Помощь студентам в учебе
Имитационные модели управляемых четырехфазных вентильно-индукторных двигателей на основе индукторных машин произвольной конфигурации
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ.. 10
1.1 Особенности конструкции вентильно-индукторного двигателя 10
1.2 Принцип действия 12
1.3 Особенности источников питания ВИД 14
1.4 Принципы управления частотой вращения ВИД 15
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ 19
2.1 Получение выражений для момента и индуктивности катушки 19
2.2 Принцип работы функциональной схемы электронного коммутатора 29
2.3 Временные диаграммы основных физических величин ВИД 30
3 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЧЕТЫРЕХФАЗНОГО ВИД 34
3.1 Описание имитационной модели ВИП 37
3.2 Результаты моделирования 47
4 ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ МОДЕЛИ. НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРА 51
4.1 Определение вида упрощенной модели с помощью пакета
идентификации 52
4.2 Настройка системы на технический оптимум 54
5 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО
ПРИВОДА 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ.. 10
1.1 Особенности конструкции вентильно-индукторного двигателя 10
1.2 Принцип действия 12
1.3 Особенности источников питания ВИД 14
1.4 Принципы управления частотой вращения ВИД 15
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ 19
2.1 Получение выражений для момента и индуктивности катушки 19
2.2 Принцип работы функциональной схемы электронного коммутатора 29
2.3 Временные диаграммы основных физических величин ВИД 30
3 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЧЕТЫРЕХФАЗНОГО ВИД 34
3.1 Описание имитационной модели ВИП 37
3.2 Результаты моделирования 47
4 ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ МОДЕЛИ. НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРА 51
4.1 Определение вида упрощенной модели с помощью пакета
идентификации 52
4.2 Настройка системы на технический оптимум 54
5 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО
ПРИВОДА 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
В настоящее время к основным задачам электромеханики можно отнести создание таких преобразователей энергии, которые обладают высокой энергетической эффективностью при минимальных материальных затратах. Снижение стоимости электрической машины тесно связано с ее универсальностью, то есть применением в различных устройствах. Одним из развивающихся видов преобразователей энергии является вентильноиндукторный электропривод (ВИЭП), конструкция которого была описана в 30-е годы прошлого столетия [1].
ВИП применяются в различных отраслях: транспорт (трамваи, троллейбусы, железнодорожный транспорт), горнодобывающая техника, станкостроение, насосное и компрессное оборудование, бытовая техника (стиральные машины, пылесосы, электроинструменты различного назначения), выработка электрической энергии различной мощности (ветроэнергетика, гидроэнергетика) [2-7].
Лидером в разработке и внедрении ВИЭП за рубежом является японская компания Nidec Motor Corporation (NMC), которая серийно выпускает машины малой и средней мощности (в диапазоне от 14,7-308,7 кВт) с перегрузочной способностью до 250%, применяемые в горнодобывающей промышленности и электроэнергетике [8].
Пример отечественного применения ВИЭП - трансмиссия бульдозерно- рыхлительного аппарата ДЭТ-400. Согласно сравнительной характеристике с тракторами ДЭТ-250М2 и ДЭТ-320, приведенной на сайте производителя, введение вентильно-индукторных машин привело к увеличению надёжности трансмиссии в два раза и к устойчивости к повышенной влажности. Такой электропривод обеспечивает постоянную номинальную мощность во всем тяговом диапазоне. ДЭТ-400 имеется в номенклатуре выпускаемой ЧТЗ продукции [9].
Опытом поставки ВИП обладает научно-производственная фирма «Вектор», разрабатывающая системы управления на отечественной и импортной элементной базе [10-13]. Последним проектом является вентильно-индукторный электропривод с независимым возбуждением с диапазоном мощностей от 350 до 1250 кВт. Используемый в приводе двигатель состоит из нескольких секций, к каждой из которых подключен преобразователь частоты, работающий независимо от других. Это обеспечивает высокую надежность системы, поскольку двигатель может продолжать работу при отказе какой-либо из секций. Наращивание числа секций приводит к увеличению суммарного электромагнитного момента, что позволяет варьировать выходную мощность привода в высоких пределах. В настоящее время ВИЭП работает на разных теплостанциях Москвы в качестве приводов дымососов, вентиляторов и насосов.
Внедрением ВИЭП в свою продукцию занимается научно-производственное предприятие «Резонанс» города Челябинск. Данная компания - один из основных российских разработчиков и производителей электрооборудования для строительно-дорожной и сельскохозяйственной техники и городского транспорта [14]. В феврале 2018 года были успешно проведены испытания электромеханической трансмиссии колесного сельскохозяйственного трактора Т- 240, в состав которой входят 4 вентильно-индукторных двигателя и вентильноиндукторный генератор. Использование инновационной электромеханической трансмиссии дает ряд существенных преимуществ таких, как оптимизация режимов работы двигателя и обеспечение регулирования скорости движения в широком диапазоне. Программное обеспечение контроллера электротрансмиссии позволяет легко создавать полностью автоматизированные безэкипажные машины, работающие при минимальном расходе топлива и с максимальным КПД. С предприятием «Резонанс» сотрудничает ЮУрГУ с целью разработки приводов «нового поколения» в рамках стратегии импортозамещения.
Распространённость применения ВИЭП прежде всего связана с достоинствами вентильно-индукторного двигателя. К ним относятся:
1. Простота конструкции: ротор и статор выполнены из магнитомягкого материала, отсутствие обмоток на роторе. Как следствие, снижение затрат трудовых ресурсов на изготовление электрической машины. Для производства не требуется специального дорогостоящего оборудования и длительного времени для подготовки.
2. Отсутствие механического коммутатора. Устранение опасности сквозных коротких замыканий путем использования электронного коммутатора.
3. Большое разнообразие конфигураций - различных отношений . - 4/2, 6/4, 8/6. Как следствие, существование разных способов коммутации фаз и высокий диапазон частот вращения: от единиц до сотен тысяч об/мин.
4. Разгон и торможение с необходимым ускорением.
5. Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения более 92Энергетическое превосходство вентильно-индукторного двигателя над двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями при сравнении отношений номинальной мощности к объему стали [15, с.6].
6. Экономическая эффективность при эксплуатации двигателя - существенное сокращение расхода электроэнергии за счет высокого КПД.
7. Высокие массогабаритные характеристики, по которым ВИЭП превосходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод
Однако дискретная коммутация фаз, наличие нескольких каналов управления и нелинейности приводят к несостоятельности использования существующих подходов описания работы привода, основанных на различных вариантах аналитических моделей, применяющихся в традиционном электроприводе.
Описание работы ВИЭП с помощью фундаментальных законов физики для установления однозначных связей между искомыми характеристиками, параметрами и переменными приводит к введению множества допущений, искажающих реальные процессы в приводе. Данный подход не применим в случае, если исследователя интересуют не только количественные оценки работы, но и поведение привода в различных ситуациях.
Исследование функционирования сложных систем во времени стало реальностью с расширением возможностей математического моделирования. Имитационное моделирование позволило исследовать системы при различных сочетаниях параметров и сигналов управления при разбиении процесса на элементарные явления с сохранением их логической и временной последовательностей. Еще одним преимуществом использования имитационной модели является гибкость варьирования структуры и алгоритмов моделируемой системы для поиска модели наиболее близкой к реальному объекту.
В статьях А.Б. Красовского, посвященных построению имитационных моделей вентильно-индукторного электропривода [16-19], приведены характеристики различных прикладных пакетов программ таких, как Motor-CAD, SPEED, SRDaS. Данные программы отличаются высокой стоимостью, ограниченностью решаемых задач и закрытым программным кодом, что исключает их развитие и модернизацию.
Поскольку ВИЭП - объект активного исследования, одним из требований, предъявляемых к используемому программному обеспечению, является его адаптация к новым задачам. Это предполагает модульное построение модели в программной среде с открытым кодом. Данному требованию отвечают современные специализированные программы и приложения к ним, ориентированные на моделирование сложных систем: MATLAB-SIMULINK, MODEL VISION STUDIUM, MODELICA и т.п. Однако наиболее полно поставленной цели соответствует математический пакет MATLAB с приложением SIMULINK [20].
В данной работе будет рассмотрена реализация модели вентильноиндукторного двигателя с самовозбуждением конфигурации 8/6. Модель состоит из двигателя, схемы управления ключами, электронного коммутатора, подключенного к источнику напряжения с параллельно включенным конденсатором.Полученная модель должна быть управляемой, с реализацией отображения во времени основных физических величин (например, электромагнитного момента, потокосцепления, тока фаз двигателя), работоспособна при любых параметрах ВИД, в том числе, инвариантна к изменению числа зубцов статора и ротора.
Цель работы: синтезировать имитационную управляемую модель вентильноиндукторного двигателя произвольной конфигурации.
Задачи работы:
1. Изучить математическое описание процессов, протекающих в ВИД. С учетом полученных уравнений и принятых допущений разработать схему моделирования в прикладном программном пакете MATLAB Simulink.
2. На основе полученной схемы моделирования ВИД разработать замкнутую систему управления ВИЭП с отрицательной обратной связью по угловой скорости вращения ротора. Предусмотреть ограничители тока и задатчик интенсивности.
ВИП применяются в различных отраслях: транспорт (трамваи, троллейбусы, железнодорожный транспорт), горнодобывающая техника, станкостроение, насосное и компрессное оборудование, бытовая техника (стиральные машины, пылесосы, электроинструменты различного назначения), выработка электрической энергии различной мощности (ветроэнергетика, гидроэнергетика) [2-7].
Лидером в разработке и внедрении ВИЭП за рубежом является японская компания Nidec Motor Corporation (NMC), которая серийно выпускает машины малой и средней мощности (в диапазоне от 14,7-308,7 кВт) с перегрузочной способностью до 250%, применяемые в горнодобывающей промышленности и электроэнергетике [8].
Пример отечественного применения ВИЭП - трансмиссия бульдозерно- рыхлительного аппарата ДЭТ-400. Согласно сравнительной характеристике с тракторами ДЭТ-250М2 и ДЭТ-320, приведенной на сайте производителя, введение вентильно-индукторных машин привело к увеличению надёжности трансмиссии в два раза и к устойчивости к повышенной влажности. Такой электропривод обеспечивает постоянную номинальную мощность во всем тяговом диапазоне. ДЭТ-400 имеется в номенклатуре выпускаемой ЧТЗ продукции [9].
Опытом поставки ВИП обладает научно-производственная фирма «Вектор», разрабатывающая системы управления на отечественной и импортной элементной базе [10-13]. Последним проектом является вентильно-индукторный электропривод с независимым возбуждением с диапазоном мощностей от 350 до 1250 кВт. Используемый в приводе двигатель состоит из нескольких секций, к каждой из которых подключен преобразователь частоты, работающий независимо от других. Это обеспечивает высокую надежность системы, поскольку двигатель может продолжать работу при отказе какой-либо из секций. Наращивание числа секций приводит к увеличению суммарного электромагнитного момента, что позволяет варьировать выходную мощность привода в высоких пределах. В настоящее время ВИЭП работает на разных теплостанциях Москвы в качестве приводов дымососов, вентиляторов и насосов.
Внедрением ВИЭП в свою продукцию занимается научно-производственное предприятие «Резонанс» города Челябинск. Данная компания - один из основных российских разработчиков и производителей электрооборудования для строительно-дорожной и сельскохозяйственной техники и городского транспорта [14]. В феврале 2018 года были успешно проведены испытания электромеханической трансмиссии колесного сельскохозяйственного трактора Т- 240, в состав которой входят 4 вентильно-индукторных двигателя и вентильноиндукторный генератор. Использование инновационной электромеханической трансмиссии дает ряд существенных преимуществ таких, как оптимизация режимов работы двигателя и обеспечение регулирования скорости движения в широком диапазоне. Программное обеспечение контроллера электротрансмиссии позволяет легко создавать полностью автоматизированные безэкипажные машины, работающие при минимальном расходе топлива и с максимальным КПД. С предприятием «Резонанс» сотрудничает ЮУрГУ с целью разработки приводов «нового поколения» в рамках стратегии импортозамещения.
Распространённость применения ВИЭП прежде всего связана с достоинствами вентильно-индукторного двигателя. К ним относятся:
1. Простота конструкции: ротор и статор выполнены из магнитомягкого материала, отсутствие обмоток на роторе. Как следствие, снижение затрат трудовых ресурсов на изготовление электрической машины. Для производства не требуется специального дорогостоящего оборудования и длительного времени для подготовки.
2. Отсутствие механического коммутатора. Устранение опасности сквозных коротких замыканий путем использования электронного коммутатора.
3. Большое разнообразие конфигураций - различных отношений . - 4/2, 6/4, 8/6. Как следствие, существование разных способов коммутации фаз и высокий диапазон частот вращения: от единиц до сотен тысяч об/мин.
4. Разгон и торможение с необходимым ускорением.
5. Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения более 92Энергетическое превосходство вентильно-индукторного двигателя над двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями при сравнении отношений номинальной мощности к объему стали [15, с.6].
6. Экономическая эффективность при эксплуатации двигателя - существенное сокращение расхода электроэнергии за счет высокого КПД.
7. Высокие массогабаритные характеристики, по которым ВИЭП превосходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод
Однако дискретная коммутация фаз, наличие нескольких каналов управления и нелинейности приводят к несостоятельности использования существующих подходов описания работы привода, основанных на различных вариантах аналитических моделей, применяющихся в традиционном электроприводе.
Описание работы ВИЭП с помощью фундаментальных законов физики для установления однозначных связей между искомыми характеристиками, параметрами и переменными приводит к введению множества допущений, искажающих реальные процессы в приводе. Данный подход не применим в случае, если исследователя интересуют не только количественные оценки работы, но и поведение привода в различных ситуациях.
Исследование функционирования сложных систем во времени стало реальностью с расширением возможностей математического моделирования. Имитационное моделирование позволило исследовать системы при различных сочетаниях параметров и сигналов управления при разбиении процесса на элементарные явления с сохранением их логической и временной последовательностей. Еще одним преимуществом использования имитационной модели является гибкость варьирования структуры и алгоритмов моделируемой системы для поиска модели наиболее близкой к реальному объекту.
В статьях А.Б. Красовского, посвященных построению имитационных моделей вентильно-индукторного электропривода [16-19], приведены характеристики различных прикладных пакетов программ таких, как Motor-CAD, SPEED, SRDaS. Данные программы отличаются высокой стоимостью, ограниченностью решаемых задач и закрытым программным кодом, что исключает их развитие и модернизацию.
Поскольку ВИЭП - объект активного исследования, одним из требований, предъявляемых к используемому программному обеспечению, является его адаптация к новым задачам. Это предполагает модульное построение модели в программной среде с открытым кодом. Данному требованию отвечают современные специализированные программы и приложения к ним, ориентированные на моделирование сложных систем: MATLAB-SIMULINK, MODEL VISION STUDIUM, MODELICA и т.п. Однако наиболее полно поставленной цели соответствует математический пакет MATLAB с приложением SIMULINK [20].
В данной работе будет рассмотрена реализация модели вентильноиндукторного двигателя с самовозбуждением конфигурации 8/6. Модель состоит из двигателя, схемы управления ключами, электронного коммутатора, подключенного к источнику напряжения с параллельно включенным конденсатором.Полученная модель должна быть управляемой, с реализацией отображения во времени основных физических величин (например, электромагнитного момента, потокосцепления, тока фаз двигателя), работоспособна при любых параметрах ВИД, в том числе, инвариантна к изменению числа зубцов статора и ротора.
Цель работы: синтезировать имитационную управляемую модель вентильноиндукторного двигателя произвольной конфигурации.
Задачи работы:
1. Изучить математическое описание процессов, протекающих в ВИД. С учетом полученных уравнений и принятых допущений разработать схему моделирования в прикладном программном пакете MATLAB Simulink.
2. На основе полученной схемы моделирования ВИД разработать замкнутую систему управления ВИЭП с отрицательной обратной связью по угловой скорости вращения ротора. Предусмотреть ограничители тока и задатчик интенсивности.
Вентильно-индукторный электродвигатель является одним из наиболее перспективных электромеханических преобразователей энергии. Возрастающий интерес к ВИД привел к необходимости создания модели, позволяющей
исследовать изменение его основных характеристик во времени.
В данной работе была разработана имитационная модель четырехфазного вентильно-индукторного двигателя в среде MATLAB Simulink со следующими свойствами:
1. Модель предназначена для исследования двигателей с произвольной конфигурацией, т.е. сочетание чисел зубцов статора и ротора не влияют на работоспособность модели.
2. Модель является управляемой, т.е. на базе данной модели может быть построена система управления угловой скорости вращения ротора вентильноиндукторного электропривода.
3. Модель предназначена для четырёхфазного ВИД, но может быть перестроена для двигателя с любым количеством фаз без затруднений.
4. Модель является адекватной, поскольку она базируется на основных законах механики и электромагнетизма.
По сравнению с другими прикладными программными пакетами MATLAB Simulink обладает более широким диапазоном функций, что позволяет проводить многосторонний анализ системы без применения дополнительных программных средств. Это может быть использовано при дальнейших модификациях полученной модели ВИД (например, при введении нелинейной магнитной системы).
исследовать изменение его основных характеристик во времени.
В данной работе была разработана имитационная модель четырехфазного вентильно-индукторного двигателя в среде MATLAB Simulink со следующими свойствами:
1. Модель предназначена для исследования двигателей с произвольной конфигурацией, т.е. сочетание чисел зубцов статора и ротора не влияют на работоспособность модели.
2. Модель является управляемой, т.е. на базе данной модели может быть построена система управления угловой скорости вращения ротора вентильноиндукторного электропривода.
3. Модель предназначена для четырёхфазного ВИД, но может быть перестроена для двигателя с любым количеством фаз без затруднений.
4. Модель является адекватной, поскольку она базируется на основных законах механики и электромагнетизма.
По сравнению с другими прикладными программными пакетами MATLAB Simulink обладает более широким диапазоном функций, что позволяет проводить многосторонний анализ системы без применения дополнительных программных средств. Это может быть использовано при дальнейших модификациях полученной модели ВИД (например, при введении нелинейной магнитной системы).
