You are currently viewing Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель»

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель»

В последнее время для управляемого пуска асинхронных электродвигателей короткозамкнутым ротором (АД), во многих отраслях промышленности начинают широко внедряться устройства плавного пуска (УПП), представляющие, в своей основе, тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) с фазовым или квазичастотным управлением.

Для исследования качества переходных процессов при управляемом пуске асинхронного электропривода с применением УПП для конкретной промышленной установки необходимо иметь математическую модель системы «ТПН-АД», с достаточной степенью точности описывающую электромагнитные переходные процессы в АД, вызванные переключением тиристорных коммутационных элементов (ТКЭ). Это обусловлено тем, что управляемый пуск во многом определяет эффективность электропривода в целом и влияет на надежность и срок службы машин и установок.

Основной особенностью при математическом описании работы ТПН является скачкообразное изменение проводящего состояния ТКЭ в течение положительного полупериода приложенного напряжения, из-за чего трёхфазная цепь статора становиться несимметричной, а режим работы цепи при этом характеризуется нестационарностью.

Анализ режима статорной цепи возможен поочерёдным решением дифференциальных уравнений, описывающих её мгновенные состояния, которые, в свою очередь, зависят от сочетания проводящих состояний ТКЭ в фазах электродвигателя. В этом случае математическую модель системы «ТПН-АД» удобно представить в виде системы дифференциальных уравнений обобщенной электрической машины [1].

Произведем запись в неподвижной относительно статора системе координат α и β в виде:

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 1
Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 2
Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 3

где

  • iA , iB , iC , usA , usB , usC — фазные токи и напряжения статора
  • Lm — взаимная индуктивность обмоток статора и ротора
  • Ls, Lr — индуктивности статора и ротора
  • Rs, Rr — активные сопротивления статора и ротора
  • σ -коэффициент рассеяния
  • Ψrα, Ψrβ — составляющие потокосцепления обмотки ротора по осям α, β
  • isα, isβ — составляющие токов обмоток статора по осям α, β
  • р — число пар полюсов
  • ω, Мэм — частота вращения ротора и электромагнитный момент

На основании представленной математической модели АД и схемы замещения (рис. 1) опишем возможные состояния статорной цепи с использованием правил Кирхгофа.

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 4
Рис. 1 – Схема замещения статорных цепей системы «ТПН-АД»

В произвольный момент времени система может находиться в одном из пяти состояний:

  • Открыты ТКЭ во всех фазах
  • ТКЭ во всех фазах закрыты
  • Открыты ТКЭ в фазах А и В
  • От­крыты ТКЭ в фазах А и С
  • Открыты ТКЭ в фазах В и С.

При этом на каждом этапе цепь статора описывается своей системой дифференциальных уравнений (табл. 1).

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 5
Таблица 1 – Описание цепей статора системой дифференциальных уравнений

При переключении тиристоров цепь статора описывается одной из приведенных систем дифференциальных уравнений. Для применения этой математической модели в целях исследования переходных процессов при управляемом пуске или получении регулировочных характеристик системы «ТРН-АД», модель должна быть дополнена условиями переключения ТКЭ (условиями существования тока в цепи с ТКЭ).

При фазовом управлении тиристор открыт, если текущий электрический угол Ɵ, отсчитываемый от начала положительной полуволны фазного напряжения, больше угла управления α, или же выполняется условие i•u < 0 при угле Ɵ < а, когда ток поддерживается за счет накопленной энергии в индуктивностях цепи.

При квазичастотном управлении питание статорной цепи осуществляется системой выпрямленных токов переменной полярности, частота изменения которых определяется количеством положительных и отрицательных полупериодов напряжения, пропускаемых ТКЭ.

Открытое состояние тиристора определяется условиями:

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 6

где

  • and — оператор логического «И»
  • F — дополнительная функция переключения:
Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 7

В приведенном выражении переменная uv определяет эквивалентное напряжение требуемой частоты.

На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования пуска электродвигателя ДКВ45 мощностью 45 кВт созданием ненулевых начальных электромагнитных условий [2] на основе описанной выше модели.

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 8
Рис. 2 – Результаты моделирования пуска электродвигателя

где

  • а — электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при управляемом пуске
  • б — электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при прямом пуске
  • в — фазные токи
  • г — фазные напряжения

Из результатов моделирования с использова­нием разработанной модели, можно сделать вывод, что пуск АД с созданием ненулевых начальных электромагнитных условий приводит практически к полному подавлению знакопеременной составляющей переходного момента, обусловленной подключением статорной обмотки АД к сети, не вызывая снижения быстродействия привода.

На рис. 3 представлены результаты моделирования управляемого пуска электродвигателя ДКВ45 ограничением скорости нарастания приложенного напряжения путем изменения в процессе пуска угла управления по линейному закону, с синхронизацией по напряжению.

Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» 9
Рис. 3 – Моделирование процесса пуска АД ограничением приложенного напряжения

где

  • а — электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при управляемом пуске
  • б — формирование напряжения и тока фазы А
  • в — фазные токи
  • г — фазные напряжения

Анализ результатов позволяет сделать вывод, что этот вид управляемого пуска приводит к снижению как знакопеременной, так и вынужденной составляющей электромагнитного момента, что приводит к снижению быстродействия привода. Однако, при этом достигается плавное нарастание момента, что благоприятно сказывается на ресурсе активных механических частей промышленной установки.

Таким образом, разработанная математическая модель системы «ТРН-АД» позволяет исследовать переходные процессы в асинхронном электроприводе при различных законах управления пуском АД с учетом влияния коммутации ТКЭ на электромагнитные процессы в АД, а также проводить анализ эффективности пуска асинхронного электропривода конкретной промышленной установки.

Результаты моделирования с использованием представленной модели подтверждены экспериментальными испытаниями тиристорного устройства для управляемого пуска АД, разработанного на кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ.

Список литературы

  1. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высш. шк., 2001. -327 с.
  2. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. — М.: Энергоиздат, 1981.- 184 с.

Источник: Моделирование работы системы «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный электродвигатель» / В.Г. Каширских, С.С. Переверзев // Вестник КузГТУ. — 2006. — №1. — C. 55-58

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org