CC BY
33
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Научная статья УДК 519.876.5
DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-38-50
Разработка и исследование имитационной модели асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости
Сергей Юрьевич Еремочкин1, Алексей Андреевич Жуков213, Данил Валерьевич Дорохов3
12 3 Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, Барнаул, Россия
1 S.Eremochkin@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-6753-8305
2 zh_astu@mail.ru3, https://orcid.org/0000-0003-3098-8905
3danil.dorokhov.2000@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-6564-5879
Аннотация
Введение. Данная статья посвящена исследованию характеристик асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости при подключении к однофазной питающей сети. Для исследования характеристик использованы средства компьютерного имитационного моделирования.
Материалы и методы. На начальных этапах разработки новых схем частотных преобразователей, с целью оценки их характеристик, оправдано использование средств компьютерного моделирования. Имитационные модели позволяют получить основные характеристики электропривода и оценить его эффективность. Для построения наиболее достоверной компьютерной имитационной модели асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости использовался пакет прикладного программного обеспечения Matlab Simulink.
Результаты. В результате проделанной работы разработана компьютерная имитационная модель однофазного частотного регулятора скорости для трехфазного асинхронного электродвигателя. Произведено исследование характеристик электропривода на основе имитационной модели. Произведен анализ результатов исследования. Выявлено, что трехфазный асинхронный электродвигатель, управление которым происходит посредством однофазного частотного регулятора скорости, может быть с успехом использован в электроприводе при питании от однофазной сети.
Обсуждение. Эксплуатация асинхронных электродвигателей выдвигает ряд требований. В частности, для их работы необходима трехфазная сеть переменного тока. В ряде случаев отсутствует доступ к трехфазной сети переменного тока и питание потребителей осуществляется от однофазной сети. В этом случае, в качестве альтернативы существующим способам питания трехфазных электродвигателей, возможно использование оригинальных схем однофазных частотных преобразователей векторно-алгоритмического типа. Разработанные преобразователи отличаются простой конструкцией и низкой стоимостью. В свою очередь, метод компьютерного имитационного моделирования показывает высокую практическую значимость для исследования электроприводов с целью минимизации финансовых и временных затрат.
Заключение. Исследуемый асинхронный электропривод с однофазным частотным регулятором скорости при подключении к однофазной питающей сети может быть с успехом использован в электроприводе при питании от однофазной сети.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, векторно-алгоритмическое управление, имитационная модель, исследование характеристик, компьютерное имитационное моделирование, однофазная питающая сеть, частотный преобразователь, электропривод, Matlab Simulink
© Еремочкин С. Ю., Жуков А. А., Дорохов Д. В., 2021
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
38
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Для цитирования: Еремочкин С. Ю., Жуков А. А., Дорохов Д. В. Разработка и исследование имитационной модели асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости // Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). С. 38-50. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-38-50
Development and research of a simulation model of an asynchronous electric drive with a single-phase frequency speed controller
Sergey Y. Eremochkin1, Aleksey A. Zhukov213, Danil V. Dorokhov3
I,2,3Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia 1S.Eremochkin@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-6753-8305 2zh_astu@mail.ru3 https://orcid.org/0000-0003-3098-8905 3danil.dorokhov.2000@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-6564-5879
Abstract
Introduction. This article is devoted to the study of the characteristics of an asynchronous electric drive with a singlephase frequency speed controller when connected to a single-phase supply network. To study the characteristics, the means of computer simulation were used.
Materials and Method. At the initial stages of the development of new circuits of frequency converters, in order to assess their characteristics, the use of computer modeling tools is justified. Simulation models allow obtaining the main characteristics of an electric drive and assessing its efficiency. To build the most reliable computer simulation model of an asynchronous electric drive with a single-phase frequency speed controller, the Matlab Simulink software package was used.
Result. As a result of the work done, a computer simulation model of a single-phase frequency speed controller for a three-phase asynchronous electric motor has been developed. A study of the characteristics of an electric drive was carried out on the basis of a simulation model. The analysis of the research results has been carried out. It was revealed that a three-phase asynchronous electric motor, which is controlled by a single-phase frequency speed controller, can be successfully used in an electric drive when powered from a single-phase network.
Discussion. The operation of asynchronous electric motors puts forward a number of requirement. In particular, a three-phase AC network is required for their operation. In some cases, there is no access to a three-phase AC network and consumers are powered from a single-phase network. In this case, as an alternative to the existing methods of supplying three-phase electric motors, it is possible to use the original circuits of single-phase frequency converters of the vector-algorithmic type. The developed converters are distinguished by their simple design and low cost. In turn, the method of computer simulation shows a high practical value for the study of electric drives in order to minimize financial and time cost.
Conclusion. The investigated asynchronous electric drive with a single-phase frequency speed controller when connected to a single-phase supply network can be successfully used in an electric drive when powered from a singlephase network.
Keywords: asynchronous electric motor, vector-algorithmic control, simulation model, study of characteristics, computer simulation, single-phase supply network, frequency converter, electric drive, Matlab Simulink
For citation: Eremochkin S. Y., Zhukov A. A., Dorokhov D. V. Development and research of a simulation model of an asynchronous electric drive with a single-phase frequency speed controller // Bulletin NGIEI. 2021. № 10 (125). P. 38-50. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2021-11-38-50
Введение
На сегодняшний день системы автоматизированного электрического привода активно используются во всех сферах человеческой деятельности: это и сельское хозяйство, строительство, промышлен-
ность, быт, а также многие другие сферы деятельности. В общем случае автоматизированный электропривод представляет собой электромеханическую систему, основными элементами которой являются: электродвигатель, который преобразует по-
39
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
требляемую от источника электрическую энергию в механическую энергию, передаточное устройство (промежуточные передачи), соединяющее электродвигатель с рабочей машиной, аппаратура управления и защиты. Управление в современных системах электропривода осуществляется так называемым электрическим способом, при котором функции регулирования движением исполнительного органа осуществляются с помощью электродвигателя и его системы управления. Электрический способ управления электроприводами позволяет создать благоприятные условия для их автоматизации, в силу чего в настоящее время данный способ занял главенствующее положение [1; 2; 3]. Поэтому при исследовании режимов работы электропривода наибольший интерес представляет исследование механических и рабочих характеристик электродвигателей, а также графиков протекающих в них переходных процессов, которые получаются при использовании тех или иных устройств управления и питания.
Уже было отмечено, что при исследовании электропривода наибольший интерес в силу используемых сегодня способов регулирования электропривода представляет анализ характеристик электродвигателей, которые получаются в результате использования тех или иных устройств управления и питания. Следовательно, для исследования эксплуатационных характеристик, которые позволяют получить используемое устройство управления, аварийных, переходных, а также других режимов электропривода, применяют рабочие и механические характеристики электродвигателей, используемых в данных электроприводах, а также графики протекающих в них переходных процессов. Построение, а также анализ данных характеристик и графиков дает возможность оценить перегрузочную способность электропривода, при какой нагрузке сохраняется его устойчивая работа, что является определяющим его функциональные возможности, включая возможность и целесообразность его применения для конкретной системы или технологического процесса [4; 5]. Наличие построенных характеристик электрического двигателя в связке с конкретным устройством управления серьезно упрощает регулирование и настройку систем электропривода.
Материалы и методы
Одно из наиболее важных решений, которые приходится принимать исследователям или разра-
ботчикам моделей, касается выбора программного обеспечения, в котором будет создана компьютерная имитационная модель. Основным преимуществом компьютерного имитационного моделирования является возможность находить решения для сложных технических задач, так как в имитационных моделях легко учитывается наличие дискретных или непрерывных элементов, нелинейные характеристики, случайные воздействия в исследуемых системах. Поэтому методы имитационного моделирования нашли широкое распространение при исследовании сложных устройств, систем и процессов. Специально для решения задач имитационного моделирования в области электротехники и электропривода в настоящее время разработано значительное количество прикладных пакетов программного обеспечения [6; 7; 8].
Для имитационного моделирования асинхронного электропривода с полупроводниковыми устройствами питания наиболее подходит пакет прикладного программного обеспечения «Matlab» и его программы «Simulimk». Однако при питании асинхронного электродвигателя с помощью полупроводниковых устройств статорные обмотки питаются несимметрично, поэтому использовать базовые модели из библиотеки «Matlab» не представляется возможным. На основе универсальной математической модели асинхронного двигателя на кафедре ЭиАЭП АлтГТУ им. И. И. Ползунова была разработана имитационная модель асинхронного электродвигателя, которая позволяет исследовать его различные режимы работы при несимметричном питании с помощью полупроводниковых устройств питания. Для использования имитационной модели асинхронного электродвигателя необходимо выбрать реальный асинхронный электродвигатель, на основе параметров и данных которого будет происходить расчет данных, необходимых для работы имитационной модели, а также строиться исследуемая система электропривода [9; 10]. В качестве такового был выбран электродвигатель марки «АИС56В4У3».
При создании модели математические уравнения, описывающие процессы в асинхронном двигателе, составлены из библиотечных блоков среды Matlab Simulink и объединены в один блок, который представлен на рисунке 1.
Однофазный частотный регулятор скорости позволяет осуществлять подключение трехфазных асинхронных электродвигателей к однофазной сети.
40
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
_________ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
В данном устройстве, так же как и в ранее рассмот- Регулятор построен на основе трех полупро-
ренном, имеется возможность осуществлять реверс водниковых коммутаторов, каждый из которых выи дискретно регулировать частоту вращения под- полняется на двух встречно соединенных биполяр-ключенного электродвигателя при соединении об- ных транзисторах n-p-n проводимости (VT1-VT6). моток в «треугольник». Эмиттеры транзисторов «VT1» и «VT2» в
первом полупроводниковом коммутаторе соединяются между собой и подключаются к выводам статорных обмоток «С» и «А», коллектор транзистора «VT1» при этом подключен к фазному проводу питающей сети, а коллектор транзистора «VT2» подключен к нулевому проводу питающей сети.
Эмиттеры транзисторов «VT3» и «VT4» во втором полупроводниковом коммутаторе соединяются между собой и подключаются к выводам статорных обмоток «В» и «А», коллектор транзистора «VT3» при этом подключен к фазному проводу питающей сети, а коллектор транзистора «VT4» подключен к нулевому проводу питающей сети.
Эмиттеры транзисторов «VT5» и «VT6» в третьем полупроводниковом коммутаторе соединяются между собой и подключаются к выводам статорных обмоток «С» и «В», коллектор транзистора «VT5» при этом подключен к фазному проводу питающей сети, а коллектор транзистора «VT6» подключен к нулевому проводу питающей сети.
Рис. 1. Имитационная модель асинхронного электродвигателя Fig. 1. Asynchronous motor simulation model Источник: разработано авторами на основании исследований
На рисунке 2 представлена принципиальная электрическая схема однофазного частотного регулятора скорости.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема однофазного частотного регулятора скорости Fig. 2. Basic electrical circuit of a single-phase frequency speed controller Источник: составлено авторами на основании данных 1
Рис. 3. Векторная диаграмма вращения вектора магнитной индукции поля статора при использовании однофазного частотного регулятора скорости Fig. 3. Vector diagram of the rotation of the stator magnetic induction vector when using a single-phase frequency speed controller Источник: составлено авторами на основании данных 1
Базы каждого транзистора (VT1-VT6) в регуляторе подключаются к системе управления, которая обеспечивает их открытие по необходимому алгоритму, за счет чего происходит управление
41
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
напряжением сети, поступающего к каждой обмотке. Например, работа по одному из таких алгоритмов обеспечивает вращение вектора магнитной индукции кругового поля статора, подключенного к устройству, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на рисунке 3, по часовой стрелке от вектора «I» до вектора «VI», а напряжение на обмотках будет иметь вид, представленный на рисунке 4.
На рисунке 3 представлена векторная диаграмма вращения вектора магнитной индукции поля статора для однофазного частотного регулятора скорости.
UCCT1I 1 п Ш IV V VI I
Рис. 4. Напряжение и направление токов в обмотках асинхронного двигателя при питании с помощью однофазного частотного регулятора скорости Fig. 4. Voltage and direction of currents in the windings of an induction motor when powered by a single-phase frequency speed controller Источник: составлено авторами на основании данных1
Для создания вращения вектора магнитного потока поля статора по часовой стрелке, как показано на рисунке 3, необходимо осуществлять открытие транзисторов (VT1-VT6) регулятора по следующему алгоритму:
- в положительную полуволну напряжения питающей сети сигнал на открытие подается на «VT3» и «VT6»;
- далее в положительную полуволну напряжения питающей сети сигнал открытия подается на «VT2», а с «VT6» происходит снятие сигнала, и он закрывается, сигнал на «VT3» при этом продолжает поступать;
- далее в положительную полуволну напряжения питающей сети сигнал подается на «VT5», а с «VT3» происходит снятие сигнала, и он закрывается, сигнал на «VT2» при этом продолжает поступать;
- далее в отрицательную полуволну напряжения питающей сети сигнал подается на «VT6» и «VT3», происходит их открытие, а с «VT5» и «VT2» происходит снятие сигнала, и они закрываются;
- далее в отрицательную полуволну напряжения питающей сети сигнал открытия подается на «VT2», а с «VT6» происходит снятие сигнала, и он закрывается, сигнал открытия на «VT3» при этом продолжает поступать;
- далее в отрицательную полуволну напряжения питающей сети сигнал открытия подается на «VT5», а с «VT3» происходит снятие сигнала, и он закрывается, сигнал открытия на «VT2» при этом продолжает поступать;
- далее с началом положительной полуволны алгоритм повторяется.
Данный алгоритм обеспечивает пуск двигателя в направлении по часовой стрелке, для осуществления реверса необходимо изменить алгоритм включения транзисторов, однако подробное рассмотрение данного алгоритма, а также других алгоритмов работы устройства, которые позволяют регулировать скорость электродвигателя, проводиться в данной работе не будет [12].
Для создания имитационной модели однофазного частотного регулятора скорости воспользуемся возможностями интерактивной среды «Simulink» в области работы с полупроводниковыми элементами и на основе принципиальной электрической схемы устройства (рисунок 5), создадим имитационную модель асинхронного электропривода с данным устройством.
На рисунке 5 представлена имитационная модель асинхронного электропривода с двигателем «АИС56В4У3» и однофазным частотным регулятором скорости, созданная в среде «Simulink».
42
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Рис. 5. Имитационная модель асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости в среде «Simulink» Fig. 5. Simulation model of an asynchronous electric drive with a single-phase frequency speed controller in the «Simulink» environment Источник: разработано авторами на основании исследований
В данной модели система управления транзисторами сильно упрощена и имитируется с помощью генераторов импульсов, которые легко настроить на выдачу сигналов управления с нужной частотой и амплитудой. Для имитации работы устройства по алгоритму вращения поля по часовой стрелке переключатели «В\Н» для всех транзисторов необходимо перевести в положение к верхнему генератору сигнала «В», для имитации работы устройства против часовой стрелки переключатели необходимо перевести в положение к генератору сигнала «Н». Модели «n-p-n» биполярных транзисторов взяты из стандартной библиотеки «Power Electronics», которая входит в библиотеку для моделирования электротехнических устройств и энергетических систем «SimPowerSystems». Модели транзисторов принимаем как идеальные полупроводниковые ключи, которые не вносят изменений в работу системы
электропривода. Питание электропривода в имитационной модели осуществляется от идеального источника переменного напряжения, имитирующего однофазную сеть, который взят из стандартной библиотеки «Electrical Sources» [13; 14; 15; 16; 17; 18].
Для оценки эффективности работы асинхронного электродвигателя при питании от однофазной сети с помощью однофазного частотного регулятора скорости, используя разработанную имитационную модель (рисунок 5) проведем моделирование его характеристик.
Результаты
Результаты моделирования представлены на рисунках 6-11.
Из осциллограммы на рисунке 6 видно, что при пуске вращающий момент на валу электродвигателя, в моменты времени от начала моделирования (0 с) и до 0,4 с, колеблется от 1,8 Нм до -0,5 Нм
43
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
и стремится к установившемуся значению в 0 Нм. При мгновенном набросе номинального момента нагрузки (0,64 Нм) через 0,4 с вращающий момент колеблется от 0 Нм до 1 Нм и стремится к установившемуся значению в 0,64 Нм.
М, Нм
2.0 -------■----------- ■---------■----- ------
I
1,5
I
1.0
I " . -
0.5' '
0.0 ' , / ‘
1
-0.5 ■
-1.0 _
0 0.2 0.4 0.6 0.8 т. С
Рис. 6. Осциллограмма изменения момента
на валу в режиме пуска и работы под нагрузкой
Fig. 6. Oscillogram of the change in the torque on the
shaft in the mode of start and operation under load
Источник: разработано авторами
на основании исследований
Рис. 7. Осциллограмма изменения коэффициента мощности в режиме пуска и работы под нагрузкой Fig. 7. Oscillogram of the change in the power factor in the mode of start-up and operation under load Источник: разработано авторами на основании исследований
60 50 40 30 20 10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 T. c
Рис. 8. Осциллограмма изменения коэффициента полезного действия в режиме пуска и работы под нагрузкой Fig. 8. Oscillogram of the change in efficiency in the start-up mode and operation under load Источник: разработано авторами на основании исследований
Из осциллограммы на рисунке 8 видно, что при пуске наблюдаются колебания величины коэффициента полезного действия, после подключения номинальной нагрузки на вал (0,64 Нм) значение коэффициента полезного действия изменяется от 0 до 56 %.
Результаты моделирования работы асинхронного электродвигателя при питании от однофазной сети с помощью однофазного частотного регулятора скорости при помощи разработанной имитационной модели представлены на рисунках 9-11.
Из осциллограммы на рисунке 7 видно, что при пуске наблюдаются колебания величины коэффициента мощности от 0,8 до 0,12, после подключения номинальной нагрузки на вал (0,64 Нм) значение коэффициента мощности изменяется с 0,12 до 0,59 в установившемся режиме.
Рис. 9. Осциллограмма изменения момента на валу в режиме пуска и работы под нагрузкой Fig. 9. Oscillogram of the change in the torque on the shaft in the mode of start and operation under load Источник: разработано авторами на основании исследований
44
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Из осциллограммы на рисунке 9 видно, что при пуске вращающий момент на валу электродвигателя, в моменты времени от начала моделирования (0 с) и до 0,4 с, колеблется от 0,9 Нм до -0,7 Нм. При мгновенном набросе номинального момента нагрузки (0,64 Нм) через 0,4 с вращающий момент колеблется от 0,1 Нм до 1,2 Нм.
о о.: о.4 о.б o.s т: с
Рис. 10. Осциллограмма изменения коэффициента полезного действия
в режиме пуска и работы под нагрузкой Fig. 10. Oscillogram of the change in efficiency in the start-up mode and operation under load Источник: разработано авторами на основании исследований
Рис. 11. Осциллограмма изменения коэффициента мощности в режиме пуска и работы под нагрузкой Fig. 11. Oscillogram of the change in the power factor in the mode of start-up and operation under load Источник: разработано авторами на основании исследований
Из осциллограммы на рисунке 10 видно, что при пуске наблюдаются колебания величины коэффициента полезного действия до 86 %, после под-
ключения номинальной нагрузки на вал (0,64 Нм) в момент времени моделирования 0,4 с значение коэффициента полезного действия изменяется от 0 % и колеблется около среднего значения в 38 % при установившемся режиме работы.
Из осциллограммы на рисунке 11 видно, что при пуске наблюдаются колебания величины коэффициента мощности от 0,72 до 0,2, после подключения номинальной нагрузки на вал (0,64 Нм) среднее значение коэффициента мощности изменяется с 0,22 до 0,52.
Обсуждение
Включение трехфазного асинхронного электродвигателя в однофазную сеть выдвигает ряд особенных требований. На сегодняшний день наибольшее распространение получили три способа питания трехфазного двигателя от однофазной сети:
- метод прямого включения;
- использование емкостных или индуктивноемкостных фазосдвигающих цепей;
- запуск и работа с помощью частотного преобразователя [19].
Недостатками первых двух способов запуска и работы трехфазного двигателя от однофазной сети являются значительное понижение момента и развиваемой электродвигателем мощности, а также необходимость использования, во втором случае - набор конденсаторов различной емкости при различной величине нагрузки и заметные трудности в организации регулирования скорости двигателя. Применение частотных преобразователей в однофазной сети для питания трехфазных асинхронных электродвигателей небольшой мощности в ряде случаев не рационально из-за их высокой стоимости [20].
В связи с наличием у рассмотренных способов запуска и работы трехфазных электродвигателей от однофазной сети ряда существенных недостатков предлагается использование оригинальных схем однофазных частотных преобразователей векторно-алгоритмического типа, обеспечивающих стабильную работу электропривода, а также возможность регулирования угловой скорости электродвигателя.
В свою очередь, применение метода компьютерного имитационного моделирования показывает высокую практическую значимость для исследования электропривода, в том числе с преобразователями векторно-алгоритмического типа, ввиду отсутствия затрат на построение реального электропривода и его исследование.
45
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
На рисунке 12 представлена статическая механическая характеристика электродвигателя асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости.
характеристика асинхронного электродвигателя марки «АИС56В4У3»
Fig. 12. Static mechanical characteristics of the asynchronous electric motor «AIS56V4U3» Источник: разработано авторами на основании исследований
Как видно из рисунка 12, полученная с помощью имитационной модели статическая механическая характеристика электродвигателя имеет вид, схожий с общеизвестной теоретической статической механической характеристикой для асинхронной электрической машины.
Как видно из рисунка 13, полученные с помощью имитационной модели рабочие характеристики электродвигателя имеют вид схожий с общеизвестными теоретическими рабочими характеристиками для асинхронной электрической машины, что является еще одним подтверждением адекватности разработанной имитационной модели.
На рисунке 14 представлена статическая механическая характеристика электродвигателя асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости.
COS ф. Т1
0.6
0.5 л ; ' ’
0.4 . *
о.з с°5ф 0.2 0.Г
6 20 40 60 80 R Вт
Рис. 13. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя марки «АИС56В4У3»
Fig. 13. Performance characteristics of the asynchronous electric motor «AIS56V4U3» Источник: разработано авторами на основании исследований
Рис. 14. Статическая механическая характеристика электродвигателя асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости Fig. 14. Static mechanical characteristic of an asynchronous electric drive motor with a single-phase frequency speed controller Источник: разработано авторами на основании исследований
Как видно из рисунка 14, пусковой момент электродвигателя Мп = 0,62 Нм, критический момент, номинальный момент Мн = 0,64 Нм, Мк = 0,71 Нм.
На рисунке 15 представлены рабочие характеристики для асинхронного электродвигателя с однофазным частотным регулятором скорости.
46
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
COS <р. Т1
0:6 0,5 0,4
0,3 -
0,2' ‘
0,1
6 20 40 60 80 Р, Вт
Рис. 15. Рабочие характеристики для асинхронного электродвигателя с однофазным частотным регулятором скорости Fig. 15. Performance characteristics for asynchronous motor with single-phase frequency speed controller Источник: разработано авторами на основании исследований
Как видно из рисунка 15, значения рабочих характеристик асинхронного электродвигателя с однофазным частотным регулятором скорости, полученные с помощью имитационной модели, составляют от 67 до 88 % от величины при трехфазном питании.
Заключение
С помощью разработанной имитационной модели было произведено исследование прямого пуска от трёхфазной сети для электродвигателя марки «АИС56В4У3» и асинхронного электропривода с однофазным частотным регулятором скорости. В ходе исследования были получены опытноэкспериментальные характеристики трехфазного электродвигателя с однофазным частотным регулятором скорости, которые свидетельствуют о целесообразности его использования в электроприводе.
Было выяснено, что данный преобразователь позволяет производить пуск трёхфазного асинхронного электродвигателя в прямом и обратном направлении с пусковым моментом (Мп) 48 % от номинального, а также позволяет производить работу с критическим моментом (Мк) 54 % от номинального. Исследуемое устройство питания трёхфазного асинхронного электродвигателя позволяет осуществлять его работу с коэффициентом мощности (cos ф) в 80 % от величины при трёхфазном питании, а также коэффициентом полезного действия (п) в 70 % от величины при трёхфазном питании.
COS ф
Л
Примечания:
1 Однофазный частотный регулятор скорости, ведомый сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.s3.yandex.net/RU121975U1_20121n0.pdf
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Грязев М. В., Кузнецова О. А. Оптимальное управление асинхронным электроприводом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 5. С. 212-220.
2. Макаров В. Г. Актуальные проблемы асинхронного электропривода и методы их решения // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 6. С. 79-93.
3. Макаров В. Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 6. С. 109-120.
4. Даниленко А. Ф., Змиевской В. А. Управление асинхронным электроприводом // Вестник Национального технического университета Харьковской политехнический институт. Серия: Информатика и моделирование. 2005. С. 48-51.
5. Халина Т. М., Стальная М. И. К вопросу об эффективном использовании мобильных машин в АПК // Достижения науки и техники АПК. 2017. № 31. С. 76-80.
6. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты // Вестник УРО РАН. 2000. С. 254.
7. Омельченко Е. Я., Харламов А. В. Моделирование на ЭВМ переходных процессов в асинхронном электроприводе // Электротехнические системы и комплексы. Магнитогорск. 1998. С. 36-42.
8. Зюзев А. М., Нестеров К. Е., Мудров М. В. Программноаппаратный симулятор электропривода // Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике. 2013. № 1. С. 116-123.
9. Цвенгер И. Г. Сравнительный анализ программных средств моделирования электромеханических процессов в электроприводе // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 12. С. 246-251.
10. Макаров В. Г., Гусельников В. А. Модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в пакете MatLab // Вестник Казанского технологического университета. 2016. № 10. С. 109-112.
47
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
11. Михеев Е. А. Частотное регулирование электропривода // Символ науки. 2016. № 11. C. 124-126.
12. Денисов В. А., Третьякова М. Н., Бородин О. А. Математическое моделирование асинхронных электроприводов с векторным управлением // Электротехнические комплексы и системы. 2016. № 1. С. 5-11.
13. Семёнов А. С. Моделирование режимов работы асинхронного двигателя в пакете программ MATLAB // Вестник СВФУ. 2014. № 1. С. 51-59.
14. Даденков Д. А., Солодкий Е. М., Шачков А. М. Моделирование системы векторного управления двигателем в пакете MATLAB/SIMULINK // Вестник ПНИПУ. 2014. № 11. С. 117-125.
15. Кычкин А. В., Даденков Д. А., Билалов А. Б. Автоматизированная информационная система полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2013. № 8. С. 73-83.
16. Козярук А. Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов // Санкт-Петербургская электротехническая компания. 2004. С. 127.
17. Халина Т. М., Стальная М. И. Исследование характеристик электропривода с преобразователем векторно-алгоритмического типа // Электротехника. 2018. № 12. С. 48-52.
18. Дьяченко М. Д., Бурлака В. В., Якин А. И. Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2004. № 14. С. 1-4.
19. Бирюков С. Три фазы - без потери мощности // Радио. 2000. № 7. С. 37.
20. Козярук А. Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов // Санкт-Петербургская электротехническая компания. 2004. С. 127.
Статья поступила в редакцию 12.08.2021; одобрена после рецензирования 14.09.2021;
принята к публикации 16.09.2021.
Информация об авторах:
C. Ю. Еремочкин - к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и автоматизированный электропривод», Spin-код: 3102-9863;
А. А. Жуков - студент кафедры «Электротехника и автоматизированный электропривод»;
Д. В. Дорохов - студент кафедры «Электротехника и автоматизированный электропривод».
Заявленный вклад авторов:
Еремочкин С. Ю. - научное руководство, формулирование основной концепции исследования, проведение экспериментов, анализ полученных результатов, осуществление критического анализа и доработка текста. Жуков А. А. - подготовка текста статьи, верстка и форматирование текста статьи, участие в обсуждении материалов статьи.
Дорохов Д. В. - подготовка текста статьи, верстка и форматирование текста статьи, участие в обсуждении материалов статьи.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Gryazev M. V., Kuznecova O. A. Optimal'noe upravlenie asinhronnym elektroprivodom [Optimal control of an asynchronous drive], Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Tula State University. Technical science], 2011, No. 5, pp. 212-220.
2. Makarov V. G. Aktual'nye problemy asinhronnogo elektroprivoda i metody ih resheniya [Actual problems of an asynchronous electric drive and methods for their solution], Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Kazan Technological University Bulletin], 2011, No. 6, pp. 79-93.
3. Makarov V. G. Analiz sovremennogo sostoyaniya teorii i praktiki asinhronnogo elektroprivoda [Analysis of the current state of the theory and practice of asynchronous electric drive], Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Kazan Technological University Bulletin], 2011, No. 6, pp. 109-120.
48
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
4. Danilenko A. F., Zmievskoj V. A. Upravlenie asinhronnym elektroprivodom [Asynchronous drive control],
Vestnik Nacional'nogo tekhnicheskogo universiteta Har'kovskoj politekhnicheskij institut. Seriya: Informatika i mod-elirovanie [Bulletin of the National Technocal University Kharkov Polytechnic Institute. Series: Computer Science and Modeling], 2005, pp. 48-51.
5. Halina T. M., Stal'naya M. I. K voprosu ob effektivnom ispol'zovanii mobil'nyh mashin v APK [On the question of the effective use of mobile machines in the agro-industrial complex], Dostizheniya nauki i tekhniki APK [Achievements of science and technology of the agro-industrial complex], 2017, No. 31, pp. 76-80.
6. Shrejner R. T. Matematicheskoe modelirovanie elektroprivodov peremennogo toka s poluprovodnikovymi preobrazovatelyami chastoty [Mathematical modeling of AC electric drives with semiconductor frequency converters], Vestnik URO RAN [Bulletin of the URO RAS], 2000, pp. 254.
7. Omel'chenko E. Y., Harlamov A. V. Modelirovanie na EVM perekhodnyh processov v asinhronnom elektro-privode [Computer simulation of transient processes in an asynchronous electric drive], Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrical systems and complexes], 1998, pp. 36-42.
8. Zyuzev A. M., Nesterov K. E., Mudrov M. V. Programmnoapparatnyj simulyator elektroprivoda [Software and hardware simulator of the electric drive], Energetika. Innovacionnye napravleniya v energetike. CALS-tekhnologii v en-ergetike [Energy. Innovative directions in the energy sector. CALS technologies in energy], 2013, No. 1, pp. 116-123.
9. Cvenger I. G. Sravnitel'nyj analiz programmnyh sredstv modelirovaniya elektromekhanicheskih processov v elektroprivode [Comparative analysis of software tools for modeling electromechanical processes in an electric drive], Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Kazan Technological University Bulletin], 2014, No. 12, pp.246-251.
10. Makarov V. G., Gusel'nikov V. A. Model' trekhfaznogo asinhronnogo dvigatelya s korotkozamknutym roto-rom v pakete MatLab [Model of a three-phase asynchronous motor with a squirrel-cage rotor in the MatLab package], Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Kazan Technological University Bulletin], 2016, No. 10, pp.109-112.
11. Miheev E. A. Chastotnoe regulirovanie elektroprivoda [Frequency regulation of the electric drive], Simvol nauki [Science symbol], 2016, No. 11, pp. 124 - 126.
12. Denisov V. A., Tret'yakova M. N., Borodin O. A. Matematicheskoe modelirovanie asinhronnyh elektro-privodov s vektornym upravleniem [Mathematical modeling of asynchronous electric drives with vector control], El-ektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy [Electrotechnical complexes and systems], 2016, No. 1, pp. 5-11.
13. Semyonov A. S. Modelirovanie rezhimov raboty asinhronnogo dvigatelya v pakete programm MATLAB [Modeling the operating modes of an induction motor in the MATLAB software package], Vestnik SVFU [NEFU Bulletin], 2014, No. 1, pp. 51-59.
14. Dadenkov D. A., Solodkij E. M., Shachkov A. M. Modelirovanie sistemy vektornogo upravleniya dvigate-lem v pakete MATLAB/SIMULINK [Modeling a vector motor control system in the MATLAB/SIMULINK package], VestnikPNIPU [PNRPUBulletin], 2014, No. 11, pp. 117-125.
15. Kychkin A. V., Dadenkov D. A., Bilalov A. B. Avtomatizirovannaya informacionnaya sistema polunaturnogo modelirovaniya staticheskoj nagruzki elektroprivodov [Automated information system for semi-natural simulation of static load of electric drives], Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. El-ektrotekhnika, informacionnye tekhnologii, sistemy upravleniya [Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Electrical engineering, information technology, control systems], 2013, No. 8, pp. 73-83.
16. Kozyaruk A. E. Sovremennoe i perspektivnoe algoritmicheskoe obespechenie chastotno-reguliruemyh el-ektroprivodov [Modern and promising algorithmic support for variable frequency drives], Sankt-Peterburgskaya el-ektrotekhnicheskaya kompaniya [Saint Petersburg Electrotechnical Company], 2004, pp. 127.
17. Halina T. M., Stal'naya M. I. Issledovanie harakteristik elektroprivoda s preobrazovatelem vektorno-algoritmicheskogo tipa [Investigation of the characteristics of an electric drive with a vector-algorithmic converter], Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2018, No. 12, pp. 48-52.
18. D'yachenko M. D., Burlaka V. V., Yakin A. I. Vklyuchenie trekhfaznogo elektrodvigatelya v odnofaznuyu set' [Inclusion of a three-phase electric motor in a single-phase network], Vestnik Priazovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Priazovsky State Technical University. Series: Engineering], 2004, No. 14, pp. 1-4.
49
Вестник НГИЭИ. 2021. № 11 (126). C. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
Bulletin NGIEI. 2021. № 11 (126). P. 38-50. ISSN 2227-9407 (Print)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
19. Biryukov S. Tri fazy - bez poteri moshchnosti [Three phases - no power loss], Radio [Radio], 2000, No. 7,
pp. 37.
20. Kozyaruk A. E. Sovremennoe i perspektivnoe algoritmicheskoe obespechenie chastotno-reguliruemyh el-ektroprivodov [Modern and promising algorithmic support for variable frequency drives], Sankt-Peterburgskaya el-ektrotekhnicheskaya kompaniya [Saint Petersburg Electrotechnical Company], 2004, pp. 127.
The article was submitted 12.08.2021; approved after reviewing 14.09.2021; accepted for publication 16.09.2021.
Information about the authors:
S. Y. Eremochkin - Ph. D. (Engineering), Associate Professor at the Department of «Electrical engineering and automated electric drive», Spin-code: 3102-9863;
A. A. Zhukov - student at the Department of «Electrical engineering and automated electric drive»;
D. V. Dorokhov - student at the Department of «Electrical engineering and automated electric drive».
Contribuition of the authors:
Eremochkin S. Y. - research supervision, developed the theoretical framework, implementation of experiments, analyzed data, critical analysis and revision of the text.
Zhukov A. A. - writing of the draft, made the layout and the formatting of the article, participation in the discussion on topic of the article.
Dorokhov D. V. - writing of the draft, made the layout and the formatting of the article, participation in the discussion on topic of the article.
The authors declare no conflicts of interest.
50
