交流电机的变速控制利用强迫换向电子开关,如igbt, mosfet和gto。异步电机由脉冲宽度调制(PWM)电压源变换器(VSC)正在逐渐取代直流电动机和晶闸管桥。通过PWM,结合现代控制技术,如磁场定向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的灵活性。本教程展示了如何建立一个简单的开环交流驱动器控制异步机器。Simscape™电气™专门的电力系统包含预先建立的模型,使您能够模拟电力驱动系统,而不需要自己建立那些复杂的系统。有关更多信息,请参见电动驱动模型.
的Simscape>电>电力系统专业>电机库中包含四种最常用的三相电机:简化和完整的同步电机,异步电机,和永磁同步电机。每台机器可以使用在发电机或电机模式。结合线性和非线性元件,如变压器、线路、负载、断路器等,它们可以用来模拟电网中的机电瞬态。它们还可以与电力电子设备相结合来模拟驱动。
的Simscape>电>电力系统专业>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器件。你可以把几个模块连接在一起,建立一个三相电桥。例如,一个IGBT逆变器桥需要6个IGBT和6个反并联二极管。
为方便实施桥梁、桥梁通用桥Block自动为您执行这些互连。
按照这些步骤来建立一个pwm控制电机的模型。
类型power_new
在命令行中打开新模型。将模型保存为power_PWMmotor
添加一个通用桥块的Simscape>电>电力系统专业>电力电子图书馆
在参数设置通用桥块,设置电力电子设备参数IGBT /二极管
.
添加一个异步机SI单元块的Simscape>电>电力系统专业>电机图书馆
设置参数异步机SI单元块如下。
设置 | 参数 | 价值 | |
---|---|---|---|
配置 | 转子类型 | 鼠笼式 |
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参数 | 额定功率、电压(线路)和频率[Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz)] | (3 * 746 220 60) |
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定子电阻和电感[Rs(ohm) Lls(H)] | (1.115 - 0.005974) |
||
转子电阻和电感[Rr'(欧姆)Llr'(H)] | (1.083 - 0.005974) |
||
互感Lm (H) | 0.2037 |
||
惯性、摩擦因数、极对[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] |
设置标称功率为3 * 746
和标称线对线电压Vn220
Vrms实现了一个3马力,60赫兹的机器与两对极点。因此,名义速度略低于同步速度1800转,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短路在一起,以正常的电机运行。
的内部信号访问异步电机布洛克:
实现电机负载的转矩-速度特性。假设一个二次转矩-速度特性(风扇或泵型负载)。,转矩T与速度ω的平方成正比。
电机的公称转矩为
因此,不断k应该是
添加一个解释MATLAB函数块的万博1manbetx>用户定义函数图书馆。双击功能块,输入扭矩与速度的函数表达式:3.34 * u ^ 2的军医
.
将功能块的输出连接到扭矩输入端口,Tm,机器块的。
添加一个直流电压源块的Simscape>电>电力系统专业>来源图书馆。在参数设置为块,为振幅(V)参数,指定400
.
更改名称电压测量块还有VAB
.
添加一个地面块的Simscape>电>电力系统专业>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。
为了控制逆变桥,使用脉冲发生器。
添加一个PWM发生器(2级)块的Simscape>电>电力系统专业>电力电子>电力电子控制图书馆。您可以配置转换器在开环运行,并且三个PWM调制信号产生内部。连接P输出到脉冲输入通用桥块
打开PWM发生器(2级)对话框中,设置如下参数。
发电机类型 |
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操作方式 |
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频率 |
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初始阶段 |
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最小值和最大值 |
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抽样技术 |
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参考信号的内部生成 |
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调制指数 |
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参考信号频率 |
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参考信号阶段 |
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样品时间 |
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块已被离散,以便脉冲在指定的时间步长的倍数变化。10µs的时间步长相当于1080 Hz开关周期的+/- 0.54%。
产生PWM脉冲的一种常用方法是通过比较输出电压(在本例中为60hz)与开关频率(在本例中为1080hz)的三角波进行合成。线对线RMS输出电压是直流输入电压和调制指数的函数米由下式给出:
因此,400v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。
设置停止时间为1
然后开始模拟。打开仿真数据检查看看这些信号。
电机启动0.5秒后达到181rad /s(1728转/分)的稳态速度。在启动时,60hz电流的幅度达到90a峰值(64a RMS),而其稳态值是10.5 A (7.4 A RMS)。正如预期的那样,斩波中包含的60赫兹电压的幅度保持不变
还要注意电磁转矩在开始时的强烈振荡。如果你放大稳定状态下的扭矩,你应该观察到一个平均值为11.9 N.m的噪声信号,对应于额定转速下的负载扭矩。
如果你放大这三种电机电流,你可以看到所有的谐波(1080hz开关频率的倍数)都被定子电感过滤了,因此60hz分量占主导地位。
PWM电机驱动;电机全电压起动的仿真结果
的通用桥块不是一个所有六个独立开关都可访问的传统子系统。如果你想测量开关电压和电流,你必须使用万用表块,它可以访问桥的内部信号:
正如预期的那样,开关1和开关2中的电流是互补的。正电流表示流过IGBT的电流,而负电流表示反平行二极管的电流。
您可能已经注意到,使用可变步长积分算法的模拟相对较长。根据您的计算机,模拟1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
和离散(无连续状态)
选项。打开powergui块和设置仿真类型来离散
.设置样品时间来10 e-6
现在,包括异步机器在内的电力系统在10µ的采样时间内被离散。
开始仿真。观察模拟现在比连续系统快。结果与连续系统比较,效果良好。
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分量。如果你想观察谐波分量你还需要傅里叶每个谐波块。这种方法并不方便。
添加一个范围块连接到模型,并将其连接到还有VAB电压测量块。在范围块,日志数据到工作区作为一个结构与时间。开始仿真。现在使用powergui的FFT工具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、时间窗和频率范围的参数如下:
的名字 |
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输入 |
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信号数 |
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开始时间 |
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数量的周期 |
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显示 |
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基频 |
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最大频率 |
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频率轴 |
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显示风格 |
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分析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
在频谱窗口上方显示了Vab电压的基频分量和总谐波失真(THD)。逆变器电压(312 V)的基本幅值与理论值(311 V, m=0.9)比较良好。
谐波以基分量的百分比表示。如预期,谐波出现在载波频率(n*18 +- k)的倍数附近。最高谐波(30%)出现在第16次谐波(18 - 2)和第20次谐波(18 + 2)。