时间

    10 e-6年代

    将此块连接到Vab电压传感器的输出。

  2. 复制傅里叶块。为了测量A相电流,你把这个块连接到定子电流为_a的输出总线选择器块。

  3. 流这些信号到仿真数据检查器:测量输出的Te, ias和w信号异步电机块,和VAB电压。

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

220 × 2 311 V

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

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:

  1. 打开通用桥对话框,并设置测量参数设备电流

  2. 添加一个万用表Simscape>>专用电力系统>传感器和测量双击万用表块。显示六个开关电流的窗口出现。

  3. 选择连接到相a的两个桥臂电流,它们被标识为

    iSw1

    通用桥

    iSw2

    通用桥

  4. 点击关闭.“万用表”图标中显示信号数(2)。

  5. 发送信号从万用表块到模拟数据检查器。

  6. 重新启动模拟。图中显示了前20毫秒获得的波形。

    IGBT/二极管开关1和2中的电流

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。

请注意

万用表块的使用不限于通用桥块。“电源和元素”库的许多模块都有一个测量参数,您可以在其中选择电压、电流或饱和变压器磁通。的明智使用万用表Block减少了电路中电流和电压传感器的数量,使其更容易遵循。

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。

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仿真类型离散.设置样品时间10 e-6s.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

ScopeData

输入

输入1

信号数

1

开始时间

0.7秒

循环次数

2

显示

FFT窗

基频

60赫兹

最大频率

5000赫兹

频率轴

谐波阶

显示风格

Bar(相对于基金或DC)

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)。