МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ, ПРИ СПАРЕННОМ КОНЕЧНОМ ЭЛЕМЕНТЕ МОДЕЛИ МАШИНЫ С МОДЕЛЬЮ СХЕМЫ  ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Á Рон Сзцкс

УТОК Электрические Машины

Почтовый ящик 186, ФИНАНСОВЫЙ 00381 Хельсинки, ФИНЛЯНДИЯ

 

Резюме

В статье изложены следующие вопросы (обеспечивается краткий обзор): доступные методы для моделирования системы двигателя, когда электрическая машина смоделирована методом конечного элемента (МКЭ) и преобразователь управления смоделирован по схеме цепи. Основной акцент делается на потребность и точность моделирования взаимодействия между подсистемами: электрическая машина, силовая электроника  и логика управления.

 

1. Введение

Типичная система двигателя состоит из электрической машины, силовой электроники и интеллекта управления, обычно объединенного в преобразователь. Предполагается, что измеряя напряжения и токи в соединение терминалов между электрической машиной  и преобразователем, получаем всю информацию нужную для управления:

              -  токи (например: обратный вращающий момент);

-  напряжение от преобразователя (например: обратный поток скорости).

Из этого решения можно предположить, что существует взаимное влияние между электрической машиной и преобразователем, и результат на выходе этого взаимного сцепления есть исходной информацией на входе интеллекта управления.

 

1.1 Условная модель компонентов

Условная модель компонентов включает точное моделирование компонента, который является объектом исследования и оптимизации, при использовании упрощенной модели других компонентов. Традиционно это считается приемлемым подходом. Однако в современной двигательной системе становятся все более трудным определить погрешность упрощенного моделирования, и обычно только после моделирования в результате глубокого анализа может быть дано такое заключение. Это становится парадигмой моделирования системы, а именно быть способным определить, нуждаетесь ли система в точном моделировании или нет.

 

2. Традиционные модели системы двигателя

Электрические машины питаемые от преобразователей частоты обычно исследуются МКЭ, при соответствующей форме волны напряжения , при игнорировании  следствия того, что машина находится в цепи двигателя. Системы управления также часто анализируют только при частичном соответствии точной аналитической модели машины. В этих методах взаимодействие не смоделировано. Оба из вышеупомянутых подходов игнорируют – или слишком упрощают - взаимодействие между электрической машиной и цепью преобразователя. Отдельное изучение подсистем серьезно ограничивают анализ взаимодействия в целой системе. Есть несколько руководящих принципов, чтобы решить, когда такой отдельный анализ оправданный.

1. Моделирование МКЭ электрической машины с волна напряжения полученной от преобразователя оправдано если форму волны напряжения можно рассмотреть как предопределенную. Обычно дело обстоит так, если:

          - управление не изменяет положение переключателя образца;

- в учебных целях принимают, что преобразователь ведет себя линейно. (Напряжение можно рассмотреть независимо от моторного потока.)

-  параметры управления не изменяются.

2. Моделирование схемы цепи преобразователя связано с аналитической моделью машины оправданно, если параметры машины остаются постоянными и точно определены. Дело обстоит так, если:

-   машина движется к известной точке вращения;

         - параметры машины могут быть рассчитаны или измерены с желательной точностью для моделируемой точки действия.

 Для экспертов современных двигательных систем очевидно, что эти условия не всегда могут выполняться. С увеличением частоты основная цель при моделировании двигателя изучить, что случается, когда двигатель бежит в точку действия, где такие ограничения не выполняются. Может быть установлено, что точный анализ системы двигателя для таких случаев требует комплексного моделирования компонентов.

 

3.  Комплексное решение магнитного поля и уравнений цепи.

 

Комплексное решение уравнений магнитного поля в электрических машинах и уравнений цепи обмоток и внешних компонент - более чем десятилетие старая тема исследования [1,2,3]. Первые статьи были связаны с включением цепи электрической машины непосредственно в полевые уравнения, но комбинация электро-мощностных компонентов инверторов последовала вскоре.

 

3.1 Сильное - слабое, прямое - обратное соединение.

 

Терминология сильное - слабое, прямое - обратное соединение непрерывно развивается, и  весьма свободно индивидуально определяется авторами. В некоторой степени отношение, сильного и прямого (слабого и обратного) синонимично. Это - упрощенный, но очень здравый подход, который помогает избегать недоразумений о свойствах соединений. Однако тяжелее определить специальные методы соединений по этому определению. Другие связывают силу соединения с точностью физической используемой модели, а  прямота соединения рассматривается в свете прикладной числовой техники. Объяснение, представленное в этой статье приспособлено для лучшего описания определенной проблемы соединения в системах двигателей, используя МКЭ модели машины и модель схемы цепи преобразователя. Таблица 1. представляет различные возможности для объединения методов использования терминологии в этой статье:

 

 

Таблица1. - Представление методов соединения

 

	Сильное соединение	Слабое соединение
Прямой соединение	Смоделировано взаимодействие между преобразователем и машиной. Уравнения решены совместно в одной системе.	Смоделировано отсутствие взаимодействия между преобразователем и машиной. Уравнения решены совместно в одной системе, но соединение между компонентами отсутствует.
Обратное соединение	Смоделировано взаимодействие между преобразователем и машиной. Уравнения решены отдельно. Обычно в форме числовых разъединений, или повторяющегося процесса.	Смоделировано отсутствие взаимодействия между преобразователем и машиной. Уравнения решены отдельно.

 

 

4. Выбор метода соединения.

 

Метод соединения может быть определен используя  и общее знание относительно системы двигателя, некоторые руководящие принципы для выбора. Следующие переменные будет использоваться, чтобы выбрать метод соединения:

 

*  Тем = постоянные времени электрической машины;(в зависимости от свойств машины, включая все индуктивность, например: конечные обмотки, и т.д.)

*   Тсс = постоянные времени преобразователя и кабеля.

         *    Tс = постоянная времени, (описание скорости) алгоритм управления.

 

Следующие переменные описывают результат выбор метода соединения. Они будут определены как функции предшествующих переменных :

 

*  tмах = максимальный размер шагов времени учитывающихся в анализе(период).  Определено как функция доминирующих переменные выше.

*   от соединения матриц c1-c6, значения которых могут быть установлены на ноль,  называют - значения  слабого соединения между соответствующими подобластями.

Следующие простые руководящие принципы могут использоваться, чтобы определить тип физической модели соединения:

- наименьшая постоянная времени доминирует и определяет максимальное допустимое время размер шага: tмах.

         - большое различие между константами времени указывает, что моделирование взаимодействия может игнорироваться между теми  подсистемами и соединение может быть определенно как слабое соединение.

         - если управление медленное, влияние этого на целую систему нужно рассмотреть одним (или более) временным периодом позже, чем эффект взаимодействия между электроникой преобразователя и электрической машиной.

Некоторые примеры для выбора сцепления представлены в Таблице 2. Отношения переменных представленный как условия на левой стороне и предложенная модель сцепления дается, вводя предложенный нулевые коэффициенты сцепления. Используется для определения соединения матриц, который может быть установлен на ноль. Они указывают, что, только слабое сцепление требуется для тех связанных подсистем.

 

Tабл.2.- Примеры для выбора метода соединения.

 

Условия	Предложенные  "zeroed" коэффициенты соединения
Маленькая машина в конце длинного кабеля, с медленным управлением. Tем <<Tсс и Tем <<Tс	c1, c2, c3, c5 tмах = f (Tем)
Скорость управления, значительно медленнее, чем скорость электрических переходных процессов. Тем ~ = Tсс и (Tем, Tсс) <<Tс	c2, c4, c5, c6 ( Эффекты управления системы, но только в более позднем периоде времени.)

.

5. Числовые вопросы

 

Когда соединены две модели электрических машин МКЭ для вычисления магнитного поля с  моделями уравнений цепи преобразователей, следует обратиться к следующим числовым вопросам:

5.1 Размер временного периода

Моделирование времени переходного периода, требует выбора периода и в магнитной области и в области схемы цепи моделирования. Размер шагов времени может значительно отличаться в этих областях - в зависимости от константы времени - но моделирование требует согласования различного времени периодов. Наиболее простое решение состоит в том, чтобы выбрать меньший шаг времени для обоих областей, хотя это могло привести к неприемлемо долгому вычислению. Другой вариант использовать переменный шаг времени, но выбор метода переменного времени шага требует также осторожной стратегии. Если присутствуют вихревые токи в магнитной системе, то размер переменного шага времени должен быть определен соответственно модели скорректированной для периода времени, зависящего от  источников магнитных полей.

 

 

 

5.2 3-ьи эффекты, смоделированные в 2-ой  МКЭ

Точные значения сопротивления конца дросселя для модели машины 2-го МКЭ– являются исходными данными для расчета МКЭ. Эти погрешности из-за отсутствия 3-х эффектов во 2-ой модели могут иметь важный следствие, потому что реактансы  конца дросселя действует как сглаживающие фильтры.

5.3 Реализация сильного соединения

Когда магнитная полевая модель решена МКЭ, электронные цепи и логика управления смоделированы по схеме цепи, реализация сильного соединения представляет сложную задачу. Использование в качестве коммерческих продуктов этих специальных методов должно поддерживаться финансово. Это требует очень близкого сотрудничества между разработчиками инструментов вычисления.

 

6. Заключение

 

Статья выдвинула на первый план некоторые из главных проблем моделирования 

совместно магнитного поля в электрических машинах, электрических цепях мощности,   логики управления для создания модели системы двигателя. Это очевидно, что  при наличии полных знаний об двух областях - электрические машины и преобразователи -  экспертиза в этих областях не могла бы быть больше достаточной во всех случаях современного анализа системы двигателя. Это является вероятным, что развитие новой "науки соединения" будет строить эффективные вычислительные инструменты для моделирования системы двигателя в будущем.

 

Область  применений для спаренного моделирования включает:

 

- управляемый двигатель, работающий отдельно (например: сдвоенные ветровые генераторы);

- управляемый двигатель, работающий в сети;

- другие явления мультифизики – вовлечение электромагнитного полевого вычисления и  моделирование схемы цепи преобразователя - в подсистемы.