电力电子电机模型-系统动态仿真实例-matlab仿真汇编

1、第8章 系统动态仿真(fn zhn)实例8.1 方波电压源供电(n din)异步电动机传动系统的仿真 8.3 电压型逆变器供电同步电动机传动系统的仿真 8.4 电压型逆变器供电永磁同步电动机传动系统的仿真 8.5 无刷直流电动机传动系统的仿真 8.2 电流型逆变器供电异步电动机传动系统的仿真 1共六十四页 系统动态仿真的数学方法比较单一，就是建立标准形式的系统状态方程，采用第2章介绍的数值方法直接求解。为具代表性，这里以电流型逆变器和电压型逆变器分别给三相异步电动机、三相同步电动机、永磁同步电动机供电，以及(yj)无刷直流电动机为例，介绍四种传动系统的动态仿真。 2共六十四页8.1 方波电压源

2、供电异步电动机传动系统的仿真 为了与系统稳态仿真进行对比，这里(zhl)首先对方波电压源供电异步电动机传动系统的动态过程进行仿真分析。根据式（7-18），选用异步电动机-d q 坐标系中的数学模型，即电磁系统的状态方程为 （8-1） 3共六十四页 另外(ln wi)，因为是动态过程的分析，需要考虑电机转速的变化。根据式（6-1），机械系统的状态方程为 （8-2） 可忽略不计 选择定、转子电流 和电角速度 、转子位置角作为整个系统(xtng)的状态变量，并且可设这些状态变量的初值均为零，根据第2章所介绍的状态方程的数值解法，就可以进行传动系统(xtng)的动态仿真。 4共六十四页 采用MATLA

3、B语言编制了相应的动态仿真程序IM_Dynamic.m，并对方波电压源供电异步电动机传动系统的起动(q dn)过程进行了计算，仿真结果如图8-1所示。可见，当起动(q dn)过程基本结束时，从定子电流动态波形所截取的局部曲线与图7-5a 所示的定子电流稳态波形是非常接近的，这也进一步验证了第7章所介绍的系统稳态仿真方法的正确性。 电机参数如下：5共六十四页6共六十四页8.2 电流型逆变器供电异步电动机传动系统的仿真(fn zhn)1. 电流型逆变器及输出电流 图8-2为电流型逆变器供电异步电动机传动系统的主回路示意图。考虑大电感和电容滤波器的作用，可以认为逆变器的输入电流为恒定值Id。若电流型

4、逆变器采用120导通方式，则输出120的方波电流，如图8-3所示。 7共六十四页8共六十四页 为了减少输出电流中的低次谐波分量，可以采用多重化技术，即采用两个或两个以上的逆变器构成多重化逆变器。图8-4所示为有输出变压器的双重电流型逆变器，由于变压器的空载电流很小，可以忽略，逆变器的输出电流为三阶(sn ji)阶梯波，如图8-5所示。 9共六十四页10共六十四页2. 数学模型 电压源供电条件下异步电动机的数学模型不能用于电流型逆变器供电时的仿真分析，因为此时的系统输入量是定子电流，而非定子电压。因此，需要重新选择状态变量，建立适合于电流型逆变器供电条件下异步电动机动态仿真的状态方程。 根据式（

5、6-8），异步电动机的电压平衡(pnghng)方程为（8-3） 已知输入量 11共六十四页由式（8-3），可得转子电压平衡(pnghng)方程 （8-4） 电磁(dinc)转矩的计算公式为 （8-5） 12共六十四页 选择(xunz)转子电流 、电角速度和转子位置角作为状态变量，并考虑到 ，由式（8-4）和式（8-2）可以得到系统的状态方程 （8-6） 13共六十四页3. 仿真计算实例(shl) 采用MATLAB语言编制了电流型逆变器供电异步电动机传动系统的动态仿真程序IM_CIS.m，并以一台三相四极绕线转子异步电动机为例， 对双重电流型逆变器供电条件下电动机的起动过程进行了仿真计算。 电动

6、机参数： 14共六十四页 根据仿真计算结果，分别绘制出电动机起动过程中电机转速、电磁转矩和转子三相电流的变化曲线，如图8-6所示。可见，当由多重化逆变器供电时，异步电动机不仅起动迅速，而且(r qi)运行平稳，电磁转矩和电机转速的脉动都较小。 逆变器参数(cnsh)： 初始条件： 15共六十四页16共六十四页8.3 电压型逆变器供电同步电动机传动系统的仿真(fn zhn)1. 基本方程 如图8-7所示，同步电动机定子三相绕组采用a-b-c模型，转子笼型起动绕组采用单回路d-q模型，即定子方采用实际物理量，而转子方采用等效的简化模型。根据第6章所介绍的同步电动机的数学模型（包括电压方程和磁链方程

7、），可以得到考虑笼型起动绕组的电励磁同步电动机的基本方程 （8-7） 17共六十四页18共六十四页 电感矩阵L0中除励磁绕组(roz)自感Lf、直、交轴起动绕组的自感Lkd、Lkq，以及励磁绕组与直轴起动绕组间的互感Mfkd为常值，其余电感均为转子位置角的函数，其表达式为 19共六十四页20共六十四页21共六十四页2. 基于线电压的状态方程 一般情况(qngkung)下，从逆变器的输出线电压可以直接确定电动机的输入线电压，但并不一定能直接得到电动机的输入相电压（因为动态过程中电动机三相负载未必对称）。为此，可以对基本方程（8-7）做相应的变换，利用以下关系 消去与定子B相绕组的有关量（即ub、

8、ib），得到基于(jy)线电压的电压方程 （8-8）22共六十四页23共六十四页电感(din n)矩阵L中的各元素为 24共六十四页 选择电流 作为(zuwi)状态变量，由式（8-8），得到电磁系统的状态方程 （8-9）25共六十四页 另外(ln wi)，选择电角速度和转子位置角作为状态变量，得到机械系统的状态方程 （8-10）26共六十四页3. 仿真计算实例 采用MATLAB语言编制了电压型逆变器供电同步(tngb)电动机传动系统的动态仿真程序SM_VIS.m，并对方波电压源供电时三相同步电动机的空载异步起动过程进行了的仿真计算。 传动系统参数为： 27共六十四页 根据同步电动机“异步起动，

9、同步运行”的基本要求，开始起动时励磁绕组必须经一大电阻而短接，此时励磁电压Uf=0。当电机转速达到90%同步速时，再切除接入的电阻，并恢复励磁电压Uf为额定值。 这样，在同步电动机空载(kn zi)异步起动过程的仿真计算中，各状态变量的初值可均设为零。 图8-8给出了相应的仿真结果， 各曲线依次为电机转速、电磁转矩、定子A相电流、转子励磁电流、转子直轴起动绕组电流和转子交轴起动绕组电流，可见仿真结果与实际情况是比较吻合的。 28共六十四页29共六十四页30共六十四页8.4 电压型逆变器供电永磁同步电动机传动系统的仿真 1. d-q-0坐标(zubio)系统中的状态方程 根据第6章所介绍的永磁同

10、步电动机在d-q-0坐标系统中的数学模型，可以写出如下电压方程 （8-12）31共六十四页（8-13）32共六十四页 机械系统的状态方程仍如式（8-10）所示，其中(qzhng)电磁转矩按下式计算 （8-14）（8-10）33共六十四页2. 系统输入的计算 上述(shngsh)状态方程的输入包括电动机定子端电压ud、uq，永磁体磁链m、负载转矩TL，其中后两者容易确定，关键是定子端电压ud、uq的计算。对于电压型逆变器，在第4章已经分析了它的输出电压。当电动机定子采用Y形接法时，由式（4-18）可知，定子三相绕组的电压为 （8-15）34共六十四页（8-16）将式（8-15）变换到d-q-0坐

11、标系统(xtng)中，不计零序分量，即得 （8-17）开关(kigun)相变量Vi 35共六十四页3. 仿真计算实例 采用MATLAB语言编制了电压型逆变器供电永磁同步电动机传动系统的动态仿真程序PMSM.m，并对SPWM电压型逆变器供电时三相永磁同步电动机的空载直接起动(q dn)过程进行了的仿真计算。 电动机参数：36共六十四页 逆变器参数(cnsh)： 各状态变量的初值均可取为零，仿真计算(j sun)的结果如图8-9所示。 37共六十四页38共六十四页 观察各曲线可以看到， 电机转速在起动初期存在一定的振荡，这是由于在起动过程中永磁体和笼型起动绕组共同起作用，当转子转速低于定子(dng

12、z)旋转磁场转速，定子磁链与转子永磁体磁链产生的转矩在某段时间内起制动作用。当永磁体的制动转矩与负载转矩之和大于起动绕组所产生的牵引转矩时，总的加速转矩为负，电机转速下降，出现振荡现象。 39共六十四页40共六十四页 在起动过程中期，永磁体的制动作用不明显，这时起主要作用是笼型起动绕组。在起动过程末期，由于转差率的下降，起动绕组的作用变小，永磁体的作用增强，因此又出现了振荡。电机被牵人同步转速后转子转速与定子旋转磁场转速相同，此时(c sh)起动绕组中的感应电流近似为零，永磁体提供全部牵引转矩。由于是SPWM逆变器供电，定子电流中必然存在一定的谐波分量，影响到电磁转矩，使转矩及转速均出现一定的

13、脉动。 41共六十四页8.5 无刷直流电动机传动的动态仿真(fn zhn) 1. 基本方程 根据第6章的分析，由式（6-47）可得无刷直流电动机的状态方程为 （8-18）42共六十四页电磁(dinc)转矩的计算公式为 （8-19）（8-20）其电磁(dinc)功率为 机械角速度 43共六十四页2. 运行状态分析 这里以二相导通三相星形六状态的无刷直流电动机为例进行分析。如图8-10所示，假设(jish)在任意时刻开关线路的上桥臂和下桥臂各有一个开关器件导通，即三相绕组的通电顺序依次为AC、BC、BA、CA、CB、AB 。 44共六十四页 当A、C相通(xingtng)电时，电流流通的路径为：电

14、源正极V1管A相绕组C相绕组V2管电源负极。 当B、C相通电时，电流流通的路径为：电源正极V3管B相绕组C相绕组V2管电源负极。45共六十四页 如此将有6种状态循环往复(xn hun wng f)，如表8-1所示。可见，在1个周期内电动机共有6个通电状态，每个状态都是两相同时导通，每个开关器件的导通角均为 （也称为120导通型逆变器）。 46共六十四页3. 单流模下的相电压分析 单流模式是无刷直流电动机理想(lxing)的运行模式，其相电压与逆变电路输出端a、b、c三点到直流电源中性点g之间的电压有如下关系 （8-21）47共六十四页在A、C相通(xingtng)电期间，有如下约束条件 （8-

15、22）由式（8-21）、（8-22），得 （8-23） 这样，根据式（8-21）即可以计算出相电压。其余通电状态下的相电压可以进行(jnxng)类似的计算。 48共六十四页4. 仿真计算实例 根据上述数学模型，用MATLAB语言编制了无刷直流电动机传动系统的动态(dngti)仿真程序BLDC.m，并对无刷直流电动机负载起动过程进行了仿真计算。 电动机参数为： 49共六十四页 感应电动势的大小与气隙磁场的波形有很大关系，本算例中假设已知定子A相绕组(roz)感应电动势ea与机械角速度以及磁极位置角之间有如下关系 初值问题？（8-24）50共六十四页 由此计算得到的电机(dinj)转速、电磁转矩以

16、及定子三相电流的变化曲线如图8-12所示。 51共六十四页52共六十四页附录(fl)10 BLDC.mdl 1. SIMULINK模块BLDC.mdl 53共六十四页2. S函数文件BLDC_S.m % 无刷直流电动机的数学模型及仿真(fn zhn)计算% 状态变量：x(1)=ia; x(2)=ib; x(3)=ic; x(4)=SETA; x(5)=OMEGA;% 输入量： u(1)=Ud; u(2)=TL;% 输出量： n,Tem,ia,ib,ic;54共六十四页2. S函数文件BLDC_S.m % 主函数 function sys,x0,str,ts = BLDC_S(t,x,u,fla

17、g) % 电机参数： R=0.23; L=0.000498; M=-0.00005478; J=0.025; P0=2; RR=diag(R,R,R); % 电阻矩阵 LL=diag(L-M,L-M,L-M); % 电感(din n)矩阵 S= 2, -1, -1 -1, 2, -1 -1, -1, 2/3; % 变换矩阵55共六十四页2. S函数文件BLDC_S.m % S函数的返回值由状态变量、输入量及flag变量决定(judng)！% 变量flag取不同的整数值时，S函数的返回值具有不同的含义：switch flag case 0, % S函数返回系统维数及初始条件等 sys,x0,st

18、r,ts = mdlInitializeSizes; case 1, % S函数返回状态变量的一阶导数 sys = mdlDerivatives(t,x,u,RR,LL,P0,J,S); case 3, % S函数返回系统输出量 sys = mdlOutputs(t,x,u,P0); case 2, 4, 9, sys = ; otherwise error(unhandled flag = ,num2str(flag); end56共六十四页2. S函数(hnsh)文件BLDC_S.m % 初始化子函数 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共六十四页2. S函数文件(wnjin)BLDC_S.m % 状态变量导数子函数 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共六十四页2. S函数(hnsh)文件BLDC_S.m % 导通顺序：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共六十四页2. S函数文件(wnjin)BLDC_S.m % 导通顺序：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共六十四页2. S函数(hnsh)文件BLDC_S.m % 状态变量导数计算 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