Использование имитационных моделей асинхронных электроприводов при обучении студентов электротехнических специальностей. (80

1

УДК [62-83:621.313.333]:004.45

ББК 31.291.63 С51

Н.Г. Романенко, Е.В. Стуров.

Использование имитационных моделей асинхронных электроприводов при обучении студентов электротехнических специальностей.

При подготовке специалистов по всем электротехническим и электроэнергетическим специальностям важное место занимает курс электрического привода.

На сегодняшний день подготовка грамотных специалистов невозможна без применения новых форм обучения с использованием компьютерных технологий, базирующихся на современных прикладных программных продуктах.

Владение теорией электрических машин является высокой составляющей профессиональной подготовки специалиста электрическим электроприводам и систем управления. Современные компьютерные технологии позволяют качественно изменить и существенно улучшить технологию изучения электрических машин, перевести её в виртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной лаборатории исследования статических и динамических режимов работы электрических машин, их механических характеристик, условий пуска и техникоэкономических показателей с получением количественных результатов.

Для грамотного использования компьютерных технологий при исследовании электрических машин необходимо хорошо знать и понимать физические процессы, протекающие в электрических машинах; знать уравнения, описывающие работу электрической машины; уметь рассчитать параметры для построения математических моделей. Использование компьютерных технологий позволит расширить круг и глубину изучаемых вопросов, провести множество экспериментов с использованием виртуальных электрических машин, что благотворно скажется на уровне подготовки специалистов.

Вданной статье показаны виртуальные лабораторные работы для изучения асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами и исследовать в них переходных процессы, пусковые свойства, естественные и искусственные механические, а также рабочие характеристики. Поставленная задача реализована в наглядном и эффективном средстве визуального программирования моделей – пакете Simulink программы MATLAB.

Разрабатываемые виртуальные лабораторные работы будут значительно превосходить по техническим и экономическим возможностям реальную физическую лабораторную установку. Рассматриваемые имитационные модели обладают широчайшим спектром возможностей по исследованию асинхронной машины в различных режимах работы, что в реальной лаборатории требует больших финансовых расходов из-за дороговизны необходимого оборудования.

Вполученных виртуальных лабораторных работах появится возможность исследования переходных процессов в асинхронном двигателе, снятия рабочих и искусственных механических характеристик при различных значениях добавочного сопротивления в цепи ротора, напряжения и частоты питающей сети.

Большим плюсом разрабатываемых лабораторных работ является то, что виртуальную лабораторию можно использовать в дистанционном обучении студентов и в различных учебных заведениях, где нет возможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо для работы виртуальной лаборатории, это наличие персонального компьютера, который

внаше время является общедоступным и имеется в каждом учебном заведении.

Основой для изучения моделей асинхронных электроприводов является неуправляемый привод, т.е. асинхронный двигатель, работающий от сети промышленного напряжения и частоты. Подобный подход применяется для работы некоторых технологических механизмов нефтяного сектора: вспомогательные лебедки, сепараторы, глиноотделители, пескоотделители, приводы станков-качалок, а также как приводы промышленных насосов и вентиляторов. В зависимости от рассматриваемого механизма, электропривод может работать со следующими типами нагрузок:

1. Грузовая;

2

2.Вентиляторная (насосная);

3.Изменяющаяся нагрузка, которая может быть описана математической функцией. Использование имитационных моделей позволяет смоделировать работу подобных при-

водов. В качестве примера показана модель электропривода работающего с насосной характеристикой. В качестве приводного двигателя выбран MTKF 512, параметры которого рассчитываются по специальной методике [1], а окно настройки показано на рис.1

Рис.1 – Окно настройки модели асинхронного двигателя

Модель электропривода представляет собой трехфазный источник электрической энергии, двигатель, блок нагрузки (в данной случае Fcn Function), и осциллографы для получения динамических характеристик (рис.2).

Рис.2 – Модель неуправляемого асинхронного электропривода

Необходимо отметить, что задание различных типов нагрузок в модели, различается в зависимости от предназначения электропривода:

1. Грузовая нагрузка – блок постоянного сигнала Constant с указанием момента в Н*м;

3

2.Вентиляторная нагрузка – блок Fcn Function. Задание математической функцией, которая представленная как .

3.Изменяющаяся нагрузка – блок Signal Builder, который позволяет собственноручно, либо с использованием стандартной библиотеки, создать любой тип нагрузки электропривода, как показано на рис.3.

Рис.3 – Окно настройки блока Signal Builder

Однако применение программной среды Matlab/Simulink для изучения динамических характеристик не является новым словом при обучении студентов. Данная программа позволяет провести более сложные и интересные с инженерной точки зрения расчеты. Учитывая повышенный интерес к проектам по энергоэффективности предприятий, наиболее интересно применение подобных моделей для расчета электрических затрат и потерь при работе того или иного оборудования. Далее расчет моделей проведен только для работы с вентиляторной нагрузкой.

Подобный расчет для модели электропривода, работающего в стационарном режиме продолжительное время, провести не составляет труда. Более трудоемкой задачей является расчет затрат при динамических режимах, таких как пуск, торможение, переход с одной скорости на другую и т.д. Именно для таких сложных случаев может применяться имитационная модель, показанная на рис.4. Расчет ведется в функции времени, т.е. расчет электрической энергии в Вт*с.

Рис.4 – Модель для расчета энергетических потерь асинхронного электропривода

В данном случаем мы получаем параметры Ws – электрическая энергия потребляемая электроприводов из сети, Wm – электромеханическая энергия, efficiency – КПД за цикл работы,

4

Loss W – потери энергии в роторе и статоре. На основании проведенных расчетов получим данные для одного режима работы, которые сведены в табл.1. Для наглядности измерений построена гистограмма (рис.5).

Табл. 1. Энергетические потери асинхронного привода в функции времени

Рис.5 – Гистограмма распределения энергетических потерь от времени

Необходимо понимать что расчет и анализ работы неуправляемого электропривода, является только основой для сравнения различными системами управления асинхронными электроприводами. Наибольший интерес в настоящее время представляет система преобразователь частоты – асинхронный двигатель. Подобные системы рассматриваются и изучаются всеми студентами электротехнических специальностей. Учитывая, что сами преобразователя зачастую довольно дороги для использования их в большом количестве при обучении студентов, применение имитационных моделей позволит сократить затраты и обеспечить необходимым материалом любое количество студентов.

Однако при моделировании подобных систем главной трудностью является самая главная часть – преобразователь частоты. Ввиду его очень высокой сложности конструкции и взаимодействия отдельных элементов, он не моделируется в чистом виде, как совокупность отдельных конструкционных элементов. Намного проще, и при этом с той же точностью, воссоздать принцип управления асинхронным двигателем преобразователем частоты. Это так называемый режим векторного управления. [2]

Для асинхронных двигателей принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d,q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x,y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d,q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d, следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы асинхронный двигатель подобен двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, т.е. индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока).

5

Векторное управление может быть реализовано не только при определении направления и углового положения вектора потокосцепления ротора. Практический интерес представляют аналогичные устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, которые в нашей стране стали именоваться векторными системами. Указанные устройства управления имеют свои особенности. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе, в соответствии с этим имеется системы координат связанные со статором, ротором и полем.

Основываясь на теории векторного управления, моделирование подобной системы проще, чем анализ работы преобразователя частоты поэлементно. Модель, обеспечивающая подобный режим работы представлен на рис.6.

Рис.6 – Модель электропривода при векторном управлении

Основу этой принципа векторного управления в модели составляет подсистема Vector Control (рис.7), в которой используются блоки:

1.Гистерезисный трехфазный регулятор тока (блок Current Regulator);

2.Блоки ABC-dq и dq-ABC осуществляют преобразование неподвижной трехфазной системы координат во вращающуюся и вращающуюся двухфазную в неподвижную трехфазную;

3.Блок определения выходной частоты инвертора (блок Teta Calculation);

4.Блок вычисления потока (блок Flux Calculator);

5.Блок задания потока (блок Phir);

6

6.Блок Speed Contoller – регулятор скорости.

В блоке Speed Controller реализован ПИД-регулятор, настройки и работа с которым является наиболее сложной частью при работе с преобразователем частоты. При использовании подобной имитационной модели студенты узнают, изменение каких параметров влияет тем или иным образом на динамические характеристики электропривода и на его энергопотребление.

Рис.7 – Внешний вид подсистемы Vector Control

Модель для расчета энергетических затрат аналогична предыдущей, а результаты расчета сведены в табл.2. Для наглядности измерений построена гистограмма (рис.9).

Табл. 2. Энергетические потери частотно-регулируемого асинхронного привода в функции времени

Рис.9 – Гистограмма энергетических потерь частотно-регулируемого электропривода

Далее необходимо провести сравнительный анализ энергопотребления управляемых (ча- стотно-регулируемых) асинхронных электроприводов и неуправляемых. Подобное сравнение позволяет наглядно продемонстрировать выгоду от использования регулируемого электропривода, а также продемонстрировать возможности использования имитационных моделей для по-

7

добных целей. Сравнение для электроприводов, работающих с вентиляторной нагрузкой показано на рис.10.

Рис.10 – Сравнение энергетических потерь регулируемого и неуправляемого электропривода

Как итог можно отметить, что использование имитационных моделей не ограничивается рассмотрением динамических режимов электроприводов в различных режимах работы. С помощью подобных систем можно рассмотреть и показать более сложные аспекты работы технологических механизмов, таких как энергопотребление [3]. Также учитывая возможность непосредственного участия каждого студента в изучении асинхронных электроприводов посредством имитационных моделей, повышается усвояемость теоретического материала, а также улучшаются навыки по настройке и анализу работы производственных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Герман - Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. – СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368с.

2.Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.

3.Надеев А.И., Романенко Н.Г, Медников Н.А., Стуров Е.В. Модернизация электроприводов плавучего крана «Богатырь» с использованием современных энергосберегающих технологий // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. – 2011. - №3.

– С. 16-21.