Modelling direct torque controlled induction machine in Simulink
Hämäläinen, Mikko (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202102013363
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202102013363
Tiivistelmä
In this thesis Direct Torque Control (DTC) of induction machine was studied to an extent that allowed building a DTC model with the Matlab® Simulink® software. The aim of the thesis was to create a DTC model that could be used in the education of the electrical drives.
In the Simulink Simscape™ Electrical™ library there are already blocks for the DTC and the induction machine. The purpose of this thesis, however, was to create corresponding models using just the basic Simulink blocks. This allows to understand better what happens withing the DTC.
With the model created the effect of different hysteresis band widths, different sampling periods, different motor conditions and different inductances were simulated. Increasing the hysteresis band widths and sampling period lead to lower average switching frequencies, which increases the harmonic content of the motor phase currents. Although lower switching frequency lowers the switching losses the motor losses increase as a result of increased harmonics. In addition, it was noticed that different motor load conditions have a big impact on the switching frequency.
Values of stator and rotor leakage inductances and the magnetizing inductance also had an impact on the switching frequency. Higher leakage inductances lowered the switching frequency. Phase currents also changed depending on the inductances. With lower leakage inductances the starting currents rised considerably. Steady-state currents got lower as the magnetizing inductance rose. Työssä tutkittiin, kuinka induktiokoneen suora vääntömomentin säätö (Direct Torque Control, DTC) toimii, sekä rakennettiin induktiokoneen ja DTC-säätimen simulointimallit Matlab® Simulink® ohjelmistolla. Tavoitteena oli, että suorasta vääntömomentin säädöstä ja sen simuloinnista saataisiin yhtenäinen kokonaisuus, jota voitaisiin käyttää apuna sähkökäyttöjen opetuksessa.
Induktiokoneelle ja DTC-säätimelle löytyy valmiit lohkot Simulinkin Simscape™Electrical™ kirjastosta. Tässä työssä tehdyillä malleilla kuitenkin oli ehtona, että ne piti luoda ilman erillisiä Simulink kirjastoja. Tällä tavoin tehdyt mallit pystyttäisiin mitä todennäköisimmin luomaan vielä tulevaisuudenkin Simulink® versioiden kanssa. Lisäksi pienempinä paloina DTC-säädön toimintaperiaate on paremmin omaksuttavissa.
Tehtyjen Simulink mallien avulla havainnoitiin, miten hystereesirajojen tai näytteenottojakson muutokset sekä oikosulkumoottorin erilaiset kuormitustilanteet vaikuttavat suoran vääntömomentinsäädön kytkentätaajuuden keskiarvoon ja virran harmoniseen sisältöön.
Huomattiin, että kytkentätaajuuden keskiarvo laskee isommilla näytteenottojaksoilla ja hystereesirajoilla, sekä pienellä moottorin kuormituksella. Kytkentätaajuudeen laskiessa invertterin kytkentähäviöt pienenevät, mutta moottorille syötettävän virran harmoninen sisältö kasvaa, jolloin moottorin häviöt kasvavat.
Moottorin induktansseilla oli myös huomattava vaikutus invertterin kytkentätaajuuksiin, sekä moottorin ottovirtoihin. Hajainduktanssien kasvaessa kytkentätaajuus pieneni. Käynnistysvirroissa huomattiin sama ilmiö. Ilman kuormaa ja kuormitettuna jatkuvuustilan virrat laskivat magnetointi-induktanssin kasvaessa.
In the Simulink Simscape™ Electrical™ library there are already blocks for the DTC and the induction machine. The purpose of this thesis, however, was to create corresponding models using just the basic Simulink blocks. This allows to understand better what happens withing the DTC.
With the model created the effect of different hysteresis band widths, different sampling periods, different motor conditions and different inductances were simulated. Increasing the hysteresis band widths and sampling period lead to lower average switching frequencies, which increases the harmonic content of the motor phase currents. Although lower switching frequency lowers the switching losses the motor losses increase as a result of increased harmonics. In addition, it was noticed that different motor load conditions have a big impact on the switching frequency.
Values of stator and rotor leakage inductances and the magnetizing inductance also had an impact on the switching frequency. Higher leakage inductances lowered the switching frequency. Phase currents also changed depending on the inductances. With lower leakage inductances the starting currents rised considerably. Steady-state currents got lower as the magnetizing inductance rose.
Induktiokoneelle ja DTC-säätimelle löytyy valmiit lohkot Simulinkin Simscape™Electrical™ kirjastosta. Tässä työssä tehdyillä malleilla kuitenkin oli ehtona, että ne piti luoda ilman erillisiä Simulink kirjastoja. Tällä tavoin tehdyt mallit pystyttäisiin mitä todennäköisimmin luomaan vielä tulevaisuudenkin Simulink® versioiden kanssa. Lisäksi pienempinä paloina DTC-säädön toimintaperiaate on paremmin omaksuttavissa.
Tehtyjen Simulink mallien avulla havainnoitiin, miten hystereesirajojen tai näytteenottojakson muutokset sekä oikosulkumoottorin erilaiset kuormitustilanteet vaikuttavat suoran vääntömomentinsäädön kytkentätaajuuden keskiarvoon ja virran harmoniseen sisältöön.
Huomattiin, että kytkentätaajuuden keskiarvo laskee isommilla näytteenottojaksoilla ja hystereesirajoilla, sekä pienellä moottorin kuormituksella. Kytkentätaajuudeen laskiessa invertterin kytkentähäviöt pienenevät, mutta moottorille syötettävän virran harmoninen sisältö kasvaa, jolloin moottorin häviöt kasvavat.
Moottorin induktansseilla oli myös huomattava vaikutus invertterin kytkentätaajuuksiin, sekä moottorin ottovirtoihin. Hajainduktanssien kasvaessa kytkentätaajuus pieneni. Käynnistysvirroissa huomattiin sama ilmiö. Ilman kuormaa ja kuormitettuna jatkuvuustilan virrat laskivat magnetointi-induktanssin kasvaessa.