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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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PWM控制的环形变换器馈电分相感应电动机的建模与仿真

Vinamra Kumar Govil1， Yogesh Chaurasia2
  1. 电气工程系阿德什工程学院印度旁遮普邦法里德果德科技公司
  2. 墨西哥墨西哥城国际医学研究所"La Raza"国家医疗中心传染病科
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

单相感应电动机因其节能的特点而被广泛接受。为了驱动不同的机械负荷长时间工作，机器需要控制，以提高其效率和减少瞬态。为了控制电机的输出参数，即转速和电磁转矩，系统的固定频率发生变化，并采用循环变换器和PWM技术来提高系统效率。由于IGBT改进了动态性能和效率，并降低了可听到的噪声水平，所以循环变换器是建立在IGBT上的。由于输入MOS栅极结构，驱动功率低，驱动电路简单。与电流控制器件(晶闸管，BJT)相比，它在高电压和大电流应用中易于控制。在PWM的帮助下，输出电压控制可以在不添加任何外部元件的情况下实现，PWM可以最小化低阶谐波，而高阶谐波可以使用滤波器消除

关键字
单相环变换器，分相感应电机，PWM脉冲发生器，IGBT MATLAB R (2010a)。

介绍
对由环形变换器控制的异步电动机进行了广泛的分析。在最简单的形式下，单相异步电动机在结构上与具有鼠笼式转子的多相异步电动机相同，唯一的区别是分相异步电动机在定子上有单绕组。分相异步电动机是电力网络中最常用的电动机，它产生的mmf在空间上固定，但在时间上是交替的，多相定子绕组携带平衡电流产生的mmf在空间上绕气隙旋转，相对于与mmf运动的观察者在时间上是恒定的。分相异步电动机通常是小功率制造，广泛应用于家庭和商业应用。本文介绍了一种以循环变换器为馈源的分相异步电动机的速度控制方案。循环变换器用于非常大的变频驱动器，额定值从几兆瓦到几十兆瓦。单相输入的环形变换器如图1所示，单相输入到单相输出的环形变换器如图4所示，这是最简单的环形变换器电路。最简单形式的单相异步电动机在结构上与具有鼠笼转子的多相异步电动机相同，唯一的区别是分相异步电动机在定子上有单绕组。分相感应电动机是电力网络中最常用的电动机。多相定子绕组携带平衡电流，产生MMF在空间中围绕气隙旋转，相对于随MMF移动的观察者，时间恒定。分相感应电动机通常采用小功率制造，在国内和商业应用中得到广泛应用。IGBT在构建PWM控制的环形变换器中具有高速、大功率开关的优势。第二节概述了IGBT环形变换器的特点和基本操作。 Section III deals with modeling of Split phase induction motor where the speed and torque equation are mathematically derived. Section IV deals with PWM generator how a PWM pulse is generated and useful. Section V deals with the desired simulation result for pwm controlled Cycloconverter. Section VI deals with future application and scope and section VII is conclusion.

循环变换器模型的概念
建立了循环变换器模型。首先，所有的输入电压都是用正弦波作为输入。除了相位输出电压之外，并没有产生线路电压，而是将相位电压前移30度以产生如图5.1所示的定时波形。再加入参考波形，将定时波形转换为图5.2所示波形。在这一点上，输出波形的构造开始;布尔变量包含每个转换器中哪个IGBT最近打开的信息。该IGBT一直处于开启状态，直到发射波形在正或负边缘越过零边界，从而触发下一个IGBT，根据开关模式自动关闭另一个开关。同样，这个IGBT会一直处于开启状态，直到有两个IGBT被触发。由于每个IGBT直接对应于其中一个相位电压波形，当其对应的IGBT接通时，这些波形简单地直接转换到输出。这恰好产生了“剪切和粘贴”类型的波形，在真正的循环转换器的情况下，每个正、负转换器的输出都产生了这种波形。 Lastly, these waveforms are averaged, an effect that happens because of the inter-group reactor separating them. The inductance acts to sum the integrals of the voltage together, acting in effect as an averaging device.

IGBT基本面:
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种具有高输入阻抗和大双极载流能力的小载流子器件。许多设计人员认为IGBT是一种具有MOS输入特性和双极输出特性的器件，是一种压控双极器件。为了充分利用功率MOSFET和BJT的优点，引入了IGBT。它是功率MOSFET和BJT器件在单片形式的功能集成。它结合了两者的最佳属性，以实现最佳的设备特性。
IGBT适用于电力电子领域的许多应用，特别是需要高动态范围控制和低噪声的脉宽调制伺服和三相驱动。它也可用于不间断电源(UPS)，开关模式电源(SMPS)，以及其他需要高开关重复频率的电源电路。IGBT提高了动态性能和效率，并降低了可听到的噪声水平。它同样适用于谐振模变换器电路。优化后的IGBT可实现低导通损耗和低开关损耗。

IGBT相对于功率MOSFET和BJT的主要优点是:
1.由于电导率调制，它具有非常低的导通压降，并具有优越的导通电流密度。因此，更小的芯片尺寸是可能的，成本可以降低。
2.由于输入MOS栅极结构，驱动功率低，驱动电路简单。与电流控制器件(晶闸管，BJT)相比，它在高电压和大电流应用中易于控制。
3.广泛的SOA。与双极晶体管相比，它具有优越的电流传导能力。它还具有出色的正向和反向阻塞能力。IGBT适用于提高屏蔽电压能力。

主要缺点是:
1.开关速度比功率MOSFET慢，比BJT快。由于小载流子的存在，集电极电流尾流导致关断速度变慢。
2.由于内部PNPN晶闸管结构，存在闩锁的可能性。
图像
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本文主要研究了环变换器&分相感应电动机。循环变流器的作用是提高系统的效率和性能。本文的目的是分析和设计不同类型电机馈电的循环变换器。目前常用的变频调速检测主要是监测转子转速的具体变化。在目前的工作中，研究已在主要和辅助。电流、电磁转矩，用于分相感应电机的调速。这主要是基于通过仿真程序生成的虚拟数据，它允许由于不同负载的影响参数的变化而改变分相感应电机的性能。不同速度的诊断总是从对工作的基本物理认识开始。在这一阶段，对经过良好测试的模型的了解可以模拟不同的控制条件，这是获得模式分类的基本条件。本工作的目的之一是研究分相异步电动机转速控制下的环变换器的各项指标。

分相感应电动机建模
分相感应电动机通常在定子侧采用两个绕组，在转子侧采用鼠笼式绕组。辅助绕组用于产生旋转磁场来启动电机。如图4所示，副绕组轴线位于主绕组90电前位置。在固定的d-q框架中对电机进行了生动的模拟，以方便逆变器和后来的反馈调节器的应用。由于主绕组和辅助绕组的轴已经是正交的，所以固定的d-q轴被选择与物理绕组的正交轴对齐。鼠笼转子由等效的两个线圈转换为固定的d-q轴，如图所示
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自两个定子绕组;即主线圈和辅助线圈匝数不同，它们会产生不同的相互电抗。因此，将辅助线圈转换为与主线圈匝数相同的等效线圈。等价线圈的新变量如下:
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电机的电压方程可以在d-q平稳架中写成:
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运动方程为:
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PWM发生器
转换桥中基于载波的两电平脉宽调制器(PWM)的脉冲生成。脉冲是通过将三角形载波波形与参考调制信号进行比较而产生的。调制信号可以由PWM发生器本身产生，也可以是连接在模块输入端的外部信号矢量。产生单臂或双臂电桥的脉冲需要一个参考信号，产生三相、单臂或双臂电桥的脉冲需要三个参考信号。PWM驱动器从电源中提取几乎统一的功率因数电流，并在所有电机速度下保持在恒定水平。使用SPWM(正弦脉冲宽度调制)技术，可以通过在环形变换器内部进行控制来控制环形变换器输出电压的基本幅度为常数，而不需要外部控制电路。最有效的方法是在循环转换器内使用脉冲宽度调制(PWM)控制。在该方案中，环形变换器由固定的输入电压供电，通过调节环形变换器组件的通断周期来获得可控的交流电压。PWM控制方案的优点是[10]:a)无需添加任何外部元件即可获得输出电压控制。
b) PWM最小化低阶谐波，而高阶谐波可以使用滤波器消除。该方案的缺点是在循环变换器中使用的开关器件价格昂贵，因为它们必须具有较低的开关时间，但PWM操作在所有工业设备中非常流行。PWM技术的特点是每个周期具有不同占空比的恒幅脉冲。通过对这些脉冲的宽度进行调制，实现对环变换器输出电压的控制，并降低其谐波含量。有不同的PWM技术，本质上不同的是在其各自的输出电压的谐波含量，因此选择特定的PWM技术取决于循环变换器输出电压的允许谐波含量。

仿真结果
Simulink模型如图1和图2所示。本文的目的是分析异步电动机的转速性能。分相感应电动机的定子有两个绕组，主绕组和辅助绕组。由于异步电机的d-q轴模型仅适用于正弦输入电压，因此必须将环变换器的输出电压分解为其基元。图(3-14)显示输入频率为1相环变换器输出频率的2,3 4倍时，输出相位电压和电流。
显示输入频率为1相环变换器输出频率的3倍时的输出相位电压和电流。从控制角度看，所提出的环变换器仿真结果如图所示。为了更好地理解控制系统，验证研究者在之前的研究论文[2]中描述的控制技术，我们开发了一个Simulink模型，如图6所示。模拟从生成50 Hz参考正弦波开始。
从以上讨论和形成的波形图中可以注意到以下一点。由于发射角度保持不变，平均输出电压波形远不是正弦波。电流波形在每个周期后不重复。允许一些循环电流从正变流器流到负变流器。在这种情况下，电抗器中的循环电流限制连接在正、负转换器之间。为了获得合理良好的正弦或方形输出电压波形，并消除电源电压短路的可能性，输出频率被限制在远低于电源频率的值。

循环变换器的未来应用
在实际电力应用中使用环变换器的许多问题都是由于次谐波的问题直接导致的。如果用于循环变流器的发电机或循环变流器负载不够健壮，无法处理不完美的电能质量，则循环变流器将被迫进入非常严格的运行条件。必须限制输出频率，以便在可过滤的频谱内包含谐波。然而，这些限制都是基于循环变换器的输入功率来自标准发电机的假设。目前的技术已经能够扩大循环变换器的可能使用，远离这些限制假设。最近分布式发电的增加引发了对微型涡轮机的研究热潮。微型涡轮机是燃气内燃机和发电机的集成，在几十千赫兹的频率上产生几百千瓦的输出功率。与柴油发电机相比，这是一个极端的飞跃，柴油发电机通常产生60赫兹的功率。然而，随着新设备技术的加入，固态开关的限制正在迅速解除，微型涡轮的研究继续产生各种模式的ls。很有可能很快就会出现高频发电机和循环变换器的可能组合。 The other technology that has restricted the development of the Cycloconverter to slow operating machinery is the limited switching speeds of most present day power electronic switches. However, with better switching technology such as higher speed thyristors or new high power integrated gate bipolar transistors Cycloconverter could be used with these high frequency generators. This would effectively eliminate output-to-input ratio issues including the unfilterable sub harmonics and inter harmonics contained in both outputs and inputs.

结论
设计了PWM控制的环形变换器电路，并进行了仿真，取得了预期的效果。单相转矩变换器用于单相电机，通过设计的转矩变换器，产生与特定机器需求转矩特性相匹配的供电转矩特性，从而达到平衡机器转矩需求的目的。这种不同频率的变环器还可用于更换运行机器上的飞轮，从而减少机器扭转振动和疲劳损伤的原因。提出了一种环变馈分相异步电动机的反馈控制方案。此外，它提供的手段，以限制滑移，从而电机电流。这意味着降低了循环变流器的额定值和提高了效率。本文将报告使用matlab对耦合到感应电机的单相环形变换器所获得的结果。

确认
我们非常感谢我们的部门给我们机会来执行这项研究论文，这是旁遮普省技术大学m.t tech课程的一个组成部分。借此机会，我们也要向我们的项目指导老师表示衷心的感谢，他们在本文执行的关键阶段为我们提供了宝贵的意见。我们要感谢每一位帮助我成功完成这篇论文的人的支持，我要感谢AIET Faridkot电学系的H.O.D Tejinnder singh Saggu和来自SITM勒克瑙的Arun Kumar Yadav先生。感谢他们的指导、支持和指导，没有他们，这个项目就不可能成型。我们也非常感谢我的父母在整个研究论文过程中一直给予我的指导和全力支持。我们也感谢系里的工作人员在我的研究论文过程中给予的合作。

数字一览
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参考文献


















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