Файл: Дипломного проекта Моделирование режимов работы частотно регулируемого электропривода в среде.pdf

34 с широтно-импульсной модуляцией напряжения и выходного реактора. После рассмотрения математических описаний элементов лабораторного стенда, перейдем к моделированию в пакете программ MatLab.

35 3 Моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода в пакете программ MatLab Пакет программного обеспечения MatLab включает в себя ядро компьютерной алгебры Maple и пакет расширений Simulink, а также множество других пакетов расширений, которые позволяют моделировать сложные электротехнические устройства. Библиотека блоков
SimPowerSystems является частью многих дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. Библиотека включает в себя модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи другого оборудования. Также есть раздел блоков, которые используются для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления ими. Специальные функции Simulink и SimPowerSystems позволяют не только моделировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, можно рассчитать установившийся режим работы системы при переменном токе, получить частотные характеристики и выполнить гармонический анализ токов и напряжений. Целью моделирования является построение характеристик зависимости электромагнитного момента и угловой скорости вращения электродвигателя от времени запуска, а также для определения перерегулирования, смещения и времени перехода. Для начала смоделируем простую модель прямого пуска асинхронного двигателя для проверки параметров, а затем модель с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения.

36 3.1 Моделирование прямого пуска асинхронного двигателя ELDIN
A100L4FБУЗ Модель представляет собой принципиальную схему, состоящую из источников синусоидального напряжения, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, блока для измерения основных параметров двигателя, осциллографа для измерения токов статора и ротора, электромагнитного момента и скорости вращения ротора, также в состав модели входит измеритель активной и реактивной мощности. Модель представлена на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 – Модель прямого пуска асинхронного двигателя
ELDIN A100L4FБУЗ В качестве источников переменного напряжения, соединенных по схеме звезда, использованы блоки «AC Voltage Source», в которых задается значение напряжения, фаза и частота. Асинхронный двигатель ELDIN A100L4FБУЗ представлен в виде блока
«Asynchronous Machine SI Units». В данном блоке выбирается тип ротора фазный, беличья клетка, двойная беличья клетка, задаются параметры электродвигателя (номинальная мощность, номинальное напряжение, частота питающей сети, схемы замещения электродвигателя (сопротивления обмоток статора и ротора, индуктивности вцепи статора и ротора и др. Процессы, происходящие при моделировании описаны в главе 2.1.

37 Для измерения параметров электродвигателя используется блок «Bus
Selector», который позволяет отслеживать параметры цепи ротора и статора, а также частоту вращения ротора и электромагнитный момент.
Для того, чтобы отобразить токи ротора и токи статора, соответственно, на одном осциллографе, соответствующие выводы измерителя параметров электродвигателя подключаются к блоку «Mux», после чего вывод данного блока подключается к осциллографу, для отображения которого используется блок
«Scope». Перед моделированием необходимо определить параметры схемы замещения асинхронного электродвигателя ELDIN A100L4FБУЗ, паспортные данные которого представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1 – Паспортные данные электродвигателя ELDIN A100L4FБУЗ н, кВт
n
2
, об/мин
η,
%
cos н, А
????
????
=
????
пуск
????
н
????
п
=
????
пуск
????
н
????
макс
=
????
макс
????
н
J, кГ∙м
2 4,0 1425 84,7 0,83 8,6 6,0 2,3 2,9 0,0101 Исходя из исходных данных определяем
1) Скорость вращения магнитного поля (синхронная скорость вращения
????
1
=
60 ∙ ????
????
????
;
????
1
=
60 ∙ 50 2
= об мин
(3.1)
2) Величину номинального скольжения
???? =
????
1
− ????
2
????
1
; н − 1425 1500
= 0,05;
(3.2)
3) Номинальную угловую скорость вращения ротора н ∙ ????
2 30
;
(3.3)

38 н ∙ 1425 30
= рад с) Угловую скорость вращения магнитного полян с н ∙ 3,14 ∙ 50 2
= рад с
(3.4)
5) Номинальный момент
????
н
=
????
н
????
н
; н 149,15
= 26,82 Нм) Пусковой момент пуск п н пуск 2,3 ∙ 26,82 = 61,69 Нм) Максимальный момент макс макс н макс 2,9 ∙ 26,82 = 77,78 Нм) Критическое скольжение кр н (макс+ макс 1) ; кр 0,05 ∙ (2,9 + √2,9 2
− 1) = 0,516;
(3.8) Примем механические потери мех равными н, тогда мех 140 Вт.
9) Приведенное активное сопротивление обмотки ротора н+ ∆????
мех
)
????
н
2
∙
1 − ????
н
????
н
;
????
????
=
1 3
∙
(4000 + 140)
8,6 2
∙
1 − 0,05 0,05
= 0,982 Ом
(3.9)

39 Потери мощности в активном сопротивлении статорной обмотки, без учета потерь в ферромагнитном сердечнике и добавочных потерь в машине, определяются выражением
∆????
эл1
=
3
√3
∙ н н cos ???? ∙ (1 − ????) − 3 ∙ н ????
????
∙ ????
2
− мех
∆????
эл1
=
3
√3
∙ 380 ∙ 8,6 ∙ 0,83 ∙ (1 − 0,847) − 3 ∙ 8,6 2
∙ 0,982 ∙ 1,023 2
− 140 = 351,635 Вт.
(3.10) где С – коэффициент приведения, который принимается равным 1,01-1,05 меньшие значения для машин большей мощности. Суммарные потери в двигателе в номинальном режиме рассчитываются по формуле ном ном (
1 − ????
ном
????
ном
) ; ном 4000 ∙ (
1 − 0,847 0,847
) = 722,55 Вт) Далее найдем величину активного сопротивления статора н ???????????????? ∙ (1 − ????)
√3 ∙ н ????
2
∙ мех ∙ н
????
????
=
380 ∙ 0,83 ∙ (1 − 0,847)
√3 ∙ 8,6
− 1,023 2
∙ 0,982 −
140 3 ∙ 8,6 2
= 1,584 Ом.
(3.12)
10) Приведенная индуктивность рассеяния ротора
????
????????
= ????
????????
= н ∙ 4 ∙ ???? ∙ ????
????
∙ (1 + ????
2
) ∙ ????
????
∙ н
????
????????
= ????
????????
=
380
√3 ∙ 4 ∙ 3,14 ∙ 50 ∙ (1 + 1,023 2
) ∙ 6 ∙ 8,6
= 0,0033 Гн.
(3.13)
11) Индуктивность статора

40 нс нс макс ∙ ????
н
∙
????
н
????
кр
;
????
????
=
380
√3 ∙ 2 ∙ 3,14 ∙ 50 ∙ 8,6 ∙ √0,3111 −
2 3 ∙
√3 ∙ 2 ∙ 3,14 ∙ 50 ∙ 77,78 2 ∙ 380
∙
0,05 0,516
= 0,1458 Гн.
(3.14)
12) Индуктивность контура
????
????
= ????
????
− ????
????????
;
????
????
= 0,1458 − 0,0033 = 0,1425 Гн;
(3.15) Определяем коэффициент приведения C1 после расчета параметров по формуле
????1 = 1 +
????
????????
????
????
;
????1 = 1 +
0,0033 0,1425
= 1,023.
(3.16) Полученное значение необходимо сравнить с принятым коэффициентом C и при необходимости повторить расчет параметров. В нашем случае они равны. После расчета требуемых параметров, добавляем их в окно блока
«Asynchronous Machine SI Units», изображенное на рисунке 3.2.
Промоделировав, снимаем показатели тока статора и ротора двигателя и скорости вращения. Сравниваем рассчитанные параметры с результатами моделирования и делаем соответствующие выводы.

41 Рисунок 3.2 – Окно параметров блока «Asynchronous Machine SI Units» Результатом моделирования являются графики зависимостей токов статора и ротора от времени соответственно и разгонная характеристика, представленные на рисунках 3.3 – 3.5. Рисунок 3.3 – Зависимость токов статора от времени

42 Рисунок 3.4 – Разгонная характеристика Рисунок 3.5 – Зависимость токов ротора от времени

43 На рисунках 3.3 и 3.5 показано значение тока статора и ротора при заданных параметрах двигателя. Данные значения имеют следующие характеристики в момент пуска двигателя пусковой ток принимает значение 63,55 А, после чего снижается до 8,6 А, при этом кратность пускового тока к номинальному превышает указанное в паспорте значение и составляет 7,4, вместо 6. Такое превышение существенно повысит потребление электроэнергии и уменьшит срок службы двигателя. Рисунок 3.4 показывает разгонную характеристику двигателя в зависимости от времени моделирования. Из рисунка 3.4 видно, что время переходного процесса моделирования не превышает 0,5 с. После момента времени 0,5 с двигатель разгоняется до номинальной скорости 1425 об/мин. Припуске двигателя присутствуют колебания скорости, в действительности они привели бык вибрации оборудования и также уменьшило бы срок его службы. Рисунок 3.6 – График электромагнитного момента навалу двигателя при прямом пуске Рисунок 3.6 отображает зависимость электромагнитного момента навалу двигателя от времени моделирования. При запуске двигателя его пусковой момент составляет 210 Нм, что превышает допустимое значение 61,69 Нм.

44 Рабочее (номинальное) значение электромагнитного момента равно расчетному и составляет 26,68 Нм. Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя ELDIN
A100L4FБУЗ представлена на рисунке 3.7. Рисунок 3.7 – Механическая характеристика ELDIN A100L4FБУЗ Вывод прямой пуск не вполне подходит для данного электродвигателя. При повышенном пусковом токе и электромагнитном моменте данная система электропривода будет потреблять гораздо больше электрической энергии из сети и быстрее выйдет из строя. После моделирования прямого пуска асинхронного двигателя ELDIN
A100L4FБУЗ, рассмотрим модель асинхронного электродвигателя с полупроводниковым преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения (ПЧ-АД с АИН). Реализация разработанной математической

45 модели, также как и прямой пуск, осуществляется с помощью пакета программ
MatLab (приложение Simulink и SimPowerSystems).
3.2 Моделирование пуска асинхронного частотно-регулируемого электропривода
Регулирование скорости АД осуществляется изменением напряжения и частоты источника питания, работающего как в режиме источника напряжения, таки источника тока. Следовательно, скорость вращения и электромагнитный момент навалу двигателя можно регулировать путем изменения напряжения источника питания при f = const, изменения частоты и напряжения источника питания (скалярное управление частотой, изменения частоты и тока обмотки статора (скалярное частотно-токовое управление, изменение частоты и значений тока переменных асинхронного двигателя и взаимная ориентация их векторов в полярной или декартовой системе координат (векторное управление. Принцип скалярного управления частотно-управляемым асинхронным электроприводом основан на изменении частотных и токовых значений модулей переменных асинхронного двигателя (напряжения, магнитные потоки, проточные муфты и токи цепей двигателя. Системы с обратной связью потоку статора и скорости вращения нашли наибольшее применение. Математическое описание данной модели рассматривается в главе 2.2. Сама модель представлена на рисунке 3.8.

46 Рисунок 3.8 – Структура модели асинхронного двигателя с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения При моделировании режимов работы электродвигателя необходимо ввести рассчитанные заранее параметры в соответствующие строки окна задания параметров электродвигателя, изображенного на рисунке 3.9. Рисунок 3.9 – Окно задания параметров двигателя

47 После этого рассмотрим состав модели системы электропривода с описанием примененных блоков, которая представлена на рисунке 3.10. Сама система состоит из регулятора скорости, неуправляемого выпрямителя, преобразователя, инвертора напряжения и измерителя параметров, регулятора тока и самого асинхронного двигателя. Рассмотрим блоки, входящие в состав блок-схемы асинхронного двигателя

Source – установщик значений двигателя Speed Controller - блок регулятора скорости двигателя F.O.C. – диспетчер, который производит выборку времени Braking
Chopper - блок, который выполняет динамическое торможение. Блок для установки момента сопротивления навалу двигателя представлен в функции времени через блок «Torque reference» библиотеки SimPowerSystems, который позволяет изменять момент сопротивления навалу двигателя. Рисунок 3.10 – Состав блока системы электропривода ПЧ-АД с АИН Перейдем к получению результатов моделирования.

48 Рисунок 3.11 – График тока статора электродвигателя Рисунок 3.12 – График скорости вращения ротора

49 Рисунок 3.13 – График момента навалу двигателя На рисунке 3.11 изображен ток статора электродвигателя вовремя пуска, работы на номинальной скорости и торможении. Пусковой ток приданной системе электропривода по сравнению с прямом пуском снизился почтив раза и составил 24,15 А. Соответственно, кратность пускового тока к номинальному равна 2,81 (в то время, как по паспортным данным допускается 6). Это снижение пускового тока благоприятно отразится на работе оборудования и уменьшит затраты на потребление электроэнергии. На рисунке 3.12 изображен график скорости вращения ротора двигателя, по которому можно сделать следующие выводы ко времени 0,5 с после пуска электродвигателя скорость вращения ротора достигает установившегося значения, как при прямом пуске, но при этом отсутствует колебательный процесс, что в реальной жизни означает уменьшение или отсутствие вибраций. После этого на моменте времени 1 с начинается процесс торможения электродвигателя, после чего скорость двигателя уходит в ноль к моменту времени 1,6 с.

50 На рисунке 3.13 изображен график момента, который показывает, что использование системы управления ПЧ-АД с АИН позволило сократить момент двигателя нас Нм до 22,15 Нм. Это позволит прилагать меньше усилий электроприводу для вращения механизма и соответственно потреблять меньше электроэнергии из сети. Механические характеристики при частотном регулировании скорости вращения ротора асинхронного двигателя ниже номинальной представлены на рисунке 3.14. Рисунок 3.14 – Механические характеристики при частотном регулировании скорости вращения ротора АД
Вывод: в результате моделирования было выявлено преимущество применения преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения для пуска, установившегося режима работы и торможения асинхронного двигателя. При этом наблюдается уменьшение пускового тока, рабочего момента, вибраций при разгоне двигателя, что существенно влияет на его срок службы и потреблении электроэнергии. После рассмотрения моделей в пакете программ MatLab перейдем к работе с самим стендом Интеграл.