The speed stabilization system of electromechanical energy converters in Ansys Twin Builder

Abstract

The paper is devoted to solving the problem of building a control system for a special electro mechanical energy converter, which is due to the inverted structure of the stator and the pres ence of a solid hollow rotor made of ferromagnetic steel. The task of the control system is to ensure the speed of the rotor's run-up to a given value in a certain time and then maintain it regardless of load fluctuations. The task was solved due to the implementation of Field Ori ented Control (FOC) vector control with speed and current controllers and a phase locked loop (PLL). Despite the fact that from the point of view of the electric drive theory, the given task is not new, its solution using only ANSYS Twin Builder blocks is being solved for the first time. The peculiarity of this work is that the electromechanical converter in ANSYS Twin Builder is not presented in the form of a mathematical model and electric machine blocks built into the Twin Builder library, but through the solution of the ANSYS Maxwell 2D/3D coupling project and the ANSYS Twin Builder solver with co-simulation, which significantly increases the quality of calculations. The obtained results will be useful for solving similar problems for other types of electric machines, not only for the considered electromechanical converter of the asynchronous type with a solid rotor.

У статті представлено розробку платформи сумісного моделювання електромеханічного перетворювача енергії з використанням ANSYS Maxwell та ANSYS Twin Builder. Електромеханічний перетворювач енергії, який досліджується, за принципом дії є асинхронним двигуном із зовнішнім порожнистим масивним ротором. В статті розкрита специфіка моделювання такого типу спеціальної електричної машини. В роботі виконано пое тапне моделювання машини в ANSYS RMxprt, експорт моделі в ANSYS Maxwell 2D та 3D. Показано, яким чином виконати налаштування проєкту для імпорту об’єкту, розрахованому методом скінченних елементів в ANSYS Maxwell у поле Twin Builder. Виконано сумісне моделювання електромеханічного перетворювача енергії при живленні від стабільного трифазного джерела. В імітаційній моделі врахована наявність ступінчастого механічного навантаження під час розбігу до номінальної швидкості. Така структура сумісного проєкту дає більш якісні результати моделювання у порівнянні з використанням імітаційних моделей з зосередженими параметрами, заснованих на імплементації диференційних рівнянь електромагнітних перехідних процесів з використанням функціональних блоків. Одержані характеристики показали високий збіг очікуваних результатів за показника ми фазних струмів обмотки статора, обертального моменту та швидкості. Дана робота буде корисна для проведення моделювання електричних машин спеціального виконання, які відсутні у бібліотеці готових модулів ANSYS Twin Builder.