CC BY
2УДК 681.518
Гребнев А.О.
бакалавр кафедры института МПСУ Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (г. Зеленоград, Россия)
Лутцев Д.С.
бакалавр кафедры ХТКиО факультета ТНВиВМ Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
(г. Москва, Россия)
ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЧАСТОТНОГО ПРИВОДА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Аннотация: в работе создана математическая модель частотного привода управления трехфазным асинхронным двигателем переменного тока с короткозамкнутым ротором. Продемонстрированы его основные части и описан принцип работы. Данная модель служить основой для создания сложных систем управления скоростью асинхронных двигателей в промышленности, например, для конвейерных лент, вентиляторов и насосов. была повышена производительность производства.
Ключевые слова: частотный привод, инвертор, преобразователь частоты шайаЪ
На текущем этапе развития производства одним из ключевых направлений считается создание или совершенствование имеющихся автоматизированных процессов, основанных на микроэлектронной технике.
Существенным отличием современного этапа в развитии производства является широкомасштабная автоматизация технических процессов на
предприятиях с использованием передовых технических средств на основе микроэлектроники.
В свете эволюции технологий и повышения точности производства возрастают требования к точности и скорости вычислений, обработки и анализа информации. Внедрение автоматизированных систем управления в технологические процессы производства (АСУ ТП) и их оптимизация становятся особенно важными для достижения более быстрого и точного управления.
С учетом этого разработка математической модели частотного привода асинхронного двигателя становится актуальной задачей в контексте автоматизации производства. Глубокое исследование этих процессов и последующая их модернизация в будущем позволят существенно сократить расходы, повысить эффективность и расширить функциональные возможности.
Модель частотного привода.
Математическая модель частотного привода в приложении МаНаЬ БтиПпк
Виртуальная (имитационная) модель частотного привода асинхронного двигателя (рис. 1) предназначена для изучения статических и динамических характеристик данной системы
1 Состав математической модели.
Дана модель состоит из инвертора напряжения с источником питания и широтно-импульсной модуляцией рисунок 2 и Преобразователя частоты на рисунке 3
Рисунок 1. Математическая модель частотного привода асинхронного двигателя.
Рисунок 2. Инвертора напряжения.
Рисунок 3. Преобразователя частоты.
Состав данной математической модели:
- Трехфазный источник напряжения (блок Three-PhaseProgrammableVoltage Source)
- Универсальный силовой преобразователь с выбираемыми топологиями и силовыми электронными устройствами. (Universal Bridge) Diode
- силовая часть ПЧ (блок Invertor IGBT);
- блоки реализации логических элементов LogicalOperato , Compare To Zero, Add блок матричного или поэлементного сложения.
- Трехфазный трансформатор с настраиваемыми соединениями обмотокThree-PhaseTransformer
- Генератор синусоидальной волны Sine Wave,
- Генератор симметричной треугольной формы сигнала через регулярные промежутки времени TriangleGenerator.
- Для наглядности несколько штук Display,
- Трехфазный Программируемый источник, V-I Измерение и анализатор последовательностей Three-Phase V-I Measurement
- асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (блок Asynchronous Machine);
- нагрузка асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (блок MechanicalLoad);
- комплект измерительных приборов для измерения угловой скорости, момента, силы тока на фазах (блок Scope 6), Измерение напряжения и токов на статоре асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (блок Scope 4,5)
2 Параметры трехфазный асинхронного электродвигатель.
Была выбрана Модель асинхронного двигателя АИР100S4. Ее параметры берутся из паспортных данных и частично рассчитываются по приведенным ниже выражениям.
Рн, кВт ии ,В /, Гц пи, об /мин СОБ ф 5н, % /, кГ^т2 /н, А
3,0 380 50 1500 0,81 82 5.1 0,021 6.8
Х1 = 0.073 X? = 0.11
Определяем номинальное значение тока статора
Рп • 103 4 • 103
[ =__=_= 68
п 73 • ии-соБф*-п 73 • 380 * 0.81 • 0.82 .
Определяем активное сопротивление обмотки статора
Я' * ии 0.077 • 380 Я = —-- =-= 24
5 73 •/„ 73 • 6.8 '
Определяем приведенное активное сопротивление обмотки ротора
Я2 • ии 0.062 • 380 Я 5 = =-= 2
73 -1п 73 • 6.8
Определяем индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора
X! ип 0,073 380 т _ 1 п _ ____ 0 0075
115 2пГн 73 ./п 2 • 3,14 • 50 73 . 6.8 0,0075
X' ип 0,11 380 1' = 2 11 = ___= 00011
^ 2пГн 73 -1п 2 • 3,14 • 50 73 . 6.8 0,0011 Определяем индуктивность цепи намагничивания _ ип _ 0,073 380 _
1т= 2 * 3,14 * 50 = 0,0075
Определяем коэффициент вязкого трения
ЛРмех 0.35 * 3 * 103
р =-—-=-= 0 042
(2япн/60)2 (2 * 3,14 * 1420/60)2 ,
Здесь номинальная частота вращения
пн = щ(1 - ян) = 1500(1 - 0,051) = 1420
Определяем суммарный момент инерции двигателя
и исполнительного механизма.
] = 2 * /д = 2 * 0,021 = 0,042.
Вычисленные параметры заносятся в настройки. Асинхронный двигатель запитан от источника питания.
3 Управление частотным приводом и его испытания.
Регулирование величины частоты вращения двигателя производится путем изменения параметров трехфазного инвертора и преобразователя частоты (изменения частоту синусоидальных колебаний, которые отличаются друг от друга на 120 градусов на Sine Wave Sine, Wave 1, Sine Wave 2, а также изменения напряжения). Изменение момента нагрузки двигателя производится путем регулирования времени и величины скачка нагрузки (блок MechanicalLoad).
На данной модели представлен ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока, получающий напряжение от источника переменного напряжения.
ПЧ подключен к АД с короткозамкнутым ротором (КЗР) АИР100S4. Управление в данной схеме производится в преобразователе частоты. В ней формируется управляющий широтно-импульсный сигнал, который поступает на автономной инвертор напряжения (АИН) и таким образом происходит управление амплитудой и частотой напряжения на выходе АИН, следовательно, и на обмотке статора от КЗР.
С помощью модели, далее на рисунках представлена графики системы.
на рис. 4 представлена осциллограмма напряжения на выходе из инвертора напряжения.
Далее на рисунке 5 представлены момент, скорость и токи двигателя. значение которых представлено в каждой фазе. Электромагнитный момент двигателя носит колебательный характер, что приводит к ухудшению пусковых свойств двигателя и является недостатком асинхронного двигателя.
Рисунок 4. Осциллограмма, снятая с датчика выходного напряжения модели.
Рисунок 5. График скорость и токи двигателя.
Рисунок 6. Выходные токи.
На рисунке 4 показаны графики трехфазных модулирующих ШИМ-сигналов для инвертора, скорость двигателя и момент. Повышение частоты модулирующих сигналов хорошо заметно. Кроме того, в рисунке 3.5, а также 3.6 представлены токи статора. Характеристики первоначально обладают прямолинейный вид, до тех пор, пока никак не установятся на пиковом значении при 50 Гц. Правый верхний график показывает скорость ротора. Сначала скорость двигателя возрастает с нулевой отметки и также никак не существенно превосходит номинальную скорость, он испытывает некоторые переходные процессы и затем стабилизируется до стабильного уровня в течение нескольких миллисекунд.
И далее на нижнем правом рисунке показан электромагнитный момент модели.
Описана и смоделирована концепция частотного привода асинхронного двигателя дозволяющая довольно четко описать процессы, проходящие в системе. Как видим, компьютерное модели дает возможность исследовать воздействие разных характеристик, позволяет анализировать влияние различных параметров на статические и динамические характеристики системы электропривода, оценивать ее устойчивость.
Данная модель системы частотного привода асинхронного двигателя правдиво отражает поведение системы в номинальных режимах.
Исследование модели асинхронного двигателя в MatlabSimulink
После настройки всех параметров произведем снятие характеристик изменяемой Мс. Были произведены замеры при частоте 100 80 50 40 30 20 и 10 Гц. При этих значениях была получена скорость асинхронного двигателя. Представленная в таблице 1.
Таблица 1. Результаты моделирования при U/f = const регулирования.
f , Гц Мс, Н*м V, об/мин
100 0 2900
5 2796
80 0 2280
5 2200
0 1414
50 3 1390
5 1360
0 1141
40 3 1102
5 1072
0 855
30 2 830
4 800
0 569
20 2 540
4 508
10 0 282
1 266
По данным таблицы строятся механические характеристики рис. 7 и 8.
3000 V об/мин
- ^100 Гц
- Г=80Гц
Г=50 Гц
1^=40 Гц
f=30 Гц
Г=20 Гц
^10 Гц
45 гшн«™ 5
Рисунок 7. Механическая характеристика для различных частот при регулировании по скорости.
Рисунок 8. Модельная характеристика АД.
Исходя из графиков и таблиц, представленных выше, можно сделать вывод что, изменяя момент вала на двигателе, частота вращения двигателя изменяется в незначительном диапазоне.
Исходя из все вышеописанного можно сказать, что, изменение частоты питания и амплитуды напряжения при помощи частотного привода асинхронного двигателя, позволяет контролировать скорость вращения вала, но при этом нужно регулировать и напряжение для поддержания величины потока
в двигателе. Подобным способом при помощи частотно регулируемого возможно осуществлять контроль скорости электродвигателя.
Вывод.
В данной работе произведен анализ управления и регулирования скорости асинхронного двигателя, а также создана математическая модель его частотного привода с использованием программы MATLAB. В ней представлены испытания модели с измерением скорости при различных частотах и графическое отображение ее механических характеристик. Были проведены анализ литературы, изучение конструкции асинхронного двигателя и частотного привода, анализ методов частотного управления, построение математической модели частотного привода с использованием IGBT-транзисторов и проведение исследований режимов работы частотного привода.
Основной результат работы - разработка модели частотного привода АД с ШИМ U/f регулированием, которая может служить основой для создания сложных систем управления скоростью асинхронных двигателей в промышленности, например, для конвейерных лент, вентиляторов и насосов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Новиков, Г. В. Частотное управление асинхронными электродвигателями / Г. В. Новиков. - 2-е изд. - Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. - 498 с. - ISBN 978-5-7038-4901-9
2. Макаров, А. М. Системы управления автоматизированным электроприводом переменного тока: учеб. пособие / А. М. Макаров, А. С. Сергеев, Е. Г. Крылов, Ю. П. Сердобинцев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2016- 192 с.
3. Кулагинские чтения (18; 2018; Чита). Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов [Текст]: XVIII Международная научно-практическая конференция, 28-30 ноября 2018 г., г. Чита: [в 3 ч.] / Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет". - Чита: Забайкальский гос. ун-т, 2018. - 20 см.; ISSN 2542-0054
Grebnev A.O.
National Research University "MIET" (Zelenograd, Russia)
Luttsev D.S.
Russian University of Chemical Technology named after D.I. Mendeleev
(Moscow, Russia)
TESTING AND ANALYSIS OF DEVELOPED MATHEMATICAL
MODEL OF ASYNCHRONOUS MOTOR FREQUENCY DRIVE
Abstract: the paper creates a mathematical model of a frequency control drive for a three-phase asynchronous AC motor with a short-circuited rotor, demonstrates its main parts and describes the principle of operation. This model serves as the basis for the creation of complex asynchronous motor speed control systems in industry, for example, for conveyor belts, fans and pumps. production productivity has been improved.
Keywords: frequency drive, inverter, frequency converter matlab simulink.
