Математическое моделирование частотно-регулируемого электропривода со скалярным управлением в Simulink Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

26

BIOLOGICAL SCIENCES / <<Ш1Ш(ШШМ~ЛШ®Ма1>#Я1Ш,2©]]9

Маношин Д.А.

Дальневосточный Федеральный Университет DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10420 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СО СКАЛЯРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В SIMULINK

Manoshin D.A.

Far Eastern Federal University

MATHEMATICAL MODELING OF A FREQUENCY-REGULATED ELECTRIC DRIVE WITH

SCALAR CONTROL IN SIMULINK

Аннотация

В статье описаны суть скалярного управления, моделирование частотного электропривода, а также сравнение статических характеристик, полученных на модели с теоретическими.

Abstract

This article describes the essence of scalar control, simulation of a frequency electric drive, as well as a comparison of static characteristics obtained on a model with theoretical ones.

Ключевые слова: скалярное управление, математическое моделирование, электропривод, статические характеристики, законы частотного управления.

Key words: scalar control, mathematical modeling, electric drive, static characteristics, laws of frequency control.

В настоящее время широко используют регулирование скорости вращения АД(Асинхронный двигатель) за счет изменения частоты питающего напряжения. Для этого используют скалярное либо векторное управление ЭП(Электропривод). Более всего распространение получило скалярное управление.

Частотное регулирование скорости АД возможно благодаря тому, что скорость электромагнитного поля статора пропорциональна частоте напряжения питания:

2^ (1)

= ■

Рп

Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты напряжения питания изменяется и поток двигателя Фс

Е

U1

Ф = — ~ —-

1 kA kfi

(2)

то в большинстве случаев одновременно с изменением частоты напряжения питания необходимо регулировать и его амплитуду. Регулирование напряжения при уменьшении частоты ниже номинальной необходимо потому, что из-за уменьшения индуктивного сопротивления обмоток двигателя ток намагничивания будет возрастать, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его перегреву. Регулирование напряжение следует проводить таким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным.[3]

Для реализации способа частотного регулирования АД включают в сеть (см. рис. 1) с параметрами Uc = const и fc = const через ПЧ(Преобразователь частоты) UZ.

Рисунок 1. Схема подключения асинхронного двигателя с питанием от преобразователя частоты При частотном регулировании чтобы сохранять критический момент постоянным, нужно напряжение изменять пропорционально изменению частоты:

Ui (3)

— = const. Jl

Для вентиляторного характера момента нагрузки соотношение (3) амплитуды и питающего напряжения будет иметь вид:

Ui

—г = const, fi

(4)

а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, закон частотного регулирования примет вид:

и1 ...... (5)

4Ti

= const,

Таким образом, при реализации частотного способа регулирования скорости АД используется ПЧ, который позволяет также регулировать и напряжение на его статоре. [4]

Во встроенном в MATLAB пакете Simulink производилось математическое моделирование системы ПЧ-АД. Благодаря пакету Simulink можно создавать математические модели по функциональной схеме системы с помощью отдельных блоков. Блоки моделируемого устройства соответствуют

отдельным деталям реального устройства; таким образом, в системе МАТЪАБ могут быть смоделированы практически любые электрические схемы[5].

Модель представлена на рисунке 2:

Рисунок 2. Математическая модель системы ПЧ-АД

На данной модели представлен ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока, получающий напряжения от источника переменного напряжения. ПЧ подключен к АД с короткозамкнутым ро-тором(КЗР) типа 4А90Ь2У3. В качестве нагрузки АД КЗР при моделировании ЭП взят ДПТ НВ серии П типа П31, это сделано для снятия статических характеристик.

Скалярное управление в данной схеме производится в подсистеме PWM (см. рис. 3). В данной подсистеме формируется управляющий широтно-импульсный сигнал, который поступает на автономный инвертор напряжения(АИН) и таким образом происходит управление амплитудой и частотой напряжения на выходе АИН, следовательно и на обмотках статора АД КЗР.

Рисунок 3. Подсистема PWM

Необходимая частота задается в блоке Signal Builder, а необходимый закон частотного регулирования в блоке Задатчик интенсивности.

В ходе моделирования получились следующие статические характеристики (пунктирные - теоретические, цветные - полученные на модели):

28

BIOLOGICAL SCIENCES / <<Ш1Ш(ШШМ-Ши®Мак>>#]Щ1Ш,2(

350

300

250

-g 200

га

Cl

£ 150

100

50

Механические характеристики w=f(M)

о

I Не i

—-- ^ ^ f- 50 Гц •Z \ 'к

—"" - f = 40 Гц I Л / / / /

ч f = 30 Гц * / У —. j/ 5 Гц г Г / /

f = 2

I М

0 5 10 15 20 25

M, HM

Рисунок 4. Механические характеристики для закона Ui/fi = const

30

15 20

М, HM

Рисунок 5. Механические характеристики для закона U\/f \ = const

350

300

250

200

га О.

150

100

50

Механические характеристики w=f(M)

1 Мс

f - V 50 Гц \\

\ \ / / f = 40 Гц

_ / f = 30 Г tf = 2i

bsfc// / / // // i Ц >Гц

/ /J / / f / /

0 / f / / / ,y / f

10

30

35 40

15 20 25 М, Нм

Рисунок 6. Механические характеристики для закона = const

Как видно из сравнения модельных и расчётных характеристик (см. рис. 4-6), математическая модель системы ПЧ-АД, построенная в среде МЛТЪЛВ, с достаточной точностью описывает статические режимы. Погрешность механических характеристик двигателя, полученных при помощи математического моделирования в режимах, близких к номинальному, не превышает 5%. Погрешность при критическом моменте также не превышает 5%. Погрешность связана с упрощенной методикой расчёта теоретических характеристик, не учитывающей некоторые параметры.

Таким образом, опытные исследования, проведенные на лабораторном макете электропривода с ПЧ, позволяют говорить о достаточно высокой адекватности компьютерной модели. Предложенная модель системы ПЧ-АД адекватно отражает поведение системы в номинальных режимах.

Список литературы

1. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. -М.: МЭИ, 2015. -373 с.

1. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие. - СПб. КОРОНА принт, 2001. -320 с.

3. Москаленко В.В. Электрический привод: учебное пособие для сред. проф. образования. -М.: Издательский центр "Академия", 2004. -368 с.

4. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учебник для студ. высш, учеб, заведений. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. -288 с.

5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб. Питер, 2008. -288 с.