Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика
Посмотреть оригинал

Математическое моделирование и исследования систем с синхронными электроприводами

Для исследования электротехнических комплексов БУ, и в частности ЭП, необходима разработка математических моделей на ЭВМ. Вопросу моделирования всегда уделялось большое внимание, широко известны методы: аналоговое моделирование, создания физической модели, цифро-аналоговое моделирование. Однако аналоговое моделирование ограничено точностью вычислений и стоимостью набираемых элементов. Физическая модель наиболее точно описывает поведение реального объекта. Но физическая модель не позволяет произвести изменение параметров модели и создание самой модели очень дорого.

Моделированию электротехнических комплексов БУ посвящены работы [72, 73]. В [72] разработаны математические модели для исследования установившихся электромагнитных процессов и переходных электромеханических процессов в системе соизмеримой мощности с тиристорными ЭП постоянного тока, которые учитывают пульсации выпрямленного тока и реальные процессы коммутации в преобразователях в установившихся режимах, одновременную работу нескольких ЭП, структуру системы соизмеримой мощности, взаимное влияние системы электроснабжения и ЭП.

В [73] представлен программный комплекс для моделирования электрических и механических процессов в ЭП БУ, выполненных на базе двигателей постоянного тока с тиристорным управлением. Комплекс обеспечивает графическую визуализацию рассчитываемых процессов с анимационным сопровождением, осуществляет накопление информации с возможностью ее постпроцессорной обработки, а также выполняет некоторые функции, менеджера проектов, позволяет проводить разнообразные исследования эксплуатационных режимов ЭП, обеспечивая высокую эффективность инженерного поиска технических решений на этапе проектирования электрооборудования БУ.

Наиболее эффективным решением для моделирования ЭП является система проведения математических расчётов Matlab. Среда разработки лабораторных виртуальных приборов Matlab представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для моделей объектов, анализа их поведения и последующего управления. Моделированию частотнорегулируемых ЭП переменного тока и полупроводниковых преобразователей в программном комплексе Matlab посвящены работы [74-79].

В материале [74] приведен пример математического моделирования СД карьерного экскаватора в системе Matlab. В данной системе уже сделана программная реализация математических моделей синхронных машин. Однако использование данных готовых моделей делает затруднительным исследование промежуточных параметров режимов синхронной машины из-за невозможности изменения параметров схемы готовой модели, невозможности изменения структуры и параметров сети и системы возбуждения, отличных от принятых, одновременного рассмотрения генераторного и двигательного режима, что необходимо при моделировании пуска или при сбросе нагрузки. В то же время в связи с расширением области применения СД и повышением требований к их эксплуатации требуются уточнённые модели. То есть, если необходимо получить конкретное поведение модели (смоделированного СД), в зависимости от горно-геологических и других факторов, влияющих на работу экскаватора, то необходимо дать решение системы уравнений Парка-Горева в пакете Matlab, позволяющее устранить указанные недостатки.

Оригинальное решение для моделирования синхронного компенсатора (СК) было предложено в статье [75], в которой рассматривается возможность работы синхронного компенсатора с диодной бесщеточной системой возбуждения в режимах с отрицательным возбуждением и глубокого потребления реактивной мощности из сети при выполнении неподвижного индуктора (статора) возбудительной машины переменного тока, шихтованным с однофазной обмоткой, подключенной к однофазному выходу полупроводникового ПЧ.

Исследования влияния формы напряжения инвертора на динамические характеристики частотно-регулируемого АД в системе Matlab [76] показывают, что при питании АД от источника с пульсирующим напряжением, токи в обмотках двигателя также пульсируют. Пульсирующие импульсные токи вызывают дополнительные потери в двигателе, которые необходимо учитывать при анализе энергетических характеристик.

В результате моделирования в работе [76] получены также пульсирующие характеристики момента, угловой скорости и мощностей. При питании от синусоидального напряжения получены более гладкие характеристики. Поэтому следует использовать силовые полупроводниковые преобразователи напряжения, которые дает синусоидальные напряжения на выходе. Для этой цели, можно использовать преобразователи на основе ШИМ, у которых на выходе синусоидальное напряжение.

В статье [77] рассматриваются вопросы спектрального анализа силовых полупроводниковых преобразователей применительно к автономному инвертору напряжения в Matlab. Такой анализ необходим для расчета энергетических характеристик преобразователя, исследований вопросов совместимости преобразователя с источником питания и нагрузкой, проектирования фильтров, а также для диагностики неисправностей в преобразователе.

В работе [78] рассматривается принцип прямого управления моментом АД с короткозамкнутым ротором отмечаются его преимущества, описывается модель ЭП, и приводятся результаты моделирования в программе Matlab.

Математическая модель СД с постоянными магнитами на роторе в пакете Matlab описана в [79]. В статье авторы рассматривают два наиболее распространенных типа СД с постоянными магнитами - с внешне расположенными магнитами и с внутренними. Предложенное математическое описание является общим для обоих типов машин, разница заключается в равенстве индуктивностей по продольной и поперечной осям для первого вида СД и разности значений индуктивностей для второго типа. Модель разработана на основе уравнений Парка, описывающих процессы преобразования энергии для СД с постоянными магнитами в синхронной вращающейся системе координат, жестко связанных с ротором (d, q).

Упрощенная математическая модель СД с постоянными магнитами предложена в работе [80], в которой для СД с постоянными магнитами на роторе выведены дифференциальные уравнения, учитывающие главные факторы, - зависимость электромагнитных процессов и вращающего момента от скорости и углового положения ротора.

В [81] авторами рассмотрены возможные способы управления скоростью СД. Приведены дифференциальные уравнения и построены структурные схемы СД как объекта при различных способах управления. Проведена линеаризация уравнений движения двигателя, получены передаточные функции по отношению к управляющим и возмущающему воздействиям.

В статье [82] рассматривается математическая модель синхронной неявнополюсной машины и ее уточненные схемы замещения применительно к задачам расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов в характерных режимах, таких как определение токов короткого замыкания, гашения магнитного поля возбуждения, динамической устойчивости и др. Особое внимание при этом обращается на выбор базисных величин.

Моделированию синхронных машин уделяется много внимания. Исследование синхронных машин на основе математического и компьютерного моделирования производится не только для машин, работающих в двигательном режиме, но и для машин, работающих в генераторном режиме. Изучение моделей синхронных генераторов помогает понять общие принципы работы синхронных машин. В материале [83] авторами рассматривается математическая и компьютерная модель синхронной машины, разработанная в пакете Matlab. Проверена адекватность компьютерной реализации математической модели синхронной машины. Проведенный анализ компьютерной модели синхронной машины показал, что модель имеет строгое математическое описание. Отличие от математических моделей, традиционно применяемых отечественными авторами, заключается лишь в форме записи. Компьютерная модель синхронной машины адекватно описывает объект и может использоваться для проведения научных исследований и численных экспериментов. В работе [84] авторами рассматривается математическая модель синхронного генератора с системой самовозбуждения при несимметричных коротких замыканиях в энергосистеме с различными способами управления ТП. Рассмотренная математическая модель синхронного генератора может быть полезна: в программах расчета токов короткого замыкания; для исследования влияния вида, удаленности и длительности короткого замыкания; при изучении вопросов эффективного управления режимами работы синхронного генератора.

В работе [85] разработаны функциональные схемы ПЧ, позволяющего производить частотный пуск СД, осуществлять плавное регулирование частоты вращения СД, обеспечивать стационарный режим точной синхронизации частоты и фазы напряжения на СД с частотой и фазой напряжения сети, давать возможность рекуперативного торможения СД с любой частоты вращения с заданным темпом.

Разработке и исследованию синхронного ЭП шахтной вентиляторной установки с питанием по схеме вентильного двигателя с повышенными энергетическими показателями при совместном регулировании производительности изменением углов поворота лопаток осевого вентилятора и частоты его вращения посвящена работа [86]. Выполнен анализ аэродинамических характеристик осевого вентилятора при регулировании его производительности изменением частоты вращения и угла поворота лопаток; технико-экономическое обоснование применения синхронного вентильного ЭП шахтной вентиляторной установки; разработана математическая модель вентильного двигателя в режимах пуска и регулирования частоты вращения, т.е. в режимах искусственной и естественной коммутации. Определены предельно-допустимые углы коммутации и перегрузочная способность вентильного СД при максимальных технологических режимах его работы. Анализированы энергетические показатели вентильного двигателя при регулировании производительности осевого вентилятора изменением частоты вращения и угла поворота лопаток осевого вентилятора.

В работе [87] рассмотрено проектирование системы частотного управления АД с широтно-импульсным регулированием путем формирования многоступенчатого напряжения на статоре, учитывающего технологические особенности работы АД. Создана универсальная математическая модель программно-управляемых многофазных выпрямителя и инвертора с нормированными параметрами проводимостей тиристоров, определяемых кодами и алгоритмами коммутации по таблицам состояния, для проектирования адекватных физике преобразователей электроэнергии с амплитудно-частотно-широтным управлением. Предложен метод проектирования системы частотного управления АД с гибкой архитектурой, информативным математическим обеспечением и эффективными метрологическими средствами для определения характеристик управляемых многофазных выпрямителя и инвертора. Разработан способ регулирования многофазного амплитудно- частотного преобразователя с ШИМ.

Патентный обзор показывает интерес, проявляемый к регулированию СД с целью поддержания их устойчивости и регулирования коэффициента мощности. В патенте Российской Федерации RU2239936 [88] предложен способ управления током возбуждения СД с целью повышения устойчивости синхронной работы двигателя при обеспечении минимальных потерь в статоре и недопущении перегрева ротора двигателя. В соответствии с предложенным способом задают рабочий диапазон угла нагрузки двигателя, при выходе величины угла из заданного диапазона ведут управление током возбуждения по величине отклонения угла нагрузки от заданного номинального значения, пока величина отклонения не изменит знак, после чего начинают воздействовать на ток возбуждения по отклонению напряжения статорной цепи.

Таким образом, в каждый данный момент управление возбуждением осуществляется одним из двух конкурирующих контуров - контуром управления по напряжению статора или контуром управления по углу нагрузки машины - в зависимости от величины этого угла. Однако для СД БН изменение тока возбуждения при частотном регулировании может использоваться как для формирования требуемых законов частотного управления и компенсации влияния момента от неявнополюс- ности, так и для других целей, например, для поддержания заданного коэффициента мощности в рабочих режимах или повышения устойчивости в переходных режимах.

Для СД БН важно обеспечить мягкий плавный пуск насоса. В патенте Российской Федерации RU2277289 [89] описан способ квази- частотного мягкого пуска СД и устройство для его осуществления. Техническим результатом является снижение тепловых и механических нагрузок при пуске, сокращение времени между пусками, увеличение количества пусков и продолжительности срока эксплуатации. В способе квазичастотного мягкого пуска СД и устройстве для его осуществления осуществляют подключение блока возбуждения к обмотке возбуждения, определение перед пуском начального положения ротора относительно обмоток статора, измерение напряжения на обмотках статора, тока в обмотках статора, напряжения питающей сети и величины тока в обмотке возбуждения, определение скорости вращения двигателя по величине ЭДС, наводимой в обмотках статора и определяемой по напряжению на обмотках статора и току в обмотках статора двигателя, подачу в обмотку статора импульсов тока с помощью тиристорного регулятора напряжения путем выдачи управляющих сигналов на управляющие выводы тиристоров тиристорного регулятора напряжения, регулирование параметров импульсов тока, подаваемых в обмотки статора, и тока возбуждения таким образом, чтобы средний вращающий момент был больше момента сопротивления двигателя.

 
Посмотреть оригинал
 

Популярные страницы