模拟变速电机控制- MATLAB & Simulink - 卡塔尔世界杯8强比赛直播

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GTOs。异步电机脉冲宽度调制(PWM)电压源转换器(VSC)正在逐渐取代直流电机和可控硅桥。通过PWM，结合现代控制技术，如现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灵活性。本教程演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™专业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>电机库包含四种最常用的三相电机:简化和完全同步电机、异步电机和永磁同步电机。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件，如变压器、线路、负载、断路器等，它们可以用来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>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个反并行二极管。

为方便桥梁的实施，本署通用桥Block自动为您执行这些互连。

PWM电机驱动的构建与仿真

按照以下步骤构建ppm控制电机的模型。

组装和配置模型

类型power_new在命令行打开一个新模型。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．
添加一个异步电机SI单元块的Simscape>电>电力系统专业>电机图书馆

设置参数异步电机SI单元块如下。

设置	参数	价值
配置	转子类型	`鼠笼式`
参数	公称功率、电压(线-线)、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)`
	转子电阻和电感[Rr'(欧姆)Llr'(H)]	`(1.083 - 0.005974)`
	互感量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 0 0 0 0 0]`

设置标称功率为3 * 746VA和标称线对线电压Vn to220Vrms实现了一个3 HP, 60hz的机器，有两对极点。因此，标称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:
1. 添加一个总线选择器块的动态仿真模块>信号路由图书馆。
2. 连接测量输出端口，米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。
4. 删除预选信号。在选中的元素窗格中,转变选择?？?signal1而且?？?signal2,然后单击删除．
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> >．

加载和驱动电机

实现电机负载的转矩-速度特性。假设转矩-转速特性为二次型(风机或泵型负载)。,转矩T正比于速度的平方ω。

$T ＝ k \times ω^{2}$

电机的公称转矩为

$T_{n} ＝ \frac{3. \times 746}{188.5} ＝ 11.87 N 米$

因此,不断k应该是

$k ＝ \frac{T_{n}}{ω^{2}} ＝ \frac{11.87}{{188.5}^{2}} ＝ 3.34 \times 10^{- 4}$

添加一个解释MATLAB函数块的动态仿真模块>用户定义函数图书馆。双击函数块，输入转矩随速度变化的表达式:3.34 * u ^ 2的军医．
将功能块的输出端连接到扭矩输入端，Tm，表示机座。
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．
的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。

用脉冲发生器控制逆变桥

要控制逆变器电桥，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。你可以配置转换器在开环中工作，三个PWM调制信号在内部产生。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，按如下参数设置。

发电机类型	`三相电桥(6脉冲)`
操作方式	`不同步的`
频率	`18 * 60赫兹(1080赫兹)`
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，因此脉冲以指定时间步长的倍数变化。10µs的时间步长相当于1080 Hz时开关周期的+/- 0.54%。
产生PWM脉冲的一种常见方法是比较输出电压(在本例中为60hz)与开关频率(在本例中为1080hz)的三角波合成。线对线均方根输出电压是直流输入电压和调制指数的函数米由下式可知:

$V_{l l r 米年代} ＝ \frac{米}{2} \times \frac{\sqrt{3.}}{\sqrt{2}} V d c ＝米 \times 0.612 \times V D C$

因此，当直流电压为400 V，调制因子为0.90时，输出的线对线电压为220 Vrms，这就是异步电机的标称电压。

信号显示与基电压、电流测量

您现在添加块测量基本组件(60hz)嵌入在斩切Vab电压和A相电流。添加一个傅里叶块的Simscape>电>电力系统专业>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`

连接此块到Vab电压传感器的输出。

复制傅里叶块。要测量A相电流，你把这个块连接到定子电流is_a的输出总线选择器块。
的测量输出的Te, ias和w信号流这些信号到模拟数据检查器异步电机和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。打开仿真数据检查看看这些信号。

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电流的大小达到90a峰值(64 A 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赫兹电压的幅度保持在

$220 \times \sqrt{2} ＝ 311 V$

同时注意起动时电磁转矩的强烈振荡。如果放大恒定状态下的扭矩，应该会观察到一个平均值为11.9 N.m的噪声信号，对应于公称速度下的负载扭矩。

如果你放大三个电机电流，你可以看到所有的谐波(1080赫兹开关频率的倍数)都被定子电感滤波，所以60hz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

的通用桥块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，它提供了对桥内部信号的访问:

打开通用桥对话框，并设置测量参数设备电流．
添加一个万用表块的Simscape>电>电力系统专业>传感器和测量图书馆双击万用表块。显示六个开关电流的窗口出现。

选择连接到相a的桥臂的两个电流，它们被识别为

iSw1	`通用桥`
iSw2	`通用桥`

点击关闭．信号数(2)显示在万用表图标中。
发送信号从万用表块到模拟数据检查器。
重新启动仿真。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

正如所料，开关1和2的电流是互补的。正电流表示在IGBT中流动的电流，而负电流表示在反并行二极管中的电流。

请注意

万用表块的使用并不局限于通用桥块。“电源和元素”库的许多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。的明智使用万用表块减少了电路中电流和电压传感器的数量，使其更容易遵循。

PWM电机驱动的离散化

您可能已经注意到，使用变步长积分算法的模拟相对较长。根据您的计算机，模拟一秒可能需要几十秒。为了缩短模拟时间，可以将电路离散化，以固定的模拟时间步长进行模拟。

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powergui块和设置仿真类型来离散．设置样品时间来10 e-6功率系统，包括异步电机，现在以10µs采样时间进行离散化。

开始仿真。注意，现在的模拟速度比连续系统快。结果与连续系统比较良好。

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也需要一个傅里叶块为每个谐波。这种方法不方便。

添加一个范围块连接到您的模型，并将其连接到还有VAB电压测量块。在范围块，将数据记录到工作区，作为一个有时间的结构。开始仿真。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．一个新的窗口打开了。指定分析信号、时间窗和频率范围的参数设置如下:

的名字	`ScopeData`
输入	`输入1`
信号数	`1`
开始时间	`0.7秒`
数量的周期	`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	`律师资格(相对于基金或区议会)`

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。

电机线间电压的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。逆变器电压的基本值(312 V)与理论值(311 V, 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)。