Моделирование многоскоростных асинхронных электроприводов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-83:621.313.001.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСКОРОСТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

к. т. н., проф. Б.А. Карташов, к. т. н., доц. А.Е. Чуркин,

инженер Л.А. Чуркина

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, г. Зерноград

Azov-Blacksea State Agroengineering Academy, Zernograd

Рассмотрены методы структурного моделирования на базе программного комплекса МВТУ - «Моделирование в технических устройствах», которые позволяют на стадии постановки задачи упростить ее решение путем исследования внутренней структуры рассматриваемого объекта, изучения свойств его отдельных элементов и связей между ними. Объектом моделирования является электропривод с трехскоростным однообмоточным асинхронным электродвигателем на 10/4/2 полюса для привода вентилятора, изготовленным на стандартном габарите 4A132S4.

These are considered structural modeling methods on a basis of program complex "Modeling in technical devices", which allow to simplify task solution (yet at a beginning stage) with inner structure object investigation, some elements' features investigation. The modeling object is an electric drive with a triple speed one winding a-synchronous electric engine at 10/4/2 pole for a fan drive made according a standard dimension 4A132S4.

При разработке новых устройств, например, асинхронных электроприводов, возникает задача определения их характеристик, которые могут быть получены расчетным путем или методом непосредственных испытаний на экспериментальной установке. Однако изготовление установки часто связано с техническими сложностям и значительной стоимостью.

Методы структурного

моделирования, например, на базе программного комплекса МВТУ -«Моделирование в технических устройствах», позволяют на стадии постановки задачи упростить ее решение путем исследования внутренней структуры рассматриваемого объекта, изучения свойств его отдельных элементов и связей между ними.

Структурные схемы несложно изобразить графически, что делает исследуемые объекты более понятными.

Регулирование частоты вращения короткозамкнутых электродвигателей осуществляется питанием их от электромагнитных или тиристорных

преобразователей частоты или

переключением чисел полюсов

полюсопереключаемых обмоток /1/. В первом случае частота вращения регулируется плавно, а во втором -ступенчато.

Выбор способа регулирования частоты вращения определяется технологическим процессом, выполняемым рабочей машиной. Современные методы преобразования чисел полюсов позволяют создать однообмоточные многоскоростные асинхронные электродвигатели с относительно несложными схемами коммутации и широким диапазоном регулирования частоты вращения [2].

Объектом моделирования является электропривод с трехскоростным однообмоточным асинхронным

электродвигателем на 10/4/2 полюса для привода вентилятора, изготовленным на стандартном габарите 4А132S4. Исследовались пусковые процессы при переключении с наименьшей частоты вращения при 10 полюсах к средней - при 4, а затем к наибольшей - при 2 полюсах и в обратном направлении.

Моделирование исследуемого где I - приведенный к валу двигателя

процесса обусловлено решением суммарный момент инерции вращающихся

следующих уравнений [3]: 1. Уравнение

электропривода:

J — = - М, dt

механики

дв

12 =•

Í

частей привода, кг-м ;

ш - угловая скорость ротора двигателя, рад/с;

Мдв - момент двигателя, Н-м; Мс - момент сопротивления, создаваемый рабочей машиной, Н-м.

2. Формула приведенного тока ротора:

ил

, А

Т)

R + C ■ R

л2

+ (х,+с, ■ X 2)

где Иф - фазное напряжение электродвигателя, В;

- активное сопротивление фазной обмотки статора, Ом;

R - приведенное активное

сопротивление обмотки ротора, Ом; s - скольжение; Ci - множитель, обусловленный переходом от Т-образной к Г-образной схемам замещения электродвигателя;

sin Т =

Х1 - реактивное сопротивление фазной обмотки статора, Ом;

Х^ - реактивное приведенное сопротивление обмотки ротора, Ом.

3. Формула синуса угла у между векторами тока и ЭДС ротора:

X, + с, ■ x2

Ri +

R

\2

+ (xi + с, ■ x2 J

4. Уравнение тока статора:

''=1

12 +1n 1 ¡u^ 1 2

! + 2 ■ ■ sin Т

А.

5. Формула электромагнитного момента:

Мдв =

3 ■ и2ф ■ R2

ю0 ■ s •

R, + с, ■

R

л2

+ (x, + с, ■ x2 )

,Н ■ м.

где ю0 - угловая скорость магнитного поля, рад/с.

6. Выражение для определения момента сопротивления:

Мс = М0 +(МН -М0)■

Г л2 ю

V®H у

Н ■ м,

s

2

2

s

где М0 - начальный момент сопротивления рабочей машины, Н-м;

Мн - момент сопротивления рабочей машины при номинальной угловой скорости, Н-м;

шн - номинальная угловая скорость ротора, рад/с.

Структурная схема привода [4] изображена на рисунке 1. Она включает в себя

следующие субмодели: расчета

механических и скоростной характеристик электродвигателя; двух блоков управления

разгоном и торможением, посредством которых осуществляется переключение угловой скорости. Блоки управления подключаются к расчетным блокам с помощью кнопок. Результаты

моделирования представляются

графически.

Блок управления Разгон

I

Кнопки управления

Расчет механической характеристики

1-►

> 11—"

*-►

Блок управления Торможение

w=f(t)

II

Расчет скоростной характеристики 1ЫМ

Рис. 1. Структурная схема асинхронного электропривода

На рисунках 2 и 3 представлены структурные схемы блоков управления разгоном и торможением электродвигателя.

Для осуществления процессов переключения с помощью блока «Ступенчатое воздействие» введена функция У, определяющая время переключения электродвигателя, которая может принимать значения 0 или 1 в разные промежутки времени и выполняет функцию ключа для решения математических выражений.

При У =1 выполняется вычисление, при У = 0 блок отключается.

В интервале времени от 0 до 2 с, когда У = 1, происходит включение блоков расчета, соответствующих 10 полюсам.

В момент времени 2 с выполняется переключение на блоки расчета при 4 полюсах и так далее - до 5 секунд.

Блок «Мультиплексор» реализует "сжатие" нескольких скалярных входных сигналов в один векторный выходной сигнал типа "шина" данных, что облегчает передачу сигналов из одной субмодели в другую.

Рис. 2. Структурная схема блока управления разгоном двигателя

Рис. 3. Структурная схема блока управления торможением двигателя

График зависимости функции У от времени при разгоне электродвигателя представлен на рисунке 4.

1

0.8 0.7 0.6

0.4

0.2

0 1 2 3 4 5 6

Рис. 4. График зависимости функции У=1(;)

На рисунке 5 изображена структурная схема субмодели расчета механических характеристик.

Она включает блоки расчета скольжения, моментов двигателя и рабочей машины, их деление на момент инерции,

суммирование и интегрирование; на выходе из интегратора получаем угловую скорость ш и с помощью обратной связи подаем ее значение на вход блоков расчета скольжения и момента сопротивления.

Рис. 5. Структурная схема субмодели расчета механических характеристик

Таким образом, осуществляется расчет по замкнутому циклу, что дает возможность получить механические и скоростные характеристики.

Для исключения влияния постоянных составляющих, не зависящих от изменения скольжения, присутствующих в расчетных формулах, введен логический оператор «ИЛИ» с помощью одноименного блока.

В нем происходит сравнение сигналов с блоков управления разгоном и торможением двигателя: когда действие импульса с подключенного блока прекращается, сигнал становится равным нулю и сравнивается с сигналом неподключенного блока, который также равен нулю.

На выходе логического элемента появляется ноль и исключает значения постоянных составляющих.

На рисунках 6 и 7 представлены механические характеристики и

зависимость угловой скорости ш от времени при разгоне двигателя.

На рисунках 8 и 9 - аналогичные графики в режиме торможения.

На механических характеристиках отображено изменение момента электродвигателя при переключении с одного числа полюсов на другое.

Зависимости ш = ОД позволяют легко определить периоды разгона или торможения электропривода при переключении чисел полюсов.

Рис. 6. Механические характеристики при разгоне двигателя

Рис. 7. Изменение угловой скорости ш=Г(1;) при разгоне двигателя

Рис. 8. Механические характеристики в режиме торможения двигателя

Рис. 9. Изменение угловой скорости ш=Г(1;) при торможении двигателя