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DC4 - 循環電流なしの 4 象限三相整流器 200 HP DC ドライブ

この例では、循環電流なしの 4 象限三相整流器 DC ドライブを示します。

C.Semaille, Louis-A. Dessaint (Ecole de technologie superieure, Montreal)

説明

この回路は Specialized Power Systems の DC4 ブロックを基にしています。これは、200 HP DC モーターの、循環電流を使用しない 4 象限三相整流器 (デュアル コンバーター トポロジ) ドライブをモデル化したものです。

200 HP DC モーターは、一定の 310 V DC 界磁電圧源で個別に励起されます。電機子電圧は、2 つの PI 制御器で制御されている 2 つの三相逆並列接続コンバーターにより生成されます。これにより、DC モーター電機子回路を経由する双方向電流が発生し、4 象限の動作が可能になります。コンバーターには 380 V AC 50 Hz 電圧源から電力が供給されます。

制御器は両方のコンバーター サイリスタの点弧角を制御します。最初の制御器は速度調整器で、その次は電流制御器です。速度調整器は、目的の速度に達するのに必要な電磁トルクを取得するために、電流コントローラーで使用する電機子電流指令値を出力します (p.u. 単位)。速度指令の変化率は、急激な指令値の変化により電機子過電流が発生してシステムが不安定にならないように、加速および減速ランプに従います。電流制御器はサイリスタの適切な点弧角を計算して電機子電流を制御します。これにより、目的の電機子電流を得るために必要なコンバーター出力電圧が生成されます。

元の DC4 ブロックと比較すると、この回路では循環電流を使用しない 4 象限ドライブがモデル化されています。この制御プロセスにおいて、循環電流は点弧パルスの自動制御により完全に抑止されます。2 つのサイリスタ コンバーターで必要な 2 つの点弧パルスのうち 1 つだけを有効にすると、1 つのコンバーターだけが動作し、負荷電流を伝送します。もう一方のコンバーターは一時的にブロックされます。点弧パルスの制御は "ブリッジ ドライバー" モジュールにより完全に管理されています。このモジュールは、指令電流と負荷電流を検出して、どの時点で適正なコンバーターの点弧パルスを有効にしコンバーターの交差を発生させる必要があるかを決定します。

2 つの点弧角は、合計値が 180°になるよう制御されます。これにより、ブリッジの切り替えが滑らかになります。循環電流は抑止されているため、この電流の値を制限するための他のインダクターは必要ありません。ただし、電機子電流の振動を抑えるため、電機子回路と直列に 10 mH の平滑化インダクタンスが接続されています。

シミュレーション

シミュレーションを開始します。モーター電機子の電圧と電流、コンバーターの点弧角およびモーター回転数をスコープで観察できます。電流および速度の指令値も表示されます。メイン ブロック内には 2 番目のスコープが追加されていて、コンバーターの出力電流を可視化できます。また、"ブリッジ ドライバー" モジュールにより制御されている "block_1" および "block_2" の信号も表示されます。

このシミュレーションでは、モーターはファンに接続されています。このような負荷の機械的トルクは、回転数の二乗に比例します。

初期回転数指令値は定格回転数の 1184 rpm に設定されています。モーター回転数は加速の指令値ランプ (+320 rpm/s) に正確に追従し、約 4 秒後に定常状態に達します。加速が遅いのは、負荷の慣性が高いためです。

電機子電流は電流の指令値によく従い、330 A 付近で安定します。加速フェーズにおいて電機子電流は (したがって、生成される電磁トルクも) 徐々に上昇し、負荷により抵抗を受ける機械的トルクは速度に応じて上昇します。動作しているのはコンバーター 1 のみで (Block_1 が低)、コンバーター 2 は動作が抑止されています (Block_2 が高)。その結果、コンバーター 1 の出力電流は負荷電流と等しくなり、コンバーター 2 は電流を出力しません。10 mH の平滑化インダクタンスにより、電機子電流の振動は極めて小さく抑えられることに注意してください。

t = 4.5 秒で、回転数指令値は -600 rpm に低下し、電機子電流も回転数に応じて低下します。これにより電磁トルクが低下し、負の速度ランプ (-320 rpm/s) に従って減速します。

t = 5.3 秒付近で、電機子電流は 0 A に達してブリッジの交差が発生し、電機子電流が負になります。コンバーター 1 は無効になり、コンバーター 2 は有効になります (Block_1 が高に、Block_2 が低になります)。交差時に両方のコンバーターの同時導通 (および、これによる循環電流) が発生しないように、コンバーター 2 はコンバーター 1 が無効になった数ミリ秒後に有効となります。その後、コンバーター 2 は負荷電流を出力し、コンバーター 1 の出力電流はゼロになります。ブリッジ切り替えにおいて、電流波形は滑らかな状態で維持されます。この負の電流によりブレーキ トルクが生成され、ファンが減速します。

t = 8.2 秒で回転数は 0 rpm になり、電機子電流が加速トルクを生成して、負の速度平面でファンが加速できるようになります。

t = 11 秒で、回転数と電機子電流がそれぞれ約 -600 rpm と 90 A で安定します。

メモ:

1) 電力システムは 5 us のタイム ステップで離散化されています。マイクロコントローラーの制御デバイスのシミュレーションを実行するために、制御システム (制御器とブリッジ ドライバー モジュール) は 100 us のタイム ステップを使用しています。

2) スコープ メモリに格納される点数を減らすため、間引き係数に 10 を使用します。