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電機與電力電子
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電機與電力電子

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商品描述

驅動系統軟硬件介紹

 1. 硬件系統
  基于實時仿真器構建了完整的電機驅動系統實驗平臺硬件系統,包含電機與實時仿真器以外的所有硬件電路,如采樣電路、驅動電路、保護電路等。硬件實驗系統采用模塊化設計,主電路和采樣電路等易于拓展,便于實現各類電機驅動系統的控制。如下圖實現了基于實時仿真器的三相背靠背變流器,該實驗平臺中包含了可與實時仿真器直接連接的模擬與數字接口。
1.1 通用三相橋模塊
  該模塊電路與通用變頻器主電路相似,直流母線電壓600V,額定容量15KVA。直流母線和三相橋交流側均安裝螺栓式熔斷器。使用通用三相橋模塊可以方便實現三相PWM逆變器或三相PWM整流器,兩臺通用三相橋模塊級聯可以實現6相PWM逆變器或三相全橋變流器或三相背靠背變流器。
1.2 IGBT驅動模塊
  該模塊采用專用IGBT驅動芯片,非傳統光耦方案,穩定性和安全性顯著提升。該IGBT驅動模塊驅動能力較大,保護功能全面,最大可以50KHz頻率驅動1200V 200A IGBT。每路IGBT驅動都采用雙路推挽擴流,配合優良的散熱設計,以較小的溫升獲得4A的驅動能力。在IGBT保護方面,采用管壓降檢測和有源電壓鉗位結合的方法,有效防止IGBT因短路和瞬間過壓而損壞。邏輯接口方面,除PWM接口外,還包括短路、過流、電壓異常信號輸出,實時反饋驅動模塊工作狀態。
1.3 繼電器模塊
  該繼電器模塊針對電機控制系統中的交流接觸器,可直接輸出220V交流電,控制交流接觸器分合,簡化接線。急停按鈕輸入可在緊急情況下,手動切斷交流接觸器動作電源,將控制系統與動力電源和電機分離。
1.4 實時仿真器接口模塊
  實時仿真器接口模塊連接實時仿真器和控制系統,實時仿真器接口與輸入電源和其他輸入輸出接口均隔離。三相橋控制接口可直接與IGBT驅動模塊相連,包含兩組實時仿真器內部的三相PWM接口和3組IO模擬PWM端口,其中3組IO模擬PWM端口和1組實時仿真器內部PWM接口進行了互補擴展。三相橋控制接口中的狀態反饋可連接至保留IO接口。增量編碼器接口可連接至推挽或線驅動輸出的增量編碼器,適應不同工作電壓。通用輸出接口可直接驅動繼電器模塊,或驅動其他開關量輸入設備。
1.5電流采樣模塊
  電流采樣模塊可采樣4路交流或直流電流信號,電流采樣輸出與輸入電源隔離。采用電流傳感器與信號調理電路分離的設計方案,根據系統容量選擇不同量程的電流傳感器模塊。在采樣信號鏈路關鍵部分采用高精度低溫漂設計,在工作溫度范圍內,保證輸入至輸出增益的穩定性。每路采樣均配置二階有源低通濾波器,截止頻率可調,大幅降低高頻干擾,簡化采樣系統設計。可設置電流上限,輸出過流信號。針對三相無中線系統,每兩路電流采樣組成三相電流采樣系統,可輸出三相電流絕對值和,便于判斷系統工作狀態。
1.6電流傳感器模塊
  該模塊可使用不同量程的霍爾電流傳感器,額定電流25A至100A。電流傳感器與電流采樣模塊分離,增加系統靈活性,方便電源線布線。
1.7電壓采樣模塊
  該模塊以霍爾電壓傳感器為核心,可采樣4路交流或直流電壓,電壓采樣輸出與輸入電源和高壓側隔離。霍爾電壓傳感器原邊電阻可靈活配置,適應不同電壓范圍(最大DC600V,AC400V),采用加強散熱設計,提高系統穩定性,降低增益漂移。在霍爾電壓傳感器副邊信號鏈路關鍵部位采用低溫漂高精度設計,在工作溫度范圍內降低輸入至輸出增益漂移,并提高各通道間增益的一致性。在軟件校正傳感器本身零點漂移后,可獲得較高采樣精度。輸出電壓范圍為正負10V,可直接與實時仿真器模擬采樣接口連接,傳感器本身形成的一階低通濾波器與信號鏈路中低通濾波器相結合,降低采樣系統噪聲水平。

2. 軟件系統
2.1 基礎軟件包
(1)轉速計算程序:根據光電編碼器的位置信號計算得到電機的轉速。
(2)軟件保護程序:通過軟件的方法實現過流、過壓保護。
(3)矢量控制程序:針對異步電機和永磁同步電機設計轉子磁場定向矢量控制程序。
(4)直接轉矩控制程序:針對異步電機和永磁同步電機設計直接轉矩控制程序。
2.2 電動汽車軟件包
(1)純電動汽車仿真程序
  基于MATLAB/Simulink建立純電動汽車的仿真程序,同時借助硬件在回路(Hardware-in-the-loop,簡稱HIL)方法和實時仿真器系統實現純電動汽車控制方法的實驗驗證。
(2)混合動力電動汽車仿真程序
  基于MATLAB/Simulink建立混合電動汽車的仿真程序,提供實測的內燃機特性曲線,同時借助硬件在回路(Hardware-in-the-loop,簡稱HIL)方法和實時仿真器系統實現混合動力電動汽車控制方法的實驗驗證。
2.3 風力發電軟件包
(1)最大風能跟蹤程序
  在風力機變速恒頻運行時,系統為了吸收最多的功率,槳距角一般保設定在0度左右,并保持不變。當槳葉節距角不變時,風力機功率系數Cp僅與葉尖速比λ相關,槳距角為0時的Cp-λ曲線如圖1所示。當外界風速變化時,只需調節發電機轉速,使λ保持在最佳值λopt,則可使得風能利用系數維持最大值Cpmax,即風力機工作在最佳功率點。
在不同風速下,風力機輸出的最佳功率、最佳轉矩與轉速的曲線分別如圖2(a)、(b)所示。當風速變化時,只要轉速始終在圖2(a)、(b)中對應的虛線上便可實現最大風能跟蹤,其中圖2(a)中的虛線—最佳功率曲線和圖2 (b)中的虛線—最佳轉矩曲線對應運行狀態一3致。
 


圖1風能利用系數曲線
 
(a)功率曲線                                   (b)轉矩曲線
圖2風力機特性曲線
(2)隨機風速模擬程序


  隨機風速的建模對風電場和電力系統的運行分析具有重要意義,尤其是在分析風電場并網運行的電能質量以及風電場并網運行方式對電網影響的場合。在風力機模擬平臺中,通過軟件生成隨機風速。提供用戶選擇輸入的不同的期望平均風速(有效時間內的總平均值)和湍流強度,改變參數就可以考慮到不同地形的影響和風電場的尾流效應。可將隨機風速數據導入Matlab/Simulink模型,實現與dSPACE的無縫連接。
(3)風力機模擬
  由于實驗室條件限制,不具備風場環境和真實的風力機,而為了驗證風力發電領域的一些理論,必須研究風力機模擬技術。通過采取合適的控制策略,使整個風力機模擬系統符合實際的風力機特性,用該模擬系統驅動發電機,進而可基本實現風力發電系統工作。
圖3所示為直接轉矩控制下的異步電機模擬風力機控制框圖。直接轉矩控制具有控制結構簡單,轉矩響應快等優點,能夠快速響應系統模擬的風力機轉矩。


 
圖3異步電機模擬風力機控制框圖



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