Технические науки/5. Энергетика

К.т.н Бутенко В.И., к.т.н. Момот В.Е.,

магистр эл. мех. Ермак В.В.

Национальная металлургическая академия Украины, Украина

Криворожский технический университет, Украина

Компьютерное моделирование энергетических характеристик частотно-управляемых электроприводов в среде Matlab

В связи с широким внедрением в последние годы во всех отраслях промышленности частотно-регулируемых (ЧР) асинхронных электродвигателей и существующей проблемы энергосбережения, актуальной является задача оптимизации энергопотребления указанных приводов.

В первую очередь представляет интерес практическое решение задачи расчета энергетической эффективности электропривода по схеме преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД), что требует предварительного создания математических и программно-ориентированных моделей расчета потерь мощности и коэффициента полезного действия (к.п.д.) в данном приводе.

Целью работы является исследование энергетических характеристик системы ПЧ-АД путем виртуального моделирования, используя инструментальные средства наиболее удобной и популярной в настоящее время среды Matlab со своими пакетами расширения Simulink.

Разработанная модель (рис. 1) представлена комплектным частотно-регулируемым асинхронным электроприводом переменного тока использованием оболочки Power system blockset программной среды Matlab.

Питание системы электропривода осуществляется от источника синусоидального напряжения (Source) через трехфазный силовой трансформатор (Transformer). Преобразователь частоты имеет двухзвенную структуру. На первой ступени происходит выпрямление переменного тока питающей сети в постоянный, на выходе неуправляемого выпрямителя (Rectifier). Силовой фильтр, состоящий из дросселя L и конденсатора C, уменьшает пульсации выпрямленного напряжения и ограничивает скорость изменения тока di/dt в аварийных режимах. На второй ступени с помощью трехфазного мостового автономного инвертора напряжения (Inverter) постоянное напряжение преобразуется в переменное, требуемой частоты и амплитуды. Управление силовыми (IGBT)-модулями автономного инвертора осуществляется методом широтно-импульсной модуляции блоком (PWM Generator). К входу и выходу преобразователя подключены фильтры (Series), уменьшающие его влияние на питающую сеть и асинхронный двигатель.

Вводимыми параметрами в модели каждого блока являются паспортные данные источника питания, трансформатора, фильтра, типа исследуемой машины, величины сопротивлений элементов системы. Описание элементов виртуальной модели приведено в табл. 1. Расчет параметров (R1, R2, R3), являющихся соответственно эквивалентным сопротивлениям трансформатора, выпрямительной и инверторной групп преобразователя частоты, осуществляется согласно методике [1]. Расчет активного сопротивления ротора R4 и статора R5 асинхронного двигателя проводится согласно общепринятой методике. Коэффициент полезного действия электропривода определяется отношением механической мощности Р2, на валу асинхронной машины, к сумме механической мощности Р2 и суммарным потерям sP.

Рис.1. Схема виртуальной модели системы ПЧ-АД

Описание элементов виртуальной модели. Таблица 1

Элемент	Наименование и функции	Вводимые параметры
Source	Источник трехфазного синусоидального напряжения	Амплитуда, фазовый угол и частота фазного напряжения, внутреннее активное и реактивное сопротивление
Transformer	Трехфазный силовой трансформатор	Номинальные частота и полная мощность, параметры цепей
Series	Фильтр преобразователя частоты	Активное сопротивление и индуктивность
Rectifier	Трехфазный силовой неуправляемый выпрямитель	Тип моста, тип силового элемента, динамическое сопротивление диода, пороговое напряжение, параметры цепей
L	Индуктивный элемент	Величина индуктивности
C	Емкостной элемент	Величина емкости
Inverter	Трехфазный мостовой инвертор напряжения (силовой элемент – IGBT-транзистор)	Тип моста, тип силового элемента, параметры демпфирующих цепей, динамическое сопротивление, пороговое напряжение, постоянные времени
PWM Generator	Блок управления автономным инвертором (генератор ШИМ-сигнала)	Несущая частота, коэффициент модуляции, модулирующая частота, начальная фаза модулирующего напряжения
АМ	Асинхронный двигатель	Тип ротора, номинальные мощность, напряжение и частота, параметры статора и ротора, момент инерции
AM demux	Блок вывода переменных асинхронного двигателя	Тип исследуемой машины, указание о выводе требуемых переменных
RMS	Блок определения действующего значения периодической величины	Значение основной частоты
Product	Блок определения алгебраического произведения сигналов	Число входов, тип сигнала
Scope, Multimeter	Блоки визуализации исследуемых параметров	Число входов, параметры отображения координат

В результате исследования модели получены временные зависимости токов статора, угловой частоты вращения ротора, электромагнитного момента и значения к.п.д. всей системы, показанные на рис. 2.

Рис. 2. Временные зависимости энергетических показателей системы ПЧ-АД

Как видно из графиков характер зависимостей отражает физическую картину изменения энергетических характеристик во времени, что существенно для анализа и оптимизации в требуемых режимах работы. Кроме того, модель позволяет определить долевые потери энергии на каждом участке системы.

Разработанная виртуальная модель может быть использована в процессе выбора и проектирования энергосберегающих электроприводов как в учебном процессе подготовки специалистов электротехнических специальностей, так и на производстве.

Литература:

1. Браславский И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учебное пособие для студ. высш. учеб. Заведений / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков; Под ред. И. Я. Браславского. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256 с.

2. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0.: Учебное пособие. – СПБ.: КОРОНА принт, 2001. – 320с.