Моделирование работы системы «Тиристорный преобразователь напряжения асинхронный электродвигатель» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 62-83-52:62-573

В.Г. Каширских, С.С. Переверзев

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ »

В последнее время для управляемого пуска асинхронных электродвигателей короткозамкнутым ротором (АД), во многих отраслях промышленности начинают широко внедряться устройства плавного пуска (УПП), представляющие, в своей основе, тиристорный преобразователь напряжения (НІН) с фазовым или квазичастотным управлением.

Для исследования качества переходных процессов при управляемом пуске асинхронного электропривода с применением УПП для конкретной промышленной установки необходимо иметь математическую модель системы «ТПН-АД», с достаточной степенью точности описывающую электромагнитные переходные процессы в АД, вызванные переключением тиристорных коммутационных элементов (ТКЭ). Это обусловлено тем, что управляемый пуск во многом определяет эффективность электропривода в целом и влияет на надежность и срок службы машин и установок.

Основной особенностью при математическом описании работы ТПН является скачкообразное изменение проводящего состояния ТКЭ в течение положительного полупериода приложенного напряжения, из-за чего трёхфазная цепь статора становиться несимметричной, а режим работы цепи при этом характеризуется нестационарностью.

Анализ режима статорной цепи возможен поочерёдным решением дифференциальных уравнений, описывающих её мгновенные состояния, которые, в свою очередь, зависят от сочетания проводящих состояний ТКЭ в фазах электродвигателя. В этом случае математическую модель системы «ТПН-АД» удобно представить в виде системы дифференциальных уравнений обобщенной электрической машины [1], записанных в неподвижной относительно статора системе координат а, в в виде:

1

■(изА — Я5іа — егА );

&

в

1

(и*в — ^зів — егВ );

с

1

& аЬ5

ё/

■ (и,с - К,іс — егС );

Я

г

г а п Ьт & _ яг ~Ь — Ь у га — Р®/гр;

&/„Р _ 0 Ьт. Яг

^ - Яг ~1Ф — угв + раУ/га;

3 Ь

М ЭМ _ 2 Р^~ (/гаі,р—/грі,аУ;

1

і,а іА ; і,р ^3 (ІВ ІС);

&/гА _ &/га .

&

&/гВ _ 1 &/га , V3 &/„Р .

------ _----------1--------;

& 2 & 2 &

&/гС _ 1 &/га V3 ЛЩгр ,

&

2 &

„ _ Ьт &/гА . „ _ т

ЧГА ~---------------; —

2 &

Ьт &/„В .

Ь„ гВ Ь„

егС _

Ьт &/„С

Ь„ &

где Іа , Ів , ІС, и,А , и,В , и,С - фазные токи и

иА иТА

Рис. 1. Схема замещения статорных цепей системы «ТПН-АД»

г

О

О

а) б)

Рис. 2. Результаты моделирования пуска электродвигателя: а - электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при управляемом пуске; б - электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при прямом пуске; в - фазные токи; г - фазные напряжения

напряжения статора; Ьт -взаимная индуктивность обмоток статора и ротора; Ь,, Ь„ -индуктивности статора и ротора; Я,, Я„ -активные сопротивления статора и ротора; о -коэффициент рассеяния; у„а, У„р - составляющие потокосцепления об-

мотки ротора по осям а, в ; І,а, Іф- составляющие токов обмоток статора по осям а, в; р - число пар полюсов; т, Мэм - частота вращения ротора и электромагнитный момент.

На основании представленной математической модели АД и схемы замещения (рис. 1) опи-

а)

б)

Рис. 3. Моделирование процесса пуска АД ограничением приложенного напряжения: а - электромагнитный момент и частота вращения электродвигателя при управляемом пуске; б - формирование напряжения и тока фазы А; в - фазные токи; г - фазные напряжения

Таблица 1

Состояние ТКЭ Уравнения электрического равновесия статорной цепи Фазные напряжения (иЛ иВ, ис)

ТКЭ открыты во всех фазах diA 1 г ,, - т (uA RsJA erA X dt jLs diB 1 / D N , - T (uB RsJB erB X dt jLs die 1 / n ч , - T (ue Rsie erC X dt jLs iA + iB + ie - °- Фазные напряжения на зажимах АД равны фазным напряжениям источника питания: ияЛ = иЛ; и^В = иВ ; изС = иС •

ТКЭ закрыты во всех фазах При закрытых тиристорах во всех фазах, токи в них равны нулю: lA - lB - le - 0 - Фазные напряжения на зажимах электродвигателя равны фазным ЭДС, наводимым потокосцеплением ротора: изЛ = егЛ; изВ = егВ; изС = егС •

ТКЭ открыты в фазах А и В diA 1 dt oLs diB 1 dt oLs dic 1 dt oLs iA =-iB > iC 2(UA — erA + erB — uB ) —RsiA 2(UB - erB + erA — UA ) -RsiB (usC — erC ); — 0; 5 5 Напряжение фазы С равно ЭДС, наводимой потокосцеплением ротора: и8С = егС. Напряжения фаз А и В : ияЛ = ~^(иЛ - иВ - егС ); иі'С = ~^(иВ - иЛ - егС )•

ТКЭ открыты в фазах А и С diA 1 dt oLs dic = _1_ dt oLs diB = 1 dt oLs iA = —ic > h 2(UA — erA + erC — UC) —RsiA 2(UC — erC + erA — UA) -RsiC UsB — erB ); j = 0; 5 5 Напряжение фазы В равно ЭДС, наводимой потокосцеплением ротора: и5в = егв . Напряжения фаз А и С определяются выражениями: и8Л = 2(иЛ - иС - егВ); и8С = 2 (иС - иЛ - егВ).

ТКЭ открыты в фазах С и В diC = dt aLs diB 1 dt oLs diA 1 dt oLs iC = —iB > 2(UC — erC + erB — UB ) —RsiC 2(UB — erB + erA — UA ) —RsiB ; (UsA — erA ); iA =0; Напряжение фазы А равно ЭДС, наводимой потокосцеплением ротора: usЛ = егЛ . Напряжения фаз В и С определяются выражениями: и5В = 2(иВ - иС - егЛ); и5С = ~2(иС - иВ - егЛ)•

шем возможные состояния статорной цепи с использованием правил Кирхгофа.

В произвольный момент времени система может находиться в одном из пяти состояний: 1) открыты ТКЭ во всех фазах; 2) ТКЭ во всех фазах закрыты; 3) открыты ТКЭ в фазах А и В; 4) от-

крыты ТКЭ в фазах А и С; 5) открыты ТКЭ в фазах В и С. При этом на каждом этапе цепь статора описывается своей системой дифференциальных уравнений (табл. 1).

При переключении тиристоров цепь статора описывается одной из приведенных систем диф-

ференциальных уравнений. Для применения этой математической модели в целях исследования переходных процессов при управляемом пуске или получении регулировочных характеристик системы «ТРН-АД», модель должна быть дополнена условиями переключения ТКЭ (условиями существования тока в цепи с ТКЭ).

При фазовом управлении тиристор открыт, если текущий электрический угол в, отсчитываемый от начала положительной полуволны фазного напряжения, больше угла управления а, или же выполняется условие i ■ и < 0 при угле в < а, когда ток поддерживается за счет накопленной энергии в индуктивностях цепи.

При квазичастотном управлении питание статорной цепи осуществляется системой выпрямленных токов переменной полярности, частота изменения которых определяется количеством положительных и отрицательных полупериодов напряжения, пропускаемых ТКЭ. Открытое состояние тиристора определяется условиями:

(в>а)and(и ■ F > 0);

(i ■ и < 0)and(и ■ F < 0),

где and - оператор логического «И»; F - дополнительная функция переключения:

1 ■ sign( uv )and( i = 0 );

1 ■ sign(i )and(i Ф 0).

В приведенном выражении переменная uv определяет эквивалентное напряжение требуемой частоты.

На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования пуска электродвигателя ДКВ45 мощностью 45 кВт созданием ненулевых начальных электромагнитных условий [2] на основе описанной выше модели.

Из результатов моделирования с использова-

нием разработанной модели, можно сделать вывод, что пуск АД с созданием ненулевых начальных электромагнитных условий приводит практически к полному подавлению знакопеременной составляющей переходного момента, обусловленной подключением статорной обмотки АД к сети, не вызывая снижения быстродействия привода.

На рис. 3 представлены результаты моделирования управляемого пуска электродвигателя ДКВ45 ограничением скорости нарастания приложенного напряжения путем изменения в процессе пуска угла управления по линейному закону, с синхронизацией по напряжению.

Анализ результатов позволяет сделать вывод, что этот вид управляемого пуска приводит к снижению как знакопеременной, так и вынужденной составляющей электромагнитного момента, что приводит к снижению быстродействия привода. Однако, при этом достигается плавное нарастание момента, что благоприятно сказывается на ресурсе активных механических частей промышленной установки.

Таким образом, разработанная математическая модель системы «ТРН-АД» позволяет исследовать переходные процессы в асинхронном электроприводе при различных законах управления пуском АД с учетом влияния коммутации ТКЭ на электромагнитные процессы в АД, а также проводить анализ эффективности пуска асинхронного электропривода конкретной промышленной установки.

Результаты моделирования с использованием представленной модели подтверждены экспериментальными испытаниями тиристорного устройства для управляемого пуска АД, разработанного на кафедре электропривода и автоматизации Куз-ГТУ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высш. шк., 2001. -327 с.

2. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. - М.: Энергоиздат, 1981. - 184 с.

□ Авторы статьи:

Каширских Вениамин Георгиевич

- канд. техн. наук, зав. каф. электропривода и автоматизации

Переверзев Сергей Сергеевич

- аспирант каф. электропривода и автоматизации

УДК 622.012:621.316.9 А.Г. Захарова, Г.А. Казунина ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ

В последние годы на шахтах Кузбасса суще- телей. Это обстоятельство выдвинуло новые зада-

ственно возросла производительность забойных чи перед системами электроснабжения очистных

машин и увеличилась мощность их электродвига- забоев (СЭС ОЗ) по обеспечению их экономично-