電力電子電機模型-系統(tǒng)動態(tài)仿真實例-matlab仿真匯編

1、第8章 系統(tǒng)動態(tài)仿真(fn zhn)實例8.1 方波電壓源供電(n din)異步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 8.3 電壓型逆變器供電同步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 8.4 電壓型逆變器供電永磁同步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 8.5 無刷直流電動機傳動系統(tǒng)的仿真 8.2 電流型逆變器供電異步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 1共六十四頁 系統(tǒng)動態(tài)仿真的數(shù)學(xué)方法比較單一，就是建立標(biāo)準(zhǔn)形式的系統(tǒng)狀態(tài)方程，采用第2章介紹的數(shù)值方法直接求解。為具代表性，這里以電流型逆變器和電壓型逆變器分別給三相異步電動機、三相同步電動機、永磁同步電動機供電，以及(yj)無刷直流電動機為例，介紹四種傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真。 2共六十四頁8.1 方波電壓源

2、供電異步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 為了與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真進行對比，這里(zhl)首先對方波電壓源供電異步電動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真分析。根據(jù)式（7-18），選用異步電動機-d q 坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，即電磁系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 （8-1） 3共六十四頁 另外(ln wi)，因為是動態(tài)過程的分析，需要考慮電機轉(zhuǎn)速的變化。根據(jù)式（6-1），機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 （8-2） 可忽略不計 選擇定、轉(zhuǎn)子電流 和電角速度 、轉(zhuǎn)子位置角作為整個系統(tǒng)(xtng)的狀態(tài)變量，并且可設(shè)這些狀態(tài)變量的初值均為零，根據(jù)第2章所介紹的狀態(tài)方程的數(shù)值解法，就可以進行傳動系統(tǒng)(xtng)的動態(tài)仿真。 4共六十四頁 采用MATLA

3、B語言編制了相應(yīng)的動態(tài)仿真程序IM_Dynamic.m，并對方波電壓源供電異步電動機傳動系統(tǒng)的起動(q dn)過程進行了計算，仿真結(jié)果如圖8-1所示?？梢姡?dāng)起動(q dn)過程基本結(jié)束時，從定子電流動態(tài)波形所截取的局部曲線與圖7-5a 所示的定子電流穩(wěn)態(tài)波形是非常接近的，這也進一步驗證了第7章所介紹的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真方法的正確性。 電機參數(shù)如下：5共六十四頁6共六十四頁8.2 電流型逆變器供電異步電動機傳動系統(tǒng)的仿真(fn zhn)1. 電流型逆變器及輸出電流 圖8-2為電流型逆變器供電異步電動機傳動系統(tǒng)的主回路示意圖?？紤]大電感和電容濾波器的作用，可以認(rèn)為逆變器的輸入電流為恒定值Id。若電流型

4、逆變器采用120導(dǎo)通方式，則輸出120的方波電流，如圖8-3所示。 7共六十四頁8共六十四頁 為了減少輸出電流中的低次諧波分量，可以采用多重化技術(shù)，即采用兩個或兩個以上的逆變器構(gòu)成多重化逆變器。圖8-4所示為有輸出變壓器的雙重電流型逆變器，由于變壓器的空載電流很小，可以忽略，逆變器的輸出電流為三階(sn ji)階梯波，如圖8-5所示。 9共六十四頁10共六十四頁2. 數(shù)學(xué)模型 電壓源供電條件下異步電動機的數(shù)學(xué)模型不能用于電流型逆變器供電時的仿真分析，因為此時的系統(tǒng)輸入量是定子電流，而非定子電壓。因此，需要重新選擇狀態(tài)變量，建立適合于電流型逆變器供電條件下異步電動機動態(tài)仿真的狀態(tài)方程。 根據(jù)式（

5、6-8），異步電動機的電壓平衡(pnghng)方程為（8-3） 已知輸入量 11共六十四頁由式（8-3），可得轉(zhuǎn)子電壓平衡(pnghng)方程 （8-4） 電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的計算公式為 （8-5） 12共六十四頁 選擇(xunz)轉(zhuǎn)子電流 、電角速度和轉(zhuǎn)子位置角作為狀態(tài)變量，并考慮到 ，由式（8-4）和式（8-2）可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程 （8-6） 13共六十四頁3. 仿真計算實例(shl) 采用MATLAB語言編制了電流型逆變器供電異步電動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真程序IM_CIS.m，并以一臺三相四極繞線轉(zhuǎn)子異步電動機為例， 對雙重電流型逆變器供電條件下電動機的起動過程進行了仿真計算。 電動

6、機參數(shù)： 14共六十四頁 根據(jù)仿真計算結(jié)果，分別繪制出電動機起動過程中電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子三相電流的變化曲線，如圖8-6所示?？梢姡?dāng)由多重化逆變器供電時，異步電動機不僅起動迅速，而且(r qi)運行平穩(wěn)，電磁轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速的脈動都較小。 逆變器參數(shù)(cnsh)： 初始條件： 15共六十四頁16共六十四頁8.3 電壓型逆變器供電同步電動機傳動系統(tǒng)的仿真(fn zhn)1. 基本方程 如圖8-7所示，同步電動機定子三相繞組采用a-b-c模型，轉(zhuǎn)子籠型起動繞組采用單回路d-q模型，即定子方采用實際物理量，而轉(zhuǎn)子方采用等效的簡化模型。根據(jù)第6章所介紹的同步電動機的數(shù)學(xué)模型（包括電壓方程和磁鏈方程

7、），可以得到考慮籠型起動繞組的電勵磁同步電動機的基本方程 （8-7） 17共六十四頁18共六十四頁 電感矩陣L0中除勵磁繞組(roz)自感Lf、直、交軸起動繞組的自感Lkd、Lkq，以及勵磁繞組與直軸起動繞組間的互感Mfkd為常值，其余電感均為轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，其表達式為 19共六十四頁20共六十四頁21共六十四頁2. 基于線電壓的狀態(tài)方程 一般情況(qngkung)下，從逆變器的輸出線電壓可以直接確定電動機的輸入線電壓，但并不一定能直接得到電動機的輸入相電壓（因為動態(tài)過程中電動機三相負(fù)載未必對稱）。為此，可以對基本方程（8-7）做相應(yīng)的變換，利用以下關(guān)系 消去與定子B相繞組的有關(guān)量（即ub、

8、ib），得到基于(jy)線電壓的電壓方程 （8-8）22共六十四頁23共六十四頁電感(din n)矩陣L中的各元素為 24共六十四頁 選擇電流 作為(zuwi)狀態(tài)變量，由式（8-8），得到電磁系統(tǒng)的狀態(tài)方程 （8-9）25共六十四頁 另外(ln wi)，選擇電角速度和轉(zhuǎn)子位置角作為狀態(tài)變量，得到機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程 （8-10）26共六十四頁3. 仿真計算實例 采用MATLAB語言編制了電壓型逆變器供電同步(tngb)電動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真程序SM_VIS.m，并對方波電壓源供電時三相同步電動機的空載異步起動過程進行了的仿真計算。 傳動系統(tǒng)參數(shù)為： 27共六十四頁 根據(jù)同步電動機“異步起動，

9、同步運行”的基本要求，開始起動時勵磁繞組必須經(jīng)一大電阻而短接，此時勵磁電壓Uf=0。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到90%同步速時，再切除接入的電阻，并恢復(fù)勵磁電壓Uf為額定值。 這樣，在同步電動機空載(kn zi)異步起動過程的仿真計算中，各狀態(tài)變量的初值可均設(shè)為零。 圖8-8給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果， 各曲線依次為電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子A相電流、轉(zhuǎn)子勵磁電流、轉(zhuǎn)子直軸起動繞組電流和轉(zhuǎn)子交軸起動繞組電流，可見仿真結(jié)果與實際情況是比較吻合的。 28共六十四頁29共六十四頁30共六十四頁8.4 電壓型逆變器供電永磁同步電動機傳動系統(tǒng)的仿真 1. d-q-0坐標(biāo)(zubio)系統(tǒng)中的狀態(tài)方程 根據(jù)第6章所介紹的永磁同

10、步電動機在d-q-0坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型，可以寫出如下電壓方程 （8-12）31共六十四頁（8-13）32共六十四頁 機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程仍如式（8-10）所示，其中(qzhng)電磁轉(zhuǎn)矩按下式計算 （8-14）（8-10）33共六十四頁2. 系統(tǒng)輸入的計算 上述(shngsh)狀態(tài)方程的輸入包括電動機定子端電壓ud、uq，永磁體磁鏈m、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，其中后兩者容易確定，關(guān)鍵是定子端電壓ud、uq的計算。對于電壓型逆變器，在第4章已經(jīng)分析了它的輸出電壓。當(dāng)電動機定子采用Y形接法時，由式（4-18）可知，定子三相繞組的電壓為 （8-15）34共六十四頁（8-16）將式（8-15）變換到d-q-0坐

11、標(biāo)系統(tǒng)(xtng)中，不計零序分量，即得 （8-17）開關(guān)(kigun)相變量Vi 35共六十四頁3. 仿真計算實例 采用MATLAB語言編制了電壓型逆變器供電永磁同步電動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)仿真程序PMSM.m，并對SPWM電壓型逆變器供電時三相永磁同步電動機的空載直接起動(q dn)過程進行了的仿真計算。 電動機參數(shù)：36共六十四頁 逆變器參數(shù)(cnsh)： 各狀態(tài)變量的初值均可取為零，仿真計算(j sun)的結(jié)果如圖8-9所示。 37共六十四頁38共六十四頁 觀察各曲線可以看到， 電機轉(zhuǎn)速在起動初期存在一定的振蕩，這是由于在起動過程中永磁體和籠型起動繞組共同起作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子(dng

12、z)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在某段時間內(nèi)起制動作用。當(dāng)永磁體的制動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和大于起動繞組所產(chǎn)生的牽引轉(zhuǎn)矩時，總的加速轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機轉(zhuǎn)速下降，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。 39共六十四頁40共六十四頁 在起動過程中期，永磁體的制動作用不明顯，這時起主要作用是籠型起動繞組。在起動過程末期，由于轉(zhuǎn)差率的下降，起動繞組的作用變小，永磁體的作用增強，因此又出現(xiàn)了振蕩。電機被牽人同步轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同，此時(c sh)起動繞組中的感應(yīng)電流近似為零，永磁體提供全部牽引轉(zhuǎn)矩。由于是SPWM逆變器供電，定子電流中必然存在一定的諧波分量，影響到電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)一定的

13、脈動。 41共六十四頁8.5 無刷直流電動機傳動的動態(tài)仿真(fn zhn) 1. 基本方程 根據(jù)第6章的分析，由式（6-47）可得無刷直流電動機的狀態(tài)方程為 （8-18）42共六十四頁電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的計算公式為 （8-19）（8-20）其電磁(dinc)功率為 機械角速度 43共六十四頁2. 運行狀態(tài)分析 這里以二相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)的無刷直流電動機為例進行分析。如圖8-10所示，假設(shè)(jish)在任意時刻開關(guān)線路的上橋臂和下橋臂各有一個開關(guān)器件導(dǎo)通，即三相繞組的通電順序依次為AC、BC、BA、CA、CB、AB 。 44共六十四頁 當(dāng)A、C相通(xingtng)電時，電流流通的路徑為：電

14、源正極V1管A相繞組C相繞組V2管電源負(fù)極。 當(dāng)B、C相通電時，電流流通的路徑為：電源正極V3管B相繞組C相繞組V2管電源負(fù)極。45共六十四頁 如此將有6種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)(xn hun wng f)，如表8-1所示?？梢姡?個周期內(nèi)電動機共有6個通電狀態(tài)，每個狀態(tài)都是兩相同時導(dǎo)通，每個開關(guān)器件的導(dǎo)通角均為 （也稱為120導(dǎo)通型逆變器）。 46共六十四頁3. 單流模下的相電壓分析 單流模式是無刷直流電動機理想(lxing)的運行模式，其相電壓與逆變電路輸出端a、b、c三點到直流電源中性點g之間的電壓有如下關(guān)系 （8-21）47共六十四頁在A、C相通(xingtng)電期間，有如下約束條件 （8-

15、22）由式（8-21）、（8-22），得 （8-23） 這樣，根據(jù)式（8-21）即可以計算出相電壓。其余通電狀態(tài)下的相電壓可以進行(jnxng)類似的計算。 48共六十四頁4. 仿真計算實例 根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，用MATLAB語言編制了無刷直流電動機傳動系統(tǒng)的動態(tài)(dngti)仿真程序BLDC.m，并對無刷直流電動機負(fù)載起動過程進行了仿真計算。 電動機參數(shù)為： 49共六十四頁 感應(yīng)電動勢的大小與氣隙磁場的波形有很大關(guān)系，本算例中假設(shè)已知定子A相繞組(roz)感應(yīng)電動勢ea與機械角速度以及磁極位置角之間有如下關(guān)系 初值問題？（8-24）50共六十四頁 由此計算得到的電機(dinj)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩以

16、及定子三相電流的變化曲線如圖8-12所示。 51共六十四頁52共六十四頁附錄(fl)10 BLDC.mdl 1. SIMULINK模塊BLDC.mdl 53共六十四頁2. S函數(shù)文件BLDC_S.m % 無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型及仿真(fn zhn)計算% 狀態(tài)變量：x(1)=ia; x(2)=ib; x(3)=ic; x(4)=SETA; x(5)=OMEGA;% 輸入量： u(1)=Ud; u(2)=TL;% 輸出量： n,Tem,ia,ib,ic;54共六十四頁2. S函數(shù)文件BLDC_S.m % 主函數(shù) function sys,x0,str,ts = BLDC_S(t,x,u,fla

17、g) % 電機參數(shù)： R=0.23; L=0.000498; M=-0.00005478; J=0.025; P0=2; RR=diag(R,R,R); % 電阻矩陣 LL=diag(L-M,L-M,L-M); % 電感(din n)矩陣 S= 2, -1, -1 -1, 2, -1 -1, -1, 2/3; % 變換矩陣55共六十四頁2. S函數(shù)文件BLDC_S.m % S函數(shù)的返回值由狀態(tài)變量、輸入量及flag變量決定(judng)！% 變量flag取不同的整數(shù)值時，S函數(shù)的返回值具有不同的含義：switch flag case 0, % S函數(shù)返回系統(tǒng)維數(shù)及初始條件等 sys,x0,st

18、r,ts = mdlInitializeSizes; case 1, % S函數(shù)返回狀態(tài)變量的一階導(dǎo)數(shù) sys = mdlDerivatives(t,x,u,RR,LL,P0,J,S); case 3, % S函數(shù)返回系統(tǒng)輸出量 sys = mdlOutputs(t,x,u,P0); case 2, 4, 9, sys = ; otherwise error(unhandled flag = ,num2str(flag); end56共六十四頁2. S函數(shù)(hnsh)文件BLDC_S.m % 初始化子函數(shù) function sys,x0,str,ts = mdlInitializeSizes

19、sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 5; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 5; sizes.NumInputs = 2; sizes.DirFeedthrough = 0; sizes.NumSampleTimes = 1; % sample time sys = simsizes(sizes); % system sizes x0 = 0;0;0;0;0; % initial state str = ; % empty matrix（state ordering strings） ts = 0

20、 0; % initialize the array of sample times 57共六十四頁2. S函數(shù)文件(wnjin)BLDC_S.m % 狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)子函數(shù) function sys = mdlDerivatives(t,x,u,RR,LL,P0,J,S) Ud=u(1); TL=u(2); SETA=mod(abs(x(4),2*pi); ea=0.04*x(5)*(3.30*cos(SETA)+0.388*cos(3*SETA-pi); eb=0.04*x(5)*(3.30*cos(SETA-2*pi/3)+0.388*cos(3*(SETA-2*pi/3)-pi); ec=

21、0.04*x(5)*(3.30*cos(SETA+2*pi/3)+0.388*cos(3*(SETA+2*pi/3)-pi); E=ea eb ec;58共六十四頁2. S函數(shù)(hnsh)文件BLDC_S.m % 導(dǎo)通順序：AC,BC,BA,CA,CB,AB if (0=SETA)&(SETA(pi/3) Uag=Ud/2; Ubg=1.5*eb; Ucg=-Ud/2; elseif (pi/3)=SETA)&(SETA(2*pi/3) Uag=1.5*ea; Ubg=Ud/2; Ucg=-Ud/2; elseif (2*pi/3)=SETA)&(SETApi) Uag=-Ud/2; Ubg=

22、Ud/2; Ucg=1.5*ec;59共六十四頁2. S函數(shù)文件(wnjin)BLDC_S.m % 導(dǎo)通順序：AC,BC,BA,CA,CB,AB elseif (pi=SETA)&(SETA(4*pi/3) Uag=-Ud/2; Ubg=1.5*eb; Ucg=Ud/2; elseif (4*pi/3)=SETA)&(SETA(5*pi/3) Uag=1.5*ea; Ubg=-Ud/2; Ucg=Ud/2; elseif (5*pi/3)=SETA)&(SETA(2*pi) Uag=Ud/2; Ubg=-Ud/2; Ucg=1.5*ec; end 60共六十四頁2. S函數(shù)(hnsh)文件BLDC_S.m % 狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)計算 U=S*Uag Ubg Ucg; sys(1:3)=inv(LL)*(U-RR*x(1:3)-E); ea5=0.04*(3.30*cos(SETA)+0.388*cos(3*SETA-pi); eb5=0.04*(3.30*cos(SETA-2*pi/3)+0.388*cos(3*(SETA-2*pi/3)-pi); ec5=0.04*(3.30*cos(SETA+2*pi/3)+0.388*cos(3*(SETA+2*pi/3)-pi); Tem=P0*(ea5*x(1)+eb5*x(2)+ec5*x(3); s