Модели пониженного порядка электрических машин (ROM) для задач электропривода

Электрические машины являются высоко нелинейными системами из-за нелинейных свойств материалов и конструктивных пространственных гармоник. Для разработки высокопроизводительных приводов электродвигателей крайне важно использовать высокоточные модели электрических машин в цепи управления. Прямая связь между моделью конечных элементов двигателя и схемой управления приводит к медленной скорости моделирования. Чтобы обеспечить такую же точность моделирования системы, как в случае “co-simulation” схемы с конечноэлементной моделью электродвигателя, но в то же время не жертвовать скоростью моделирования, предлагается использовать модели пониженного порядка (ROM), созданные на основании результатов конечноэлементного моделирования.

ANSYS Maxwell позволяет быстро генерировать ROM для электрических машин, в котором рассматриваются как пространственные гармоники, так и эффект насыщения материалов магнитопровода. Затем ROM можно импортировать в ANSYS Simplorer или сторонние инструменты для разработки высокопроизводительного алгоритма управления.

Создание ROM для двигателя класса PMSM в ANSYS Maxwell

Электромагнитный момент и потокосцепления в синхронной машине с постоянными магнитами (PMSM) определяется токами фаз и положением ротора. Модели пониженного порядка ROM требуют данные о производительности машины во всех возможных условиях эксплуатации. ANSYS Maxwell содержит инструменты для легкой работы с экспериментом, охватывающим все возможные токи и положения ротора в рабочем диапазоне, на этапе сбора необходимых данных для создания ROM. ANSYS Maxwell предлагает высокую гибкость в разрешении модели и выборе координатной системы для представления электрической машины. Как только выбрана координатная система и разрешение модели, Maxwell автоматически генерирует ROM двигателя.

Рисунок 1. Опция для выбора координатной системы для перебора значений тока.

Техника ускорения создания модели

Когда электрическая машина геометрически и электрически симметрична, ANSYS Maxwell требуется анализировать только 60 электрических градусов для каждого значения тока вместо 360 электрических градусов. ANSYS Maxwell восстанавливает полный электрический период в трёхфазной электрической системе возбуждения, исходя из сектора в 60 электрических градусов, что снижает общее время моделирования более чем на 80 процентов.

Рисунок 2. Несколько шагов для создания PMSM ROM. Выполняется в рамках одного нестационарного решения.

Рисунок 3. ANSYS Maxwell восстанавливает полный электрический период в трёхфазной электрической системе возбуждения, исходя из сектора в 60 электрических градусов

Применение высокоточных моделей пониженного порядка PMSM ROM в задачах электропривода.

PMSM ROM, созданное в ANSYS Maxwell, может быть легко импортировано в ANSYS Simplorer для разработки алгоритма управления. В качестве примера, при работе ROM в составе схемы векторного управления (FOC), гармоники в магнитном потоке и вращающем моменте будут чётко отражаться в напряжении питания и токе. Это позволяет оптимизировать

алгоритм управления для отклика динамической системы на возмущения, минимизации потерь, подавления пульсаций вращающего момента и т.д. Кроме ANSYS Simplorer, ROM может быть импортирован в сторонние инструменты, какие как системы HIL (программно-аппаратное моделирование), Matlab/Simulink.

Рисунок 4. PMSM ROM в составе схемы управления ANSYS Simplorer

Заключение

ANSYS предлагает набор инструментов для создания высокоточных моделей электрических машин пониженного порядка для разработки алгоритма управления.  Ansys Maxwell создает параметрическую таблицу по перебору значений тока возбуждения и положений ротора в заданном диапазоне для автоматического создания ROM синхронных PMSM машин, которые учитывают пространственные гармоники и эффект насыщения магнитопровода. Модель пониженного порядка с высокой точностью описывает поведение фактической машины. В составе схем управлений ANSYS Simplorer позволяет получать наиболее быстрый отклик, что значительно экономит время моделирования. Для использования модели в сторонних платформах моделирования введена возможность поддержки ROM различных форматов.