两台电机驱动器的机械耦合

简介

为了在各种负载条件下测试电机驱动器，必须在电机轴上提供可变且双向的负载。此外，理想的负载还应允许将电机吸收的能量以电能形式回馈至电网。这种负载可以使用四象限电机驱动器（例如 DC2 或 DC4 模型）来实现。通过使用机械轴模型，可以方便地将这两种电机驱动器中的任意一种与正在测试的电机驱动器模型耦合。

因此，本案例研究将把 AC4 电机驱动器模型与 DC2 电机驱动器耦合。AC4 电机驱动器是一种基于直接转矩控制（DTC）的三相感应电机驱动器。DC2 电机驱动器是一种单相双变换器直流电机驱动器。在这样的系统中，一个驱动器进行速度调节，另一个进行转矩调节，但每个驱动器既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这将在后面看到。DC2 电机驱动器额定值为 3 马力，240 V，1800 rpm；AC4 电机驱动器额定值为 3 马力，380 V，60 Hz，4 极。

注意

也可以使用位于 GUI 下部的机械输入菜单来耦合两台电机驱动器。下图说明了如何在电动-发电机组态中对刚性轴互连进行建模。驱动器 1（机械输入为负载转矩）的速度输出连接到驱动器 2（机械输入为电机速度）的速度输入，而驱动器 2 的电磁转矩输出 Te 施加到驱动器 1 的机械转矩输入 Tm。Kw 系数代表减速比。此外，由于驱动器 2 的电机中忽略了惯量 J2 和粘性摩擦 F2，因此必须在驱动器 1 的电机选项卡中添加它们。

系统描述

由两台机械耦合在一起的电机驱动器组成的完整系统如两台互连驱动器的 SPS 图所示。机械轴模型包含在图的第三个模块中。如果打开此模块，您将看到，如机械轴模型的互连所示，AC4 和 DC2 的电机速度信号分别连接到机械轴模型的 Nm 和 Nl 输入。机械轴模型的输出 Tl 代表从 AC4 电机传输到 DC2 发电机的机械转矩。因此，该输出直接连接到 AC4 的机械转矩输入，并且经过符号取反后连接到 DC2 的机械转矩输入，如两台互连驱动器的 SPS 图所示。

两台互连驱动器的 SPS 图

机械轴模型的互连

速度调节的 AC4 与转矩调节的 DC2

首先，AC4 模型作为速度调节的电动机运行，由作为转矩调节的发电机运行的 DC2 模型加载。此设置包含在 cs_coupling_1 文件中，允许测试 AC4 模型的速度斜坡和负载转矩扰动响应。请注意，在稳态下，AC4 的电磁转矩和速度的符号应相同，这确认了 AC4 作为电动机运行。DC2 的电磁转矩和速度符号应相反，这确认了 DC2 作为发电机运行。这与施加到 DC2 电机驱动器的参考转矩符号与速度符号相反是一致的。

AC4 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应显示了 AC4 电机驱动器在接近满载条件下启动，随后施加负载扰动转矩的结果。您可以看到，由于 AC4 的电磁转矩最大限值足够高，AC4 电机速度与 +400 rpm/s 的参考斜坡完全重合。AC4 电机速度在 t = 1.0 s 时达到要求的 400 rpm 值。此时，AC4 电磁转矩降至 10 N.m。然后在 t = 1.4 s 时，向 DC2 施加 0 N.m 的参考转矩；AC4 电磁转矩立即降至零，以维持调节后的速度。在 t = 1.9 s 时，向 DC2 驱动器施加 +10 N.m 的参考转矩，迫使 AC4 作为发电机运行，DC2 作为电动机运行（查看两个驱动器的速度和转矩符号）。最后，在 t = 2.3 s 时，向 AC4 施加 -400 rpm/s 的负参考速度斜坡。请注意，AC4 再次精确地跟随了要求的斜坡。在 t = 2.8 s 时达到新的稳态，AC4 电磁转矩稳定在 -10 N.m。AC4 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应还显示了轴传递的机械转矩，它与 AC4 电磁转矩相似，但纹波更少。

AC4 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应

转矩调节的 AC4 与速度调节的 DC2

这次，AC4 作为转矩调节的电动机运行，由速度调节的 DC2 驱动器加载。完整系统如两台互连驱动器的 SPS 图所示，并包含在 cs_coupling_2 文件中。机械轴模型与两个驱动器的互连相对于机械轴模型的互连保持不变。两个驱动器的所有调节器增益均与先前情况相同。该设置在相同条件下进行测试。

两台互连驱动器的 SPS 图

DC2 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应显示了 DC2 电机驱动器在接近满载条件下启动，随后施加负载扰动转矩的结果。请注意，DC2 电机速度跟随 400 rpm/s 的参考斜坡，但存在一些超调和欠调。DC2 电机速度在 t = 1.0 s 时达到要求的 400 rpm 值，并在 t = 1.2 s 时完全稳定。然后在 t = 1.4 s 时，向 AC4 施加 0 N.m 的参考转矩；观察 AC4 转矩的响应速度有多快。在 t = 1.9 s 时，向 AC4 驱动器施加 +10 N.m 的参考转矩，迫使 DC2 作为发电机运行，AC4 作为电动机运行（查看两个驱动器的速度和转矩符号）。观察到每次负载转矩变化时，DC2 速度都会超调。最后，在 t = 2.3 s 时，向 DC2 施加 -400 rpm/s 的负参考速度斜坡。DC2 速度跟随良好，但存在小的超调和小的欠调。在 t = 2.8 s 时达到新的稳态，DC2 电磁转矩稳定在 -10 N.m。DC2 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应还显示了轴传递的机械转矩，它与 DC2 电磁转矩的负值非常相似，但纹波更多。

从AC4 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应和DC2 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应所示的结果可以看出，与 DC2 驱动器相比，使用 AC4 驱动器时，速度斜坡响应更精确，负载转矩扰动抑制更有效。这主要是由于 AC4 电磁转矩的动态响应快。回想一下，AC4 驱动器由基于滞环比较器和高频开关的直接转矩控制器组成，而 DC2 驱动器完全依赖于自然换流的晶闸管变换器。然而，AC4 驱动器的转矩脉动幅度高于 DC2 驱动器。

DC2 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应

矩脉动幅度高于 DC2 驱动器。

DC2 电机驱动器的速度斜坡和负载扰动转矩响应