07 марта 2016г.
Аннотация: целью работы является разработка и исследование математической модели преобразователя частоты, который будет обеспечивать питание обмотки возбуждения асинхронизированного вентильного двигателя.
В ходе выполнения работы в среде моделирования matlab была разработана электрическая схема по регулированию частоты вращения электрического двигателя при его пуске. По данной электрической схеме был произведён расчет параметров.
Ключевые слова: асинхронизированный вентильный двигатель, преобразователь частоты, электродвигатель, инвертор напряжения.
В настоящее время в мире существуют различные виды электрических двигателей. Все они имеют ряд преимуществ и недостатков по отношению друг к другу. Самыми распространенными являются асинхронные и синхронные двигатели, но как у одних, так и у других имеется проблема с запуском при существенно большой нагрузки на вращательном элементе. При этом вращающий момент принимает значение меньшее значения момента сопротивления (Мвр > Мс), а пусковой ток (Iп) принимает относительное высокое значение. Данные показатели приводят к отказу работы электрического двигателя при его запуске.
В связи с этим возрастают требования к увеличению значения пускового момента, с помощью понижения пускового тока электрического двигателя при достаточно высокой нагрузке на вращательном элементе.
Эти требования удовлетворяет асинхронизированный вентильный двигатель (АВД)[1]. Структурная схема АВД представлена на Рисунке 1.
АВД представляет собой асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР) и двумя преобразователей частоты (ПЧ). Наличие двух ПЧ свидетельствует о наличие двойного питания с возможностью глубокой регулировки скорости, момента на валу двигателя при любых оборотах, с высокими энергетическими показателями, такими как cos φ, КПД, коэффициент гармоник [2]. Преобразователи частоты представляют собой зависимый инвертор напряжения (ЗИН) [3] и автономный инвертор напряжения (АИН).
В данной работе смоделирована модель автономного инвертора напряжения в среде MATLAB (Рисунок 2).
Известны работы [4][5][6] в которых осуществляется моделирование АВД. Особенностью данной модели АИН является система
векторного управления инвертора. В качестве силовых
электронных ключей используются IGBT, включенные по трех фазной мостовой
схеме инвертирования и питаются
от трехфазного источника переменного напряжения. Ток с источника
подается на трехфазную мостовую схему выпрямления, следом проходит через фильтр звена постоянного тока, тем самым сглаживается. IGBT инвертор имеет вход «g», на который подаются импульсы
управления. Каждая фаза (A, B, C) выходного значения инвертора проходит через сглаживающий LC – фильтр, после чего, блок измерений (Measure) проводит измерения фазного напряжения
в единицу (pu), тем самым, блок преобразует измеренные напряжения на основании максимального от номинального значения
напряжения фаза-земля:
где Vphose-to-ground(V) – максимальное значение напряжения фаза-земля; Vbase – базовое значение
напряжения.
Базовое значение напряжения находится по формуле:
где Vnom – номинальное значение напряжения, Vrms – действующее значение напряжения.
С выхода Vabc на вход Vabc(pu) регулятора напряжения и частоты
(Voltage and Frequency Regulator) подается измеренное напряжение. Блоки управления Vref (pu) и Fabc служат для установки выбранного нами значения напряжения и частоты,
тем самым обеспечивая возможность регулирования требуемыми параметрами. Блок регулятора включает
в себя: синтезатор частот (DiscreteVirtual PLL), блок преобразования из трехфазной системы в двух фазную – Parke, Pi-регулятор (Рисунок 3).
Для преобразования трехфазной системы
токов из abc в dq0, используя блок трансформации abc_to_dq0 Transformation. Для обратного преобразования применяется преобразовательный блок dq0_to_abc Transformation.
Работа данной
математической модели автономного инвертора напряжения продемонстрирована на Рисунке 4.
На первой
диаграмме представлена кривая, характеризующая переходный процесс напряжения на трехфазной мостовой
схеме выпрямления, которое
проходит через фильтр звена постоянного тока. Вторая диаграмма характеризует разность потенциалов между фазами A и B электронных ключей модуля IGBT. Третья диаграмма отображает, форму, амплитуду и частоту выходного
напряжения инвертора,
подаваемого на обмотки возбуждения асинхронизированного вентильного двигателя.
Данная математическая модель автономного инвертора напряжения, благодаря использованию регулятора напряжения и частоты
(Voltage and Frequency Regulator), обеспечивает питание обмотки возбуждения асинхронизированного вентильного двигателя, создавая тем самым
вращающееся магнитное поле при неподвижном роторе, что позволяет обеспечивать легкий и плавный
пуск, тем самым
повышает надежность и долговечность эксплуатации электродвигателя.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект №15-19-20057).
Список литературы
1.
Гуляев И.В., Юшков И.С. Асинхронизированный вентильный двигатель с управлением по фазе тока. Saarbruecken, Germany, издатель LAP LAMBERT
Academic Publishing GmbH and
Co. KG – 183c. ISBN: 978- 3-8443-5731-8.
2.
Гуляев И.В., Тутаев Г.М., Юшков И.С. Асинхронизированный вентильный двигатель, питаемый
от инвертора
напряжения. Электротехника. 2011г. № 02. – С. 20-23.
3. Пат. №2427069 Российская федерация МПК H 02 Р 1/26, Н 02 Р 25/02, Н 02 Р 27/05 20.08.2011 г. Способ управления двигателем двойного питания и устройство для его осуществления / Гуляев И.В., Тутаев Г.М., Юшков И.С., заявитель
и патентообладатель государственно образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» – № 2010124745/07; заявл. 16.06.2010; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23 – 3 с
4.
Гуляев И.В., Тутаев Г.М. Моделирование электромеханических процессов обобщенной электромеханической системы
на основе асинхронизированного вентильного двигателя. Саранск, 2004. 108с.
5.
Гуляев И.В. Бездатчиковое управление синхронным двигателем с постоянными магнитами / И.В. Гуляев, М.А. Бобров, И.С. Юшков
и др. // Научно-технический вестник
Поволжья. – 2015. – № 6. – С. 119-122.
6. Гуляев И.В. Векторное управление синхронным
двигателем с постоянными магнитами / И.В. Гуляев, А.В. Волков, А.А. Попов и др. // Научно-технический вестник Поволжья. – 2015. –
№ 5. – С. 187-191.
