CC BY
38
УДК 621.313.222:62-83
A^qpiCHKO П. Д.1, Шило С. I.2, Каплieнко О. О.3
1Д-р техн. наук, професор, завщувач кафедри електричних та електронних апарат1в Запор1зького нац1онального
ун1верситету, Запор1жжя, УкраТна; e-mail: andrpd@ukr.net;
2Старший викладач кафедри електричних та електронних anapamie Запорзького национального ушверситету,
Зaпоpiжжя, УкраТна; e-mail: sergey.shilo@gmail.com;
3Старший викладач кафедри електричних та електронних aпapamiв Запорзького национального ушверситету,
Зaпоpiжжя, УкраТна, e-mail: alexandr.kaplienko@gmail.com.
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1ЧНИХ РЕЖИМ1В ЕЛЕКТРОДВИГУНА ПОСЛ1ДОВНОГО ЗБУДЖЕННЯ З 1МПУЛЬСНИМИ СХЕМАМИ РЕГУЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ
Мета: Метоюроботи е до^дження динамжи двигуна посттного струму по^довного збудження з iMnynb-сним регулюванням частоти обертання i визначення можливостi спрощення схеми електропривода.
Методика: Методи жтацшного моделювання й аналтичт методи розрахунку та до^дження електро-мехатчних процеЫв в серiесномy двигун посттного струму при рiзних схемах тпульсного керування.
Результаты: Розроблено вдосконалену схему iмпyльсногорегулювання двигуна посттного струму по^дов-ного збудження. Для запропонованоТ i кнуючоТ схем iмпyльсного регулювання розроблен моделi, за допомогою яких до^джен електромехатчю процеси тягового електроприводу в цих схемах i виконано Тх порiвняльний аналiз. Наведено результати до^дження модершзованоТ тпульсноТ схеми регулювання частоти обертання двигуна посттного струму в режимах розгону, вибiгy i електродинамiчного гальмування. Проведено аналiз величини пульсацш струму якоря та вплив на не! частоти комутацп при використанн модершзованоТ схеми iмпyльсного регулювання.
Наукова новизна: Розроблено новi втащит моделi, яю дозволяють виконувати до^дження електромеха-тчних процеав тягового електроприводу прирiзних схемах iмпyльсногорегулювання.
Практична значим1сть: Розроблено вдосконалену схему iмпyльсногорегулювання двигуна посттного струму по^довного збудження. Вдосконалено схему iмпyльсногорегулювання двигуна посттного струму по^довно-го збудження зарахунок введення в схему iмпyльсногорегулятора дюда, який шунтуе обмотку збудження, що дозволяе знизити швидюсть загасання струму в обмотц збудження та використовувати режим електроди-намiчного гальмування при самозбудженн електродвигуна. Запропоноване схемне ршення дозволяеуникнути застосування додаткових незалежних джерел струму та спростити техшчнуреалiзацiю i зменшити витрати.
Ключовi слова: iмпyльснерегулювання, серiесний електродвигун, по^довне збудження, ттацтна модель
ВСТУП
В даний час в елекгротрансшрт1 застосовуються елек-троприводи з серieсними електродвигунами постшного струму. Спектр застосування електроприводiв поспйно-го струму з двигунами послвдовного збудження (ДПЗ) досить широка - тяговий електропривод рухомого складу мюького та залiзничного транспорту. Це зумовлено тим, що змша моменту навантаження для даних ме-ханiзмiв добре узгоджуеться з електромехатчно! характеристикою ДПЗ.
1стотним чинником шдвищення рентабельносп роботи електротранспорту в цшому може бути замша юну-ючого тягового електроприводу (ТЕП) на бшьш сучасш к види.
АНАЛ1З ПОПЕРЕДН1Х ДОСЛ1ДЖЕНЬ
1снуе калька схем регулювання швидкосп серieсного двигуна постшного струму (ДПС), це: реостатна i iмпуль-сна схеми [1, 2].
Найбшьш поширена реостатна схема регулювання швидкосп серieсного ДПС [1], мае таю недолши як:
- наявшсть велико! кшькосп контактно! апаратури;
©Андр1енко П. Д., Шило С. I., Каптенко О. О., 2016 DOI 10.15588/1607-6761-2016-2-6
- втрати в пускових резисторах, що знижують ККД тягового привода;
- необхвдшсть проведення регулярних дiагностик i техшчного обслуговування, що шдвищуе витрати на ек-сплуатацш рухомого складу.
Отже, даний вид тягового електропривода (ТЕП) е досить неефективним як з енергетично!, так i з економiч-но! точок зору.
З розвитком силово! елекгронiки найбiльш рацюналь-ним способом усунення недолiкiв, наведених вище, е застосування iмпульсних регуляторiв частоти обертання ДПС, що дозволяе знизити до мшмуму число одиниць контактно! апаратури i знизити споживання електрое-нерги в режимi пуску, гальмування, виб^ [2, 3].
1мпульсна схема е бшьш економiчною, але в режимi електромагнiтного гальмування вимагае наявностi до-даткового обладнання для пвдтримки струму в обмотщ збудження за допомогою додаткових незалежних джерел струму. Актуальною задачею е модершзащя iмпульсно!' схеми, яка дозволить спростити !! та зробити ТЕП бшьш енергоефективним та енергоощадним.
Таким чином, модершзащя класично! схеми iмпуль-сного регулювання та порiвняння динамiки ДПЗ при
рiзних схемах регулювання, яке дозволило б визначити найбшьш ефективну i найменш складну з них е актуальною науково-практичною задачею.
Метою роботи е дослвдження динамши двигуна пост-iйного струму послiдовного збудження (ДПЗ) з iмпульс-ним регулюванням частоти обертання i визначення мож-ливостi спрощення схеми електропривода.
ВИКЛАДЕННЯ ОСНОВНОГО МАТЕР1-АЛУ ТА АНАЛ1З ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬ-ТАТ1В
Авторами була розроблена модель, яка iлюструе таку схему пуску (рис. 1).
При моделюванн не враховувався вплив реакци якоря. Нелiнiйнiсть криво! намагшчування враховувалася таблично за методикою [7].
Параметри iмiтацiйно! моделi розраховано для тягового двигуна 1ДТ-003.5У[7] за методикою[6]:
- номiнальна напруга, и = 750 В,
- потужтсть, Р = 235 кВт,
- сила струму, I = 345 А,
- частота обертання, п = 1250 хв-1,
- маса, т = 2300 кг.
Вс подальшi розрахунки та графiки залежностей на-веденi у вiдносних одиницях. За базовi значения прийти наступнi:
- електромагнiтний момент М = 5кН*м;
- кутова частота обертання ю = 130 рад/с;
- струм 1=345 А.
Значний практичний штерес становлять схемнi ршен-ня, що дозволяють використання електродинашчного гальмування при самозбудження електродвигуна. Про-те використання цього режиму, пов'язано з певними труд-нощами, так як при гальмувант потрiбна наявнють за-лишкового магнiтного потоку в двигуш. В iснуючих моделях електроприводу використовуються додатковi неза-лежн джерела струму. 1х наявнiсть призводить до уск-
ладнення схемного ршення i додатковим економiчним витратам на ремонт i обслуговування.
Ввдома класична схема електроприводу постiйного струму, в якш здшснюеться 1миулъсне регулювання швид-косп обертання за допомогою змши перiоду роботи ключа Т1 (рис. 1) [2].
Проведення аналогичного опису дано! схеми досить складно, оскшьки присутнiй квадратична залежнiсть потоку збудження, електромагштного моменту i частоти обертання двигуна. Тому дослщження проводилося за допомогою програмного пакету МайаЬ з застосуванням бiблiотеки SimPowerSystem [3-5]. На рис. 2 показана модель тако! системи.
Наведемо опис елеменпв моделi: Е - джерело жив-лення (напруга джерела живлення дорiвнюе 750В); Т1 -силовий ключ; Т2 - силовий ключ, що включае гальмiв-ний резистор Rt; D2 - дюд зворотного струму; М - дви-гун постiйного струму послiдовного збудження; ШИМ - блок, що реал1зуе управл1ння силовим ключем Т1; БВМН - блок, який проводить обчислення моменту на-вантаження двигунiв М; D3, D4 - дюди, що вводяться в схему при дослвдженш модертзовано! системи iмпулъс-ного регулювання частоти обертання двигуна М. (показаний пунктиром).
За допомогою ще! моделi проведет дослвдження як класично! (рис. 1, а), так i модертзовано! (рис. 1, б) схеми iмпульсного регулювання. Результати розрахунку модел1 наведено на рис. 3 (для класично! схеми) i рис. 4 (для модертзовано!), де 1а - струм якоря двигуна; 1в -струм збудження двигуна; Мем - електромагштний момент двигуна; ю - кутова частота обертання двигуна.
У класичнш схемi регулювання частоти обертання [2] швидшсть спадання струму якоря визначаеться пост-iйною часу ланцюга якоря. На дiлянцi силовий ключ Т1-обмотка якоря М1-обмотка збудження F1 струм нарос-тае (ключ Т1 вiдкритий), i спадае по ланцюгу дiод D2-обмотка якоря М1 -обмотка збудження F1 (ключ Т1 зак-рито).
а)
б)
Рисунок 1 - Схема iмпульсного регулювання швидкосп обертання електроприводу з ДПЗ: а) класична схема iмпульсного
регулювання; б) модершзована схема iмпульсного регулювання
52
КВЫ 1607-6761. Електротехшка та електроенергетика. 2016. N° 2
При введены в схему дюда D3 (рис. 1) струм збуджен-ня буде замикатися по контуру шунтувальний дiод D3-обмотка збудження F1. Результата моделювання показу-ють, що запропонована модершзащя схемного рiшения дозволяе збшьшити час спадання струму в обмотцi збудження двигуна постiйного струму у 8 раз (рис. 5). Це, у свою чергу, веде до бшьш пов№ного спадання магшт-
ного поля в двигуш постiйного струму. Тому при дано-му схемному ргшент використання електродинамiчно-го гальмування при самозбудженнi електродвигуна е можливим. У той же час, швидюсть наростання (спадання) струму в обмотщ якоря через наявнiсть дюда D3 виз-начаеться тальки параметрами ланцюга якоря, що шюст-руеться збiлъшениям пулъсацiй (рис. 4).
Рисунок 2 - Модель iмпульсного регулювання швидкостi обертання електроприводу з ДПЗ
Рисунок 3 - Результати дослщження iмпульсиоl схеми регулювання частоти обертання двигуна постшного струму (частота
комутацй 300 Гц)
Рисунок 4 - Рeзyльтaти дoслiджeння мoдepнiзoвaнoï iмпyльснoï сxeми peгyлювaння чaстoти oбepтaння двигyнa постшного
стpyмy ^acrora кoмyтaцiï 300 Гц)
Рисунок 5 - Гpaфiк cпaдaння cтpyмy в обмотщ збyджeння: 1 - бeз дioдa D3; 2 - з дюдом D3
54 ISSN 1607-6761. Eлeкrporexнiкa ra eлeкrpoeнepгerикa. 2016. №2 2
Проведене дослщження створюе передумови реаль заци такого схемного рiшення, яке дозволить тти ввд ви-користання додаткових незалежних джерел струму для обмотки збудження тягового електродвигуна (при пере-ходi з режиму руху пiд струмом в режим електродинам-iчного гальмування). Це шдвищить ефективнiсть вико-ристання електрично! енергп i знизить витрати на експ-луатацiю та ремонт незалежного джерела струму.
На рис. 6 наведено результата дослщження модерш-зовано! iмпульсно! схеми регулювання частоти обертан-ня двигуна постiйного струму в режимах розгону, вибь
гу i елекгродинамiчного гальмування. При моделюванш досл1джувались наступи режими:
- в момент часу t = 0 розпочато розпн електродви-гуна;
- в момент часу t = 8,6 с ввдключаеться подача струму на двигун, здiйснюеться режим виб^;
- в момент часу t = 9,2 ввiмкненням силового ключа Т2 в ланцюг якоря вводиться гальмiвний резистор Rt;
- розрахунок iде до моменту повно! зупинки якоря електродвигуна (ю*=0).
Рисунок 6 - Результата дослщження модершзовано! iмпульсно! схеми регулювання частоти обертання двигуна постшного струму в режимах руху, вибцу, електродинамiчного гальмування (частота комутацп 2000 Гц)
Рисунок 7 - Модель реостатного пуску серiесного електродвигуна
Наведет залежносп вказують на можливють реаль зацй' режиму електродинамiчного гальмування електрод-вигуна без застосування додаткових засобiв шдтримки струму в обмотщ збудження ДПЗ.
Авторами були проведет дослвдження модершзова-но! схеми при рiзних частотах комутацй' силового ключа Т1: в дiапазонi вщ 300 до 2000 Гц. Результат дослвдження вказують на те, що усунення явища збiльшення пуль-сацiй досягаеться пiдвищенням частоти комутацй' до 11,5 кГц. Так само зниження рiвня пульсацiй можливо досягти при введенш в ланцюг якоря згладжуючих еле-ментiв, таких як згладжуючий реактор i конденсатор.
Додатково авторами було розроблено iмiтацiйну модель реостатно! схеми регулювання частоти обертання якоря ДПС (рис 7).
Наведемо опис елеменпв моделi: E - джерело жив-лення (напруга джерела живлення дорiвнюе 750В); Motor Starter - пусковий реостат, що забезпечуе 4 ступенi регулювання; М1- двигуни постiйного струму послвдовного збудження; БВМН - блоки, що здшснюють обчислення моменту навантаження двигунiв М1.
Результати дослвдження, проведеного на данш моделi, представленi на рис. 8.
ВИСНОВКИ
Розроблено iмiтацiйнi модели як1 дозволяють дослвд-жувати електромехашчш процеси в серiесному двигунi постшного струму.
Проведене моделювання дозволило зробити по-рiвняльний анал1з декшькох схем iмпульсного регулювання, результати якого вказують на високу ефективнiсть модершзовано! схеми.
Введення в схему iмпульсного регулятора дiода D3, який шунтуе обмотку збудження, дозволяе знизити швидшсть загасання струму в цiй обмотщ.
Запропонована модернiзацiя, що полягае у введенш в схему дiодiв D3 та D4, дозволяе використовувати режим електродинамiчного гальмування при самозбуд-женнi електродвигуна.
Запропоноване схемне ршення дозволяе уникнути застосування додаткових незалежних джерел струму та спростити техтчну реалiзацiю i зменшити витрати.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Метельський В. П. Електричш машини та м^ома-шини / В. П. Метельський. - Заиор1жжя: ЗНТУ 2005. - 616 с.
2. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока / Т. А. Глазенко. - Л.: Энергия, 1973. - 304 с.
3. Андриенко П. Д. Исследование режимов торможения в системе импульсного регулирования сериес-ного электродвигателя / П.Д. Андриенко, А.О. Кап-лиенко, С. И. Шило, И. Ю. Немудрый // Електротех-тка та електроенергетика. - 2007. - .№ 2. - С. 11-14.
м.
1.6
1.4
1.2
о.е
и.6
0.4
0.2
{ (л)
\ \
i i |я , 1 в /
I
/ fe Й9Й5Я
Ю Т..С
Рисунок 8 - Результати дослщження реостатно! схеми пуску двигуна постшного струму 1а-струм якоря двигуна; 1в-струм збудження двигуна; Мем - електромагнiтний момент двигуна; <в - кутова частота обертання двигуна
56
ISSN 1607-6761. Електротехшка та електроенергетика. 2016. N° 2
4. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника: Лабора- 7. торные работы на ПК / С. Г. Герман-Галкин. - СПб.: Учитель и ученик, Корона-принт, 2002. - 304 с.
5. Герман-Галкин С. Г. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК / С. Г. Герман-Галкин, Кар- 8. донов Г. А. - СПб.: Учитель и ученик, Корона-принт, 2003. - 256 с.
6. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем / С.Г. Герман-Галкин.. - СПб.: Учитель и ученик, Корона-принт, 2001. - 319с.
Андриенко П. Д.1, Шило С. И.2, Каплиенко А. О.3 1Д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры электрических и электронных аппаратов Запорожского национального технического университета, Запорожье, Украина
2Старший преподаватель кафедры электрических и электронных технического университета, Запорожье, Украина
3Старший преподаватель кафедры электрических и электронных технического университета, Запорожье, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ С ИМПУЛЬСНЫМИ СХЕМАМИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Цель: Целью работы является исследование динамики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения с импульсным регулированием частоты вращения и определениее возможности упрощения схемы электропривода.
Методика: Методы имитационного моделирования и аналитические методы расчета и исследований электромеханических процессов в сериесном двигателе постоянного тока при различных схемах импульсного управления.
Результаты: Разработана усовершенствованная схема импульсного регулирования двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Для предложенной и существующей схем импульсного регулирования разработаны модели, с помощью которых исследованы электромеханические процессы тягового электропривода в этих схемах и выполнен их сравнительный анализ. Приведены результаты исследования модернизированной импульсной схемы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока в режимах разгона, выбега и электродинамического торможения. Проведен анализ величины пульсаций тока якоря и влияние на нее частоты коммутации при использовании модернизированной схемы импульсного регулирования.
Научная новизна: Разработаны новые имитационные модели, которые позволяют проводить исследования электромеханических процессов тягового электропривода в различных схемах импульсного регулирования.
Практическая значимость Разработана усовершенствованная схема импульсного регулирования двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Проведено усовершенствование схемы импульсного регулирования двигателя постоянного тока последовательного возбуждения за счет введения в схему импульсного регулятора диода, шунтирующего обмотку возбуждения, что позволяет снизить скорость затухания тока в обмотке возбуждения и использовать режим электродинамического торможения при самовозбуждении электродвигателя. Предложенное схемное решение позволяет избежать применения дополнительных независимых источников тока, упростить техническую реализацию и уменьшить расходы.
Ключевые слова: Импульсное регулирование, сериесный электродвигатель, последовательное возбуждение, имитационная модель
Andrienko P. D.1, Shilo S. I.2, Kaplienko O. O.3
1Doctor of Engineering Sciences, Prof., Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine 2Senior lecturer, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine 3Senior lecturer, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine
RESEARCH OF SUCCESSIVE EXCITATION ELECTRIC MOTOR DYNAMIC MODES WITH PULSED SCHEMES OF THE ELECTRIC DRIVE REGULATION
Purpose: The purpose of the work is to research the dynamics of DC motor of series excitation with pulse speed control and determine the possibility of the drive circuit simplification.
Research methods: With the help of simulation and analytical methods of calculation techniques developed a simulation model, identified the advantages of using a modernized impulse control scheme.
The obtained results: The modernized scheme ofseries excitation DC current motor pulse control is designed. For the proposed and existing pulse regulation schemes the models are developed; they help to investigate the electromechanical processes of electric drive in these schemes and to perform the comparative analysis. The results of the modernized DC
Перльмутер В. М. Системы управления тиристор-ными электроприводами постоянного тока / В. М. Перльмутер, В. А. Сидоренко. - М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 304 с.
Пегов Д. В. Руководство по устройству электропоездов ЭТ2, ЭР2Т, ЭД2Т, ЭТ2М / Д. В. Пегов, П. В. Бурцев, В. Е. Андреев - Москва: Центр коммерческих разработок, 2003. - 184 с.
аппаратов Запорожского национального аппаратов Запорожского национального
motor speed impulse control scheme investigation in the acceleration mode, overrun and electro-dynamic braking are given.
Scientific novelty: Developed advanced pulse regulating sequential excitation DC motor scheme. For existing and proposed schemes impulse regulation developed models that allow study ofelectromechanical processes in electric drive for existing and proposed impulse control schemes.
The practical significance: It is shown that the addition of a shuntfield winding diode to pulsed regulator scheme reducing the rate of current decay in the winding. It is determined that the proposed upgrade allows to use electro-dynamic braking mode at the motor self-excitation. The proposed scheme design avoids the use ofadditional independent power sources and simplify the technical implementation and reduce costs.
Keywords: pulse control, the electric motor of series excitation, series excitation, simulation model
REFERENCES
1. Metel's'kij V. P., Elektrichni mashini ta mikromashini. Zaporizhzhja, ZNTU, 2005, 616 s.
2. Glazenko T. A. Poluprovodnikovye preobrazovateli v jelektroprivodah postojannogo toka. Saint Petersburg, Jenergija, 1973, 304 s.
3. Andrienko P. D., Kaplienko A. O., Shilo S. I., Nemudryj I. Yu. Issledovanie rezhimov tormozheniya v sisteme impul'snogo regulirovaniya seriesnogo e'lektrodvigatelya, Elektrotexnika ta elektroenergetika, 2007, No 2, pp. 11-14.
4. German-Galkin S. G. Silovajajelektronika: Laboratornye raboty na PK. Saint Petersburg, Uchitel' i uchenik, Korona-print, 2002, 304 s.
5. German-Galkin S. G., Kardonov G. A. Jelektricheskie mashiny: Laboratornye raboty na PK, Saint Petersburg, Uchitel' i uchenik, Korona-print, 2003, 256 s.
6. German-Galkin S. G. Komp'juternoe modelirovanie poluprovodnikovyh sistem, Saint Petersburg, Uchitel' i uchenik, Korona-print, 2001, 319 s.
7. Perl'muter V. M., Sidorenko V. A. Sistemy upravlenija tiristornymi jelektroprivodami postojannogo toka, Moscow, Jenergoatomizdat, 1988, 304 s.
8. Pegov D. V, Burcev P. V, Andreev V. E. Rukovodstvo po ustrojstvu jelektropoezdov JeT2, JeR2T, JeD2T, JeT2M, Moscow, Centr kommercheskih razrabotok, 2003, 184 s.
58
ISSN 1607-6761. EneKrpoTexHÍKa Ta eneKTpoeHepreTHKa. 2016. №2 2
