基于快速原型的感应电机电流源激励系统开发_孙春阳.pdf

2023，50(7)控制与应用技术EMCA收稿日期:2023-03-15;收到修改稿日期:2023-04-12*基金项目:2022 年度江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金重点项目(BE2022003)作者简介:孙春阳(1998)，男，硕士研究生，研究方向为新型电机的设计及控制技术。骆皓(1978)，男，教授，研究方向为双馈风力发电机及交流励磁控制技术。(通信作者)基于快速原型的感应电机电流源激励系统开发*孙春阳1，骆皓1，2，肖一凡1，朱坤硕1，陈遗志3(1南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京210013;2江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心，江苏 南京210013;3 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京210013)摘要:使用 tunit 快速原型开发系统对感应电机电流源激励系统进行快速开发和控制。在 MATLAB/Simulink 中完成对三相可编程电流源系统的建模和仿真，使用配套的组件将其转化为工程代码下载到硬件控制器中，通过集成开发环境在线检测和修改对应参数控制三相全桥逆变器，完成了三相电流源激励系统的开发，该系统可以稳定输出可实时调频调幅的三相电流源激励。测试结果表明，该方法在满足需求的条件下，编程简单，开发周期短，成本低，效率高。关键词:快速原型开发;电流源激励系统;自动代码生成;感应电机中图分类号:TM346文献标志码:A文章编号:1673-6540(2023)07-0051-08doi:1012177/emca2023079Development of Induction Motor Current Source Excitation SystemBased on apid Prototyping*SUN Chunyang1，LUO Hao1，2，XIAO Yifan1，ZHU Kunshuo1，CHEN Yizhi3(1School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210013，China;2Jiangsu Collaborative Innovation Center for Smart Distribution Network，Nanjing 210013，China;3NAI Technology Co，Ltd，Nanjing 210013，China)Abstract:The tunit rapid prototyping development system is used to quickly develop and control the inductionmotor current source excitation system The modeling and simulation of the three-phase programmable current sourcesystem is completed in MATLAB/Simulink The supporting components is used and converted into engineering codewhich can be downloaded to the hardware controller The three-phase full-bridge inverter is controlled through theintegrated development environment online detection and modification of corresponding parameters The developmentof the three-phase current source excitation system is completed The system can stably output three-phase currentsource excitation with real-time frequency modulation and amplitude modulation The test results show that this methodhas the advantages of simple programming，short development cycle，low cost and high efficiency under the conditionof meeting the requirementsKey words:rapid prototyping development;current source excitation system;automaticcodegeneration;induction motor15控制与应用技术EMCA2023，50(7)0引言电机电流源激励系统比电压源激励系统具有拓扑结构简单，输出波形好，控制策略简单，短路保护可靠等优点12。现阶段市场上的三相电流源输出频率范围多集中在 4070 Hz，很少有可以输出低频电流的电流源，且其价格昂贵，调试复杂，难以满足正常的试验需求。快速原型开发系统可以根据实际需要和变化实时对模型及算法进行调整，很大程度上提高了工作效率，降低了试验成本。tunit 快速原型开发系统与现有的快速原型系统相比，具有更加灵活、更加高效的特点34。1tunit 快速原型开发系统tunit 快速原型开发系统适用于电机控制、新能源与电力电子、电力系统测控、工业自动化等众多领域。tunit 快速原型开发系统支持快速原型(CP)设计和 MATLAB/Simulink 模型实时运行。tunit 快速原型开发系统由硬件控制器 TUBOX、集成开发环境 tunit Studio、底层软件驱动模块、三相全桥逆变器组成。硬件控制器 TUBOX 是一款基于模型设计、具有代码自动生成功能的实时数字控制器。底层软件驱动模块主要由集成于 Simulink 环境中的功能 模 块 库 tunitToolbox，驱动软件包 TU lib 和代码生成组件TUcoder 组成5。tunit 快速原型开发系统的工程开发流程如图 1 所示。通过底层软件驱动模块，用户可以使用Simulink 进行建模与仿真，并将其中的模型文件结合配套的框架程序转化成产品级的工程代码，并通过集成开发环境 tunit Studio 下载到硬件控制器中运行。集成开发环境 tunit Studio 可以通过自定义的图形化界面，对程序中的变量进行在线观测和修改，并且可以实时观察变量的波形，保存并导出波形数据。tunit 快速原型开发系统的拓扑电路如图 2 所示68。2三相电流源激励系统控制原理21三相电流控制原理通过控制三相全桥逆变器三相桥臂上 6 个三相桥臂绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的通断来调图 1tunit 快速原型系统开发流程图 2tunit 快速原型开发系统拓扑电路整 U、V、W 三相各桥臂中点电势的大小9，进一步可以确定在当前 IGBT 通断情况下输出端三条支路稳态时的电流方向。三相全桥逆变器输出端U、V、W 三相依次与感应电机的 A、B、C 三相绕组相连，等效电路如图 3 所示。分数槽集中绕组(FSCW)感应电机属于阻感性质的负载，流入三相绕阻中的电流无法突变，只能随着时间的变化逐渐改变。当感应电机三相绕组对称时，理想逆变电路输出端各条支路总的阻抗为z=32(+jL)(1)式中:z 为理想逆变电路输出端各打支路总的阻抗;为三相电路中任一单相支路总电阻;为支252023，50(7)控制与应用技术EMCA路电流角频率;L 为感应电机各相绕组电感解耦后的支路总电感。以 A 相支路为例分析支路电流指令量在正半周期时 IGBT 的工作情况，规定电流由三相全桥逆变器中三相桥臂流向电机绕组中性点的方向为正，电流由电机绕组中性点流向三相全桥逆变器三相桥臂的方向为负。当 A 相电流在 t=稳态时的理论电流方向为正时，FSCW 感应电机三相绕组电感解耦后的等效电路有两种情况，如图 3 所示。A 相支路并联在等效电路中如图 3(a)所示，A 相支路串联在等效电路中如图 3(b)所示。与之所对应的 A 相支路在稳态时的电流 iA_为iA_=23Udc，A 相支路串联13Udc，A 相支路并联(2)图 3A 相支路电流为正时的等效电路向系统输入对称三相电流指令量，使其与三相全桥逆变器输出端三相支路的电流采样值比较，如图 4 所示。其中 k 表示支路电感的储能或释能状态，当 k=1 时，A 相支路理论电流方向与实际电流方向相同，电感处于加速储能过程;当k=1时，A 相支路理论电流方向与实际电流方向相反，电感处于加速释能过程。图 4A 相支路电流实际值与指令量的关系在 t1时刻 A 相支路的实际电流采样值大于系统输入电流指令量，此时改变相应的 IGBT 通断情况，使得 A 相支路在不再换流情况下的理论稳态电流 I方向与 t1时刻的实际电流采样值i(t1)方向相反，即 t1t2时，A 相支路中的电感处于加速释能过程。因此，控制三相全桥逆变器三相桥臂各个 IGBT 通断方式可以使电流实际值稳定跟随电流指令量。22系统参数计算当系统正常工作时，任意 tm时刻 A 相支路的电流指令量 IAsetsin(tm)与电流实际值 iA(tm)之间应该满足如下关系:iA(tm)IAsetsin(ctm)=I (3)式中:iA(tm)为电流实际值关于时间 tm的函数;IAset为电流指令量的幅值;c为电流指令量的频率;I 为电流实际值与电流指含量的差值;为电流实际值相较于电汉指含量的允许误差最大值。A 相支路电流实际值的全响应表达式为iA(tm)=iA(tm1)+kAIA_et(4)式中:kA为 A 相理论电流方向系数;tm1为相对于tm时刻的上一刻时间点;t 为三相全桥逆变器三相桥臂上 IGBT 实际的工作频率，t=tmtm1，为系统的时间常数，=L/。将式(4)代入式(3)展开有:iA(tm1)+kAIA_eLt IAsetsin(tm)I(5)由式(5)可知，当电流指定输出量的幅值和频率一定时，支路中实际电流的畸变情况受到逆变器母线电压和支路中电感的影响较大。整理式(5)，得到系统所需要的电感表达式10:L=(t)logIA_ iA(tm1)+IAsetsin(ctm)+I(6)通过适当调整各条支路的电感值，可以输出正弦度更好的电流波形。当支路电感过大时，将会导致电流失调，波形畸变过大，实际电流幅值难以达到理论幅值;当支路电感过小时，会导致电流超调，电流实际波形中产生更多相较于电流指令量的值偏差过大的毛刺，导致产生更多的谐波11。当系统中各条支路电感值较小时，适当向三相支路中串入恰当的电感;当系统中各支路电感值较大时，可以适当调整三相全桥逆变器直流侧母线电压。35控制与应用技术EMCA2023，50(7)23三相全桥逆变器桥臂控制方式在不同情况下三相全桥逆变器各桥臂 IGBT的通断状态如表 1 所示12。与之对应的是三相全控桥逆变电路中 IGBT01IGBT06 的通断状态，其中 IGBT01 和 IGBT02 表示 U 相上下桥臂中的两个 IGBT，IGBT03 和 IGBT04 表示 V 相上下桥臂中的两个 IGBT，IGBT05 和 IGBT06 表示 W 相上下桥臂中的两个 IGBT。“1”表示 IGBT 处于导通状态，“0”表示 IGBT 处于关断状态。表 1三相全桥逆变器 IGBT 通断逻辑表理论电流方向系数kAkBkCIGBT01IGBT02IGBT03IGBT04IGBT05IGBT06111101010111101001111100110111100101111010101111010110111011001111011010以图4 的 t3时刻为例，对此时三相各支路输入系统的电流指令量与实际电流采样值进行比较，由于 A 相支路实