CC BY
87
3. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. М.: Высш.шк., 2001. 326 с.
4. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005. 304 с.
5. Шенфельд Р., Хабигер Э.Л.: Автоматизированные электроприводы. Энергоатомиздат, 1985. 464 с.
V. Xvostov, A. Pugachyov
Using MatLab for electric drives with asynchronous motors researches
The analysis of popular research methods of electromagnetic and electromechanical energy transformation processes within asynchronous machine is presented. The research of principle of operation of asynchronous machine and electric drive by using MatLab on foundation of estimation of step response and space-time diagram is considered.
Keywords: theory of electric drives, mathematical models, physical processes, asynchronous motor.
Получено 06.07.10
УДК 378.016:62-83
А.И. Хитров, канд. техн. наук, доц., (8112) 79-78-66, [email protected],
А.А. Хитров, асп., (8112) 79-78-66 [email protected], И.М. Федотов, асп., (8112) 79-78-66, [email protected] (Россия, Псков, ППИ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ И ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Приводятся структура и состав экспериментального стенда, позволяющего исследовать характеристики современных частотно-регулируемых электроприводов.
Ключевые слова: методика подготовки, ЭП, экспериментальные стенды.
Повышение уровня требований к показателям качества регулирования выходных переменных (момента, скорости, положения) электроприводов (ЭП), обеспечение энерго- и ресурсосбережения при их применении, в современных условиях позволяет считать актуальной задачу совершенствования методик подготовки инженерных и научных кадров в области исследования и внедрения современных ЭП.
Новые методики подготовки должны основываться на применении современных компьютерных технологий имитационного моделирования динамических процессов в ЭП, создании экспериментальных стендов для исследований режимов их работы с целью подтверждения результатов моделирования и принятия решения о целесообразности применения кон-
кретной системы управления ЭП для различных условий эксплуатации производственных механизмов.
Компьютерные имитационные модели исследований режимов работы электродвигателей (ЭД) современных ЭП с преобразователями частоты (ПЧ) в настоящее время строятся в основном с использованием современных версий программы MatLab фирмы «Math Works» (США) с приложениями Simulink и SimPowerSystems (MSS) [1]. Проверка адекватности математических моделей после имитационного моделирования реальному объекту должна проводиться на экспериментальных стендах.
В докладе представлены результаты работ, проводимых на кафедре электропривода и систем автоматизации (ЭСА) Псковского государственного политехнического института (ППИ) по созданию нового экспериментального стенда и приводятся сведения о его структуре и составе.
Цель работы - создание универсального стенда для исследования динамических и статических показателей работы ЭП, а также показателей энергетической эффективности (КПД, коэффициент мощности, коэффициент искажений и др.) современных частотно-регулируемых ЭП, имеющих разные принципы программно-аппаратной реализации системы управления.
Среди таких принципов реализации - принципы скалярного, векторного с ШИМ - FOC (Field Oriented Control), прямого управления моментом - DTC (Direct Torque Control).
На универсальном стенде можно исследовать ЭП различных фирм с рекуперативными блоками (RB) и без них, с использованием активных выпрямителей (AFE) или матричных преобразователей для асинхронных (AM (Asynchronous Motor)), синхронных ЭД с постоянными магнитами (PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor)) или вентильных реактивных ЭД (SRM (Switched Reluctance Motor)).
Разработанный экспериментальный стенд используется в учебном процессе кафедры ЭСА ППИ при подготовке специалистов в курсах « Системы управления электроприводов», а также в курсах «Энергосбережение средствами электропривода» и «Компьютерное моделирование современных электроприводов» при подготовке магистров.
При создании экспериментального стенда были приняты следующие базовые технические решения:
1) электромашинный агрегат содержит три ЭД - один AM с двумя валами и два PMSM, которые соединены универсальными муфтами, позволяющими при необходимости заменять ЭД, имеющие близкие высоты осей вращения;
2) PMSM по своим энергетическим характеристикам и динамическим возможностям не имеют конкурентов, поэтому в состав экспериментального стенда включен ЭД (ДВУ2М) как нагрузочная машина (может
быть заменен на исследуемый SRM) и PMSM фирмы ABB (мощностью 1 кВт) со встроенным энкодером;
3) для сравнительного анализа характеристик систем ПЧ-ЭД различных фирм с разнообразными принципами управления в стенде предусмотрена возможность подключения разных ПЧ (до трех) с выбором питания исполнительного ЭД и нагрузки;
4) исследование режимов энергосбережения предполагает использование рекуперативного блока (RB) и двунаправленного счетчика активной энергии (Energy meter);
5) управление экспериментом проводится с использованием ЭВМ (Computer) на основе программно-аппаратных средств фирм (например, DriveStudio фирмы ABB), для измерений используется анализатор качества и количества электрической энергии Ресурс UF2M-3T52 и другие средства автоматизации эксперимента.
На рис. 1 представлена структура, а на рис. 2 - общий вид экспериментального стенда с установленным оборудованием.
Р—П Р—П
Рис. 1. Структура экспериментального стенда
Основными элементами экспериментального стенда являются ПЧ (ACSM1 - фирма «АВВ»(Финляндия), VFD VE - фирма «Delta Electronics»
(Ю.Корея), МЮ6М-ЗАО «Электротехнические системы» (Россия)) и рекуперативный блок КБ (ЭПВ-Р - ООО «ЧАЭЗ-ЭЛПРИ» (Россия)).
Рис. 2. Общий вид экспериментального стенда
ПЧ ACSM1 может управлять как AM, так и PMSM, обеспечивая или скалярное, или DTC-управление с применением обратной связи по скорости или в бездатчиковом варианте использования.
Преобразователь VFD может работать в различных режимах скалярного и векторного ШИМ - управления скоростью и моментом AM, а также может использоваться в режиме нагрузочной машины.
ПЧ MR16M используется для формирования требуемых законов изменения нагрузочного момента в ручном и автоматизированном режиме испытаний.
RB подключается к звену постоянного тока преобразователя ACSM1 и работает в режиме конвертера. Буфером между сетью и конвертером является электромагнитный дроссель (5 мГн).
Контроль потока активной энергии в двигательном и генераторном режиме работы ЭД осуществляется двунаправленным счетчиком активной энергии (Energy meter).
Системы ПЧ-ЭД в современном производстве становятся главными техническими решениями, как при создании новых технологических установок, так и при модернизации систем с нерегулируемыми электроприводами переменного тока.
Программное обеспечение (ПО), включаемое ведущими фирмами в состав аппаратно-программных средств комплектного ПЧ, дает возможность определения ряда параметров ЭД.
Проведение таких экспериментов назовем автоопределением параметров ЭД. После экспериментов определяются активные сопротивления
статора Rs, ротора Rr, индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора Las, LOT, индуктивность контура намагничивания Lm и др. параметры.
Некоторые фирмы включают в состав своего ПО базы данных ЭД своей фирмы. Однако такое ПО не поддерживает концепцию открытых для пользователя систем (OSI - open system interconnection).
Большинство фирм, производящих ЭД, не приводят перечень необходимых сведений об их параметрах в своих каталогах, а производители ПЧ могут указать в своих каталогах сведения рекламного, а не технического характера [2].
Эти обстоятельства затрудняют идентификацию параметров ЭД и их использование для последующего моделирования динамических процессов в MSS.
Идеальным случаем (осуществимо в электроприводах типа combi-master) является использование при модернизации электрооборудования объекта - калиброванного ЭП. Под калиброванным ЭП понимается использование такого комплектного ЭП, у которого ПЧ настроен у производителя под параметры ЭД, входящего в состав комплектного ЭП.
Покажем актуальность данной проблемы на примере расчетов и проведенных испытаний на экспериментальном стенде (такие расчеты являются элементами курсового проектирования в процессе обучения).
Пусть необходимо провести такую модернизацию, при которой AM остается «старым», а приобретается только ПЧ. Будем считать, что у инженера нет параметров схемы замещения ЭД (развернутые параметры схемы замещения для отечественных AM имеются только для серии 4А [3]).
Для определения параметров ЭД можно провести расчеты, используя методики [4-6], или провести их автоопределение на экспериментальном стенде, доверяя ПО фирмы изготовителя приобретенного ПЧ.
По разным причинам можно получить различные результаты, как в расчетах, так и при испытаниях (холостой ход, нагрузка, температура обмоток, заложенные в программное обеспечение алгоритмы идентификации и др.).
В табл. 1 представлены результаты проведенных расчетов по методикам, рассмотренным в [4-6], а также результаты автоопределения параметров с использованием встроенных программно-аппаратных средств для AM - АИР80А2 с ПЧ ACSM1 и VFD VE.
Выводы
1. Анализ экспериментальных данных, полученных на разработанном универсальном стенде, показывает, что при определении параметров ЭД результаты автоопределения могут отличаться друг от друга у ПЧ разных производителей.
Оценки параметров ЭД в результате расчетов на основе различных методик могут дать существенные погрешности для отдельных параметров. Кроме того, характер электромагнитных процессов в ЭД зависит не
только от параметров номинального режима, но и от уровня скорости вращения ЭД. В настоящее время авторам неизвестны универсальные инженерные методики расчетов параметров асинхронных и вентильных ЭД, которые можно использовать при моделировании, если последние не предоставлены непосредственно производителями ЭД.
Таблица 1
Результаты расчета и автоопределения параметров АД АИР80А2 _ (новый, мощность 1,5 кВт) __
Методика расчета Ом Иг, Ом мГн Los, мГн Lor, мГн Los Ьо^ мГн
По параметрам схемы замещения[4] 5,49 3,14 531 11 17 —
По данным каталога [5] 4,06 2,65 599 17 23 ---
По данным каталога [6] 4,6 3,13 510 --- --- 24,9
Автоопределение ПЧ VFD-VE 9,71 8,22 691 — --- 96
Автоопределение ПЧ ACSM1 4,13 1,87 400 — — 38
В табл. 2 приведены данные из [7] для AM, близкой к исследуемой.
Таблица 2
Расчетные данные АД^ типа 4А80А4 мощностью 1,1 кВт [8]
Асинхронный Иг, Lоs, Ьог,>
двигатель Ом Ом мГн мГн мГн
4А80А4 9,53 5,62 447 37 29
2. Если достоверные данные ЭД неизвестны и по каким-то причинам недоступны, то до начала процедур моделирования в MSS следует уточнить параметры ЭД на экспериментальном стенде, сопоставляя результаты автоопределения для нескольких ПЧ и теоретических расчетов по выбранной методике. Параметры и модель, удовлетворяющая критериям адекватности, может использоваться для исследования режимов работы ЭП.
3. Экспериментальный стенд оснащается ЭД небольшой мощности (до 2 Квт), но исследовать характеристики и определять параметры на данном стенде можно и для двигателей средней мощности при их работе на пониженных скоростях вращения, где такие исследования наиболее актуальны.
4. При создании экспериментального стенда использована AM с двумя валами, которые редко выпускаются производителями отечественных ЭД, однако потребность в таких машинах в настоящее время вырастает.
Это связано с возрастающей необходимостью применения энкоде-ров в замкнутых системах регулирования для улучшения динамических и статических показателей качества регулирования.
Список литературы
1. Белов М.П., Зементов О.И., Козярук А.Е. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие. М.: Академия, 2006. 368 с.
2. Грузов В.Л., Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Автоматизированный электропривод. Часть II. Теория электропривода: учеб. пособие, Вологда: ВоГТУ, 2006. 258 с.
3. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник ; под ред. Кравчика А.Э. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
4. Хитров А.И. Системы управления электроприводов: Методические указания к курсовой работе, Псков: Изд-во ППИ, 2009, 92 с.
5. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Электричество. 1998. №4. С. 38-42.
6. Фираго Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Техноперспектива, 2006. 363 с.
7. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах (Электрические машины): учебник. М.Высш.шк., 1980. 256 с.
A. Xitrov, A. Xitrov, I. Fedotov
The experimental stand for research of operating modes asynchronous and brushless motor of modern electric drives
The structure and the configuration of the test stand, which enables to investigate characteristics of up-to-date variable frequency electric drives, are considered.
Keywords: preparation technique, electric drive, test stand.
Получено 06.07.10
УДК 378.016:62-83
А.Н. Ладыгин, канд. техн. наук, зам. зав. кафедрой, (495) 362-74-25, [email protected] (Россия, Москва, МЭИ (Национальный исследовательский университет))
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА КУРСОВ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ
Рассматривается методологическая возможность обеспечения и непрерывного улучшения качества обучения специалистов посредством применения системного процессного подхода к организации работы курсов повышения квалификации.
Ключевые слова: конкурентоспособность, повышение квалификации, процесс обучения, качество проведения, слушатель.
Проведение курсов повышения квалификации специалистов промышленности стало типичным делом для многих кафедр технических вузов. Как правило, эти курсы организуются как платная образовательная
