CC BY
76
резервирования может быть повышена за счет увеличения числа релейных элементов МРП и каналов «ТРН-ТЭН».
Таким образом, в предлагаемой системе управления достигается автоматическое включение ТЭН и повышается надежность работы технологической установки в целом. Это обусловлено тем, что Л1-Л3 обеспечивают «введение» ТРН1 -3 в прямой канал замкнутого контура МРП по логической функции «ИЛИ», характеризующей степень готовности (или аварийного состояния) элементов системы, первоначально находящихся вне этого замкнутого канала регулирования. В результате система приобретает свойства адаптации к аварийным отключениям не только элементов МРП, но и силового оборудования «ТРН-ТЭН». Реализация основных законов регулирования на основе МРП, например, интегральн6ого, пропорционально-интегрального и др. рассмотрены в работе [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Осипов О.И. Техническое диагностирование автоматизированного электропривода постоянного тока: Дис. докт. техн. наук.- Челябинск: ЧПИ, 1995.- 405 с.
2. Терещина О.Г. Электроприводы с параллельными каналами регулирования на основе многозонных интегрирующих развертывающих преобразователей. Дис. к.т.н., Челябинск: ЮУрГУ, 2007, - 235с.
3. Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР , 1988.- №1.-С.81-85.
4. А.с. № 1336039 СССР, 00607/12. Многозонный развертывающий преобразователь / Л.И. Цытович. - № 4058307/24; заявл. 19.02.86; опубл. 03.04.87, Бюл. №25.
УДК 621.314(07)
М.В. Гельман, О.Г. Брылина, М.М. Дудкин
(Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, teolge@mail.ru)
КОМПЛЕКС ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
На кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» Южно-Уральского государственного университета при изучении курса «Преобразовательная техника» используется автоматизированный лабораторный комплекс, разработанный совместно кафедрой и
ООО НПП «Учтех-Профи». Он охватывает практически все типы устройств преобразовательной техники. Достаточное количество стендов обеспечивает фронтальное проведение работ.
Безусловное преимущество физических моделей - обучение студентов работе с электротехническими устройствами. Однако физические модели имеют ряд недостатков:
1) при малых мощностях современных стендов практически невозможно обеспечить соотношения, справедливые для мощных преобразователей;
2) опасно изучать аварийные режимы;
3) невозможно обеспечить доступ к любому узлу схемы, ограничено число датчиков и каналов измерения;
4) трудно или невозможно развивать лабораторные работы;
5) ограничены возможности исследования при применении промышленного оборудования и т.п.
Полезно дополнить физическое моделирование виртуальным (имитационным) моделированием [1, 2, 3].
Поэтому на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» в рамках курсов «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» цикл лабораторных работ на физических стендах дополнен идущим параллельно циклом с использованием математических моделей, созданных в среде Ма^аЬ+ЭтиПпк [3-5].
Достоинства виртуального моделирования:
1) возможность исследования преобразователей с параметрами, соответствующими любой мощности, что обеспечивает возможность получения реальных характеристик;
2) возможность изменения параметров исследуемых систем в широких пределах, включая аварийные режимы работы;
3) доступность измерения параметров практически любого узла схемы;
4) простота реализации любых сложных измерений (спектрального состава, составляющих мощности, коэффициентов несинусоидальности, гармоник, КПД);
5) гибкая, легко изменяемая структура;
6) возможность индивидуализации обучения (большое число вариантов любой сложности);
7) простота и дешевизна развития лабораторных работ после начальных вложений.
Наличие физических моделей позволяет легко проверить адекватность виртуальных.
Лабораторный комплекс включает в себя работы посвященные исследованию: однофазных и трехфазных управляемых и неуправляемых выпрямителей, ведомых инверторов, реверсивных преобразователей,
преобразователей постоянного напряжения, автономных инверторов напряжения, преобразователей частоты, обратимых преобразователей напряжения (активных выпрямителей).
Проведение виртуальной лабораторной работы подразумевает наличие двух этапов:
1. Выполнение предварительного домашнего задания:
а) изучение теоретического материала по соответствующей теме курса;
б) расчет основных параметров изучаемой системы и построение характеристик (регулировочных, внешних или энергетических) по приближенным формулам, полученным при общепринятых допущениях [6].
2. Экспериментальное исследование на базе виртуальных моделей.
Таким образом, виртуальные работы значительно расширяют возможности исследования.
Например, существенные трудности при знакомстве с трехфазными автономными инверторами напряжения (АИН) вызывает изучение способов ШИМ, особенно самого применяемого на сегодняшний день -с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора. Соответствующая виртуальная лабораторная работа на базе одной силовой схемы трехфазного АИН, знакомит студентов c тремя способами импульсной модуляции [6]:
1 способ - с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания;
2 способ - с формированием фазных токов на основе релейного регулирования (ЧШИМ);
3 способ - с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора.
Структуры созданных моделей при различных способах импульсной модуляции отличаются, прежде всего, системами управления. На рис. 1 приведена модель для случая моделирования АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора (3 способ).
Вентильный блок УВ(кот), имитирует работу трехфазного моста (на базе ЮВТ-транзисторов, шунтированных встречными диодами). На основе применения понятия эквивалентных противо-ЭДС он позволяет учесть коммутационные потери в транзисторах без существенного увеличения времени расчета.
L
Ud.id.Pd
id. idi
IA
(JW.Urt(l).Ku
Pr.
KPD. Cw Fi
Lpt1)
Ü.A lHl)
- PD
«1.® CM FI
□
DHpfay
-я
Lr4-;--| I ri;-
U0
CMFIrTdr.iU)
Рис. 1. Виртуальная модель для исследования трехфазного АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного
вектора и ШИМ
Основные параметры блоков входящих в состав АИН, представленного на рис. 1, а также для двух других способов формирования импульсной модуляции представлены в табл. 1.
В табл. 1 приняты следующие условные обозначения:
- параметры управления:
ц - коэффициент модуляции (0 < ц < 1); 1нес, кГц - несущая частота; AI - ширина токового коридора; Ilm, A - амплитуда тока на входе АИН;
- параметры силовой схемы:
Ed, B - ЭДС источника питания (IP);
R, Ом - внутреннее сопротивление источника питания (IP);
Cf, мкФ - емкость входного фильтра;
f, Гц - частота выходного напряжения;
Rh, Ом; Lh, Гн - параметры активно-индуктивной нагрузки.
Осцилограммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу АИН, полученные при трех описанных выше способах импульсной модуляции, приведены на рис. 2 - рис. 4. Для лучшего рассмотрения протекающих процессов, осциллограммы были сняты при пониженной несущей частоте (fmrnvi = 500 Гц) или расширенном токовом коридоре.
Основные параметры трехфазного АИН
Таблица 1
Способ правления 1 способ 2 способ 3 способ
Наименование^^
з § 0.9 - 0.9
I £ fнЕc,кГц 5 - 5
Д! - 0.01 -
с ^ 11т, А - 2.14 -
о Еа, В 200
¡5 I -0 ш О- X Р Ом 1
С^ мкФ 1000
н о f, Гц 50
(Рн, Ом 25
с Ьн, Гн 0.1
¡а,¡а1
11 тт _1_ ы # _ у ри иу И #1 \ щ
., 1 -м. ГШ 1 У 1 , и_АЕ 5, и_АВ Ш: 1) ЕНЯ ^ппг ■ ии
ыъ Л в и г ш и_А, и_А(1 МГт ии <4 И I- щ и:......1...._
¡А
Рис. 2. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания
¡а,¡а1
1 Г5 ;гг Л Л. Л
Рис. 3. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием фазных токов на основе релейного регулирования
¡С|, ¡С11
__I_1_I_11_I_11_I_5_
и_АВ, и_АВ(1)
_I_I_I_I_I_I_I_I_
и_А, и_А(1)
I -
Рис. 4. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора
На осциллограммах (рис. 2 - рис. 4) приняты следующие условные обозначения:
¡с1, ¡с11 - ток, потребляемый от источника питания и ток на входе АИН
после конденсатора (С1); иу - напряжение на вентиле;
и_АВ, и_АВ(1) - линейное напряжение и его 1-я гармоника;
и_А, и_А(1) - фазное напряжение и его 1-я гармоника; ¡А - ток фазы А.
Для возможности сравнения (численного) полученных результатов в табл. 2 приведены основные показания, снятые с дисплеев моделей АИН при трех способах импульсной модуляции.
Таблица 2
Результаты исследования АИН при 3 способах импульсной модуляции
—-^^Вид ШИМ * Параметры^ — 1 способ 2 способ 3 способ
ис, В 199.07 199.07 198.7
1С, А 0.91 0.93 1.28
РС, Вт 185.31 184.9 250.2
1п, А 1.516 1.506 1.781
1п(1), А 1.515 1.506 1.78
Ю 0.00737 0.00502 0.00582
ип!, В 113.19 155.001 138.2
ип!(1), В 105.32 104.702 123.8
Ки 0.83 1.05 0.6582
Рп, Вт 172.2 170.1 237.8
п 0.92 0.915 0.9466
СОБ ф 0.62 0.62 0.6227
пвкл 4997 7501 3295
В табл. 2 приняты следующие условные обозначения: Ш, В, И, А - напряжение и ток, потребляемый от источника питания; Рс1, Вт - мощность потребляемая от источника питания; 1п, А, 1п (1), А - действующее значение тока, протекающего через нагрузку, и его первой гармоники; К - результирующий коэффициент гармоник тока; ип1, В, 0п!(1), В - действующее значение линейного напряжения на нагрузке и его первой гармоники;
Ки - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; Рп, Вт - активная мощность на выходе АИН; П - коэффициент полезного действия АИН; Соб ф - косинус угла сдвига;
пВкл - количество включений транзистора (п_ук!, в соответствии с рис. 1).
На рис. 5 и рис. 6, приведены внешние и энергетические характеристики АИН, построенные с помощью графопостроителей при двух способах модуляции: АИН с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания (рис. 5) и с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора (рис. 6).
Из табл. 2 видно, что при одинаковой несущей частоте самая низ-
кая частота коммутации транзисторов характерна для третьего способа управления работой АИН, следовательно, КПД в этом случае будет также максимальным.
0.6
01-.-■-.-] 0.5-'-'-'-
0 0.5 1 1.5 2 о 0.5 1 1.5 2 1п(1),А |П(1)
Рис. 5. Внешние 1_1л(1)=фл(1)) и энергетические КПД=фл(1)) характеристики АИН с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания (1 способ) и АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора (3 способ)
В соответствии с табл. 2 и рис. 5 у трехфазного АИН при формировании фазных напряжений с помощью пространственного вектора обеспечивается наибольшая величина выходного напряжения, наивысший КПД (из-за минимальной частоты коммутаций транзисторов) при высокой синусоидальности тока и минимальном содержании гармоник в напряжении.
Таким образом, полученные результаты, представленные в виде осциллограмм (рис. 2 - рис. 4), численных значений (табл. 2) и характеристик (рис. 5) наглядно убеждают студентов в преимуществах формирования фазных напряжений с помощью пространственного вектора, а также помогают осмыслить критерии сравнения.
В заключении следует отметить, что виртуальные лабораторные работы проводятся фронтально.
Как показала практика, проведение виртуальных лабораторных работ превращает общение преподавателя со студентами в творческий процесс, появляется возможность оперативного обмена мнениями и удобного общения сразу со всеми участниками группы (1015 человек). Виртуальное моделирование также дает возможность легко изменять ход работы, например, преподаватель или сами студенты ставят вопросы и отвечают на них, проведя эксперименты, если не могут ответить на них на основе своих знаний.
Возможность сочетания виртуальных лабораторных работ и лабораторных работ, выполняемых на физических стендах [4, 5], позволяет повысить качество обучения, а также развить интерес у учащихся.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
5. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2007. - 300с.
6. Герман-Галкин С.Г. МаАаЬ & 81ти!1пк. Проектирование механо-тронных систем на ПК. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.
7. Гельман М.В., Хроменков М.А. «Комплекс лабораторных работ по курсу Преобразовательная техника на основе компьютерного моделирования» // Электротехнические системы и комплексы: МежВУЗовский сборник научных трудов. Выпуск 6 / Под. Ред. А.С. Сарварова, К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 221 - 225.
8. Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2007. - Вып.7. №12(84). - С. 19-24.
9. Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. Совместное применение физического и виртуального моделирования при изучении устройств преобразовательной техники // Электромеханика. Известия вузов. вып. 5. Новочеркасск 2007. - С.62-65.
10. Электротехника: учеб. пособие для вузов: в 3 кн. Кн. II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. -711с.
УДК 62-83:621.313.333
Вечёркин М.В., Сарваров А.С., Елисеева Е.Е. (Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова max_vecherkin@mail.ru)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГНО ПУСКОВОГО УСТРОЙСТВА
В работе [1] показана возможность применения трансформаторно-тиристорного пускателя для плавного пуска высоковольтных асинхронных электроприводов.
Создание опытного образца высоковольтного пускателя требует предварительной оценки характеристик и возможностей устройства. Эффективным инструментом такой оценки является пакет МаАаЬ и его расширение 81тиНпк.
В этом пакете была создана модель системы «трансформаторно-тиристорный пускатель - двигатель», показанной на рис. 1.
