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AC6 - 100 kW 埋込永久磁石形同期電動機

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この例では、トルク制御時における埋込永久磁石同期電動機 (PMSM) のベクトル制御を示します。

ac6_example モデルでは、PMSM の永久磁石が回転子の表面にマウントされていることが仮定されていました。したがって、このタイプの PMSM は均一なエア ギャップをもち非突極で、Ld = Lq となります。ここでは、PMSM には埋込永久磁石回転子があることが仮定されています。埋込磁石構成の影響から、回転子は突極性で Lq > Ld となり、PMSM トルク方程式にはリラクタンス トルク項が導入されています。リラクタンス トルクを利用するために、電流成分 Id は、永久磁石を表面にマウントした PMSM とは違って 0 には設定されません。

Olivier Tremblay, Louis-A. Dessaint (Ecole de Technologie Superieure, Montreal).

説明

この回路では、Specialized Power Systems Electric Drives ライブラリの AC6 ブロックの修正バージョンを使用します。これは、288 Vdc 電源によって電力を供給される、100 kW、12500 rpm、突極 PMSM に対する、弱め磁束ベクトル制御をモデル化したものです。外側では、機械システムが表現されています。モーターの入力が速度で、出力が電磁トルクである理由はここにあります。

"PM Synchronous Motor Drive" は、次の 4 つの主要部分から構成されています。電気モーター、Three-phase Inverter、VECT controller、Speed Controller。

  • 電気モーターは 288 Vdc、100 kW PMSM です。このモーターには 8 つの極があり、磁石が埋め込まれています (突極回転子のタイプ)。

  • Three-phase Inverter は電圧源インバーターであり、PWM によって制御されます。このブロックは Universal Bridge ブロックを使用して構築されています。

  • VECT controller ブロックは、この磁束とトルクの基準に対応するモーターの 3 つの基準線電流を計算し、三相電流制御器を使用して対応する PWM を生成します。定格磁束が要求される際は、必要なトルクに対し線電流の振幅を最小化するために、最適制御が使用されます。磁束の減衰が必要なときは、電流の振幅と位相を変更してトルク速度の動作範囲を拡張します。

  • Speed Controller はトルク制御モードで使用されます。磁束減衰制御を行うために、正規化された磁束値がマシンの速度から計算されます。

Torque limitation ブロックは、288 Vdc 電源に対するこのモーターのトルク速度特性による制限を回避するために使用されます。内部マシンの電圧がインバーター電圧に達すると (モーターの速度に対し目標のトルクが高すぎるため)、インバーターは飽和モードとなります (目標の電流がモーターに流入できなくなる)。このポイントを過ぎると、電流追従性の悪化によってモーター電流が減少します。このブロックは、インバーター飽和モードで動作することがないように、モーターの速度とトルク速度特性の関数としての基準トルクを減らすために使用されます。

モーター トルク、速度、電力、電流および電圧の信号は、ブロックの出力から得られます。

シミュレーション

シミュレーションを開始します。モーター トルク (電磁および基準)、回転子速度、機械動力 (電磁および基準)、固定子電流 (振幅、Iq および Id) および固定子電圧 (振幅、Vq および Vd) を観察できます。

  • t = 0 秒で、トルクの指令値は 256 Nm (モーターの定格トルク) に設定されています。電磁トルクは基準値に急速に達します。

  • t = 0.104 秒で、回転子の速度は定格回転数の 3000 rpm を超えます。このため、モーターの逆起電力 (BEMF) を制限するために磁束減衰が実行され、したがって、電流の Id 成分は増加します (負方向に)。また、基準トルクは (モーターのトルク速度特性により) インバーターの飽和を避けるよう制限され、電流の Iq 成分が減少します。電流の振幅は一定であり、角度だけが変化することに注意してください。

次に、"基準トルク" を 100 Nm に変更し、結果を観察します。

  • t = 0 秒で、トルクの指令値は 100 Nm に設定されています。電流の振幅はこのトルクに対して最適です。

  • t = 0.28 秒で、回転子の速度は定格回転数の 3000 rpm を超えます。このため、モーターの逆起電力 (BEMF) を制限するために磁束減衰が実行され、したがって、電流の Id 成分は増加します (負方向に)。

  • t = 1.06 秒で、基準トルクは (モーターのトルク速度特性により) インバーターの飽和を避けるよう制限され、電流の Iq 成分が減少します。電流の振幅は一定値に保たれますが、電流の位相は変化します。

磁束減衰領域でも、電磁トルクは基準トルクに正確に従うことに注意してください。

メモ:

1) 電力システムは 2 us のタイム ステップで離散化されています。速度コントローラーは 140 us のサンプル時間を、ベクトル コントローラーは 20 us のサンプル時間を使用して、マイクロコントローラー制御デバイスのシミュレーションを実行しています。

参考