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エレクトロニクス、メカトロニクス、および電力システム ネットワークの作成とシミュレーション
次のようなモデル化とシミュレーションの重要な手法について学びます。
複合三相端子と展開三相端子の切り替え
物理量信号端子と電気端子の切り替え
熱端子を用いた熱効果のシミュレーション
トピック
- 基本的な電気モデリング手法
Simscape™ Electrical™ を使用してエレクトロニクス システム、メカトロニクス システム、および電力システム ネットワークを作成する際に、Simscape のモデル化のルールを適用する。
- 三相端子
三相線用の複合端子または単相線用の展開端子を使用して、三相ブロックを接続します。
- 物理量信号端子と電気端子の切り替え
Simscape Electrical のブロック上で、物理量信号端子と電気量保存端子を切り替える。
- 論理ブロックの出力モデルの選択
論理ブロックで使用可能な 2 つの出力モデルの確認。
- エレクトロニクス システム、メカトロニクス システム、または電力システムのシミュレーション
Simscape Electrical モデルをシミュレートするためのベスト プラクティスと手法の確認。
- 半導体の熱効果のシミュレーション
熱端子の使用による、発生する熱とデバイスの温度のシミュレーション。
- 回転アクチュエータおよび並進アクチュエータでの熱効果のシミュレーション
熱端子の使用による、発生する熱とデバイスの温度のシミュレーション。
- 太陽光/熱 (PV/T) ハイブリッド ソーラー パネル
Simscape、Simscape Electrical および Simscape Fluids™ を使用してマルチドメイン電力コジェネレーション システムをモデル化する。
- Build and Simulate a Single-Phase Half-Bridge Inverter with Ideal Switches
Build a Simscape Electrical model of a single-phase half-bridge inverter with ideal switches, run the model, and examine the results.
- Build and Simulate Single-Phase Half-Bridge Inverter with Ideal Switches and Thermal Port
Build a Simscape Electrical model of a single-phase half-bridge inverter with ideal switches and a thermal port, run the model, and examine the results.
注目の例
PWM 電圧源と H-Bridge ドライバーを使用した DC モーターの制御
この例では、Controlled PWM Voltage ブロックと H-Bridge ブロックを使用して DC モーターを制御する方法を示します。DC Motor ブロックは、DC 電源電圧が 12 V の場合、2500 rpm で機械動力 10 W を供給し、無負荷速度 4000 rpm で回転します。したがって、PWM 基準電圧を最大値の 5 V に設定した場合、モーターは 4000 rpm で回転します。PWM 基準電圧を 2.5 V に設定した場合、モーターは約 2000 rpm で回転します。高速なシミュレーションを実現するために、この例では、Controlled PWM Voltage ブロックと H-Bridge ブロックの [シミュレーション モード] パラメーターを Averaged に設定します。平均化された動作を検証するには、Controlled PWM Voltage ブロックと H-Bridge ブロックの両方で Simulation mode パラメーターを PWM に設定します。
オペ アンプを使用した三角波発生器のモデル化
この例では、2 つの Band-Limited Op-Amp ブロックを使用して三角波発生器回路をモデル化する方法を示します。回路の最初の段階は、オペ アンプから作成された比較器を表します。2 つの Diode ブロックは、比較器の出力を正または負の 5 V に制限するツェナー ダイオードをモデル化します。これらの制限により矩形波が生成されます。
アナログ アンチエイリアシング フィルター
この例では、アナログ デジタル コンバーターと併用するためのアンチエイリアシング フィルターのアナログ実装を示します。アナログ デジタル コンバーターのサンプリング周波数である 1 kHz と一致させるために、フィルターのカットオフ周波数は 500 Hz に設定されています。テスト信号には、目的の 50 Hz 正弦波に加え、1 kHz アナログ デジタル サンプリング周波数では捉えられない 1100 Hz の高周波成分が組み込まれています。捉えられた信号が、アンチエイリアシングなしとアンチエイリアシングありでスコープに表示されます。アンチエイリアス フィルターを使用すると、50 Hz 正弦波の振幅が、振幅 1、対応する電力 0.5 W (1Ω の参照負荷に対して 27 dBm) で正しく測定されます。
555 タイマーを使用した PWM 回路
この例では、555 タイマーを非安定モードで使用して実装されたパルス幅変調 (PWM) 出力を示します。デューティ比は、ポテンショメーター P1 によって設定されます。このポテンショメーターは、Duty Cycle Control Knob を介して実行時に制御されます。555 タイマーからの出力結果がスコープに表示されます。シミュレーションを終了するには、[停止] ボタンをクリックします。
熱電冷却器としてのペルチェ素子の使用
この例では、冷却モードで動作する、高温側の温度を 50℃に設定したペルチェ素子を示します。冷却モードでは、ペルチェ式セルのパフォーマンス係数 (COP) は、熱電冷却器 (TEC) を通じて伝達された熱の合計を入力電力で除算した値 COP = Qc/Pin に等しくなります。
電動パワー ステアリング
この例では、永久磁石同期電動機 (PMSM) を使用して、自動車のパワー ステアリング システムでドライバーがかけた力を増幅する方法を説明します。
IGBT 熱損失の定量化
この例では、スイッチング損失と伝導損失に基づき、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) 上の温度プロファイルの生成を示します。降圧コンバーターが 2 つあります。1 つのコンバーターでは、IGBT が Foster 熱モデルに連結されます。もう 1 つのコンバーターでは、IGBT が Cauer 熱モデルに連結されます。それぞれの熱モデルのパラメーターは、結果がほぼ同等になるように調整されます。シミュレーション時間 50 ms で、駆動周波数が 40 kHz から 20 kHz に変化し、伝導損失が増大してスイッチング損失が減少します。損失が変化すると、それに対応して IGBT の温度も変化します。
降圧コンバーターの電圧制御
この例では、降圧コンバーターの出力電圧を制御する方法を説明します。デューティ比を調整するために、Control サブシステムは PI ベースの制御アルゴリズムを使用します。入力電圧はシミュレーション全体を通じて一定と見なされます。可変抵抗がシステムに負荷を提供します。合計シミュレーション時間 (t) は 0.25 秒です。t = 0.15 秒で負荷が変化します。
燃料電池システム
この例では、化学量論的条件とノミナル パラメーターで動作する燃料電池システムを示します。供給される出力は、水素圧の関数として変化します。
三相端子タイプの比較
この例では、複合三相端子と展開三相端子を比較します。最初の回路は、複合三相端子で構成された Voltage Source を示します。Phase Splitter ブロックは Simscape™ Foundation ライブラリの電気素子へのインターフェイスを提供します。2 番目の回路は、Simscape Foundation Library の電気素子に直接接続できる展開三相端子で構成された Voltage Source を示します。Voltage Source は、[モデリング オプション] マスク パラメーターを使用して、複合三相端子から展開三相端子に変更できます。
三相 2 レベル PWM 発生器
この例では、PWM 発生器 (三相、2 レベル) を使用してコンバーターを制御する方法を説明します。PWM 発生器への入力は、基準 AC 波形と 400 V の DC リンク電圧です。コントローラーの波形用に時間スコープが 1 つあります。
三相 3 レベル PWM 発生器
この例では、PWM 発生器 (三相、3 レベル) を使用して 3 レベル コンバーターを制御する方法を説明します。上位と下位の供給電圧は、DC リンク コンデンサ電圧のバランスを調整する中性点コントローラーに入力されます。基準 AC 波形は、PWM 発生器への入力として使用されます。コントローラーの波形に対して、時間スコープが 1 つあります。
磁気ヒステリシスをもつカスタム ソレノイド
この例では、戻しバネをもつ、移動が制限されたソレノイドを示します。Reluctance with Hysteresis ライブラリ ブロックを使用して、磁気ヒステリシスをモデル化します。
平均値チョッパーの制御
この例では、4 象限チョッパーを制御する方法を説明します。Control サブシステムは、出力電流を制御するために、単純な PI ベースの制御アルゴリズムを実装します。シミュレーションを高速化するために、平均値チョッパー モデルを使用します。シミュレーションでは、正と負の両方の指令値を使用します。合計シミュレーション時間 (t) は 1 秒です。t = 0.5 秒で、負荷 DC 電源 E の極性が変更されます。
エネルギー スカベンジャー
このモデルは、単純な代表モデルを使用して、回転エネルギー スカベンジャーのパフォーマンスを調べる方法を説明します。電気エネルギーは、DC モーターのシャフトに接続された、中心からずれた質量から生成されます。質量、ジオメトリ、モーター、および電気のパラメーターを、予想される機械的励起と一致させなければなりません。生成された電力は、抽出された機械動力より小さくなります。これは主に、モーター巻線による損失と、回転子の粘性減衰によるものです。この例は Nunna, K. "Constructive interconnection and damping assignment passivity-based control with applications", Imperial College London (2014) に基づいています。ここでのモデルは、DC-DC コンバーターを省略しているという点で単純化しています。
