CC BY
51
УДК Г,?. I 114
СОЗДАНИЬ МОДЬЛИ РЬ УЛИРУЬМО! О ПРИВОДА IIOCIUHHHOI О ОКА С БЛОКОМ rvnFPKOHAFHCATOPOB
A. L Ьелодедов. О. А. Лысенко Омский государственный уг.еххгмескийуниверситет, 2. Омск, Россия
АннптшшN — PTt lllLllKIIIKHHIir l yilfpkllH |РНГ;< I IIJHIH К к'ЯЧГП КР НИКОИМ ■(•.!■ НИ «НС]!! ИИ К [IPI улирурпшм
электроприводе позволяет решать задача, связанны» с приемом, хранением и дальнейшим использованием энергии торможения, tí данном исследовании рассматривается вопрос создания модели электро-
ll]IIIKUIJ Г ДКН1 ü I PJIPM 1И)Г I IIMHHOMI IIIK1, Г ||||ДКЛН>ЧРННМ11 к" НСМ\ HHJIHÍ DC-DC 1фМ» "|[1 J -CI1K:i I V. Ik n.lllM/M
суперкопзспсатороо средствами программного обеспечения MATLAB Simuliiik. В теоретической части исследования описывается структурная схема, а также прпнпип действия и режимы работы двунаправленного DC-DC преобрязовятеля. Опнсывпется схема электропривода постоянного тока с блоком супер-копдепсатсров. Результаты исследования показывают, что применение еуперкопдспсаторов о регул пру им+. iPk i]h>iipuKu i»- 111кк11.1шн1 -íh.14 и i е. ibHii cokjkii и i k количрп ra> 4hc|ii»ii, tin i jipm.imhmiiíí «. it-kipu irii-гателем.
Ключевые слова: суперконденсатор, DC-DC преобразователь, двигатель постоянного тока, преобразовательная техника, регулируемый электропривод.
i Введение
На сегодшшхшш депь большую пишу о спергохоояйстве зштмает проблема спергосберелсеппя как d про мышлснносга. так и в коммунальном хозяйств?. D обеих сфергх основными потребителями электрической энергии являются электроприводы различных установок Как известно, электропривод потребляет солее 65% всей вырабатываемой энергии [LJ. Основными путями эзсргосЬсрсжсння в нерегулируемом электроприводе
MKIIHKllt'» 11]).1НИ. IhHhl Й КмГхфДКИ^ГПШ ДШ КПШфПШИ 41 1ГХНШ1Ш МЧГ!"К1>1 XI ll|MN ИГПНЛКЧПКИНИГ* ink H.KklWt-
емых энергэзффектнвных двигателей. а также замена нерегулируемого привода на регулируемый. Последний путь является наиболее эффективным в механизмах, работающих в продолжительном режиме 'жшркмер, наос-
Г.Н пгнтиляторк-), НО ДЛЯ МГХЛКТТЧМОК. рлботаюгтих R ЛЛКТОрНО-КрЛТГЛ1фГТМГННПМ рГЖИМГ, Т71ГКХ vnr тюдылгныг
установки. доже после внедрения регулируемого электропривода существуют дополнительные пути сбережения электроэнергии. Это происходит из-за частого возникновения тормозных режимов работы под действием имтикишо момгн1И н.-нручки При :-rm\< íurjn ня, кырийигыниемаи при горможгнни ржежинпгл
Для решения этой проблемы предлагается использовать в регулируемом приводе устройства, называемые суперхондексаторамн. Суперконденсаторы (нонисторы, ультрахондеисаторы, конденсаторы с дбонным элек-
1])ичг1"ким ГЛПГм) — ÍH1 МЛГК1]чшимичп К иг уСГЦЮЙГГНИ. «обклядиими» к KlVUîphlX l"j ly лиг ДНПЙИПЙ ЧЛГН1|]инр-
скнн слоё на граннпс раздела электрода и электролита. Благодаря своим свойствам этн устройства занимают промежуточное положение мелсду обычными конденсаторами и аккумуляторами [2]. Основные перспективы использования суперконденсаторов связаны с их применением б качестве дополнительного источника питания к акшмоПинтрогнии [т] никииитглкнмх -ыгмгкшк и yc-qKJM;:riMX улучшения ничечпки .чнг^яии [4], л гакже для запаса энергии в регулируемом электроприводе. ПрЕмсисинс супсркоидснсаторов в звене постоянного тока преобразователя частоты позволит запасать энергию в тормозных режимах н далее использовать ее в двнга-
•|г л КН К' X Jir.+ имих ПоДИИИКШ игглгдокииий m-.IIIIIIUIl№IHirtaVliq]KI)H<l|RH[îm)pi)K К :il№KI]HHI])hi«l,|itx мгхиничмок
с повторно-кратховрсмснным режимом работы поззоляст экономить до активней электроэнергии |SJ.
Применение суперкопдепсаюров о качестве накопителен энергии в электроприводе механизмов, работаю -днх. и пик горыо-кргихиьременном уеллмг, и подъездных vcí ¿шинок ы halíhocih, ují вопле. решить ¿,-\д.1чи приема и хранения энергии рекуперации для дальнейшего сс использования, a также для зашиты силовых элементов звепа постоянного тока от перенапряжении во время перехода электропривода в генераторный ре/Н£м. По мимо этого, использование суперконденсаторов в электроприводе лифтов позволяет использовать запасенную
лнгршю/до шкуицни иисгижирок при lllirrpr 11итин]|цгт н/1п]п<жгиич
П. Схема днунлшлнльнжл о DC DC и1»шьр,\лОВЛ iíjih и «¿жимы ti о доиты
Про .i ей п. им cuocoGom подключения оунеркондененшра к ¿леклринриьо^у ньлиегем ею прямое нк_цоченне к ззено постоянного тока преобразователя частоты. Однако этот вариант не позволяет полностью использовал, эперппо суперкоидепсатсра. Поэтому наиболее распространенным способом является пэдклюлеине суперкоп денсатора к звену постоянногэ тока преобразователя частоты через DC-DC преобразователь.
13 работе использовалась наиболее простая схема двунаправленного JC-DC преобразователя, представленная па рис. 1. Преобразователь должен быть двупаправлешшм. так как по за цикла заряда разряда суперкоп денсатора, ток будет протекать в обоих направлениях [б]. В состав схемы входят два диода VD1, VD2 и два гран^исюра VT1, VT2. Тахам схема кошшаш к мижяп бьггь .iieixu р «ил-ирен a мншкесшом комбинации [7—10].
2ÍVD2
i 1 i I -L
VT1 I—
S5
i_____:
Рис. 1. Схема двунаправленного DC DC преобразователя
13 позышаюшем режиме энергия, накопленная суперконденсаоторм. передается на шину постоянного тока через управляемый транзистор VT2. пэддерлатая напряжение нагрузки па постоянном уровне путем обеспеле ния активной мощностью. В понижающем режиме энергия, вырабатываемая электродвигателем, поступает на ЮТгж гуггсркондгнглторои ттогрглгтном трлкдигтгрл VI I
Когда преоборазователь работает в повышающем режиме, время включения транзисторного ключа VT2 будет оОознячатся tm. время выключения t-^, ток индуктора i,(t). напряжение на фильтрующем кондснспторс
"Tíllala МОЖНО till И' 'HI h сл1?|укнцук) СИПГМу докигний
L-*- = Uс - п хit -(1-11)Ux
It
c'm°c - u*c-a-d)u
di IL. 1
где r¡ - эквивалентное сопротивление блока суперконденсаторов, à = t^/ÍUm + W ~ продолжительность включения транзистора VT2 (для транзистора VU продолжительность включения равна й" ~ 1- </). эквпзелент-
НОГ Г<1П]КТГИКЛГНИГ НЙ1|:уЧКИ
Ш. СОЗДАЮ! МОЛИЛ}! ЭЛЕКТРОПГНБОДА П0СТЭШЗЮГ0 ГОКА С БЛОКОМ СУПЕРКОИШПГСАТОГОБ В данной работе рассматривается схема привода постоянного тока с использованием блока суперконденса-торэв н двунаправленного DC DC преобразователя (рис. 2) В схеме используется двигатель пэстолшюго тока с независимым возбуждением. Блок суперконденсаторов представляет собой 6 последовательно соединенных суперкондексаторов.
VDbc -H—
Uoc
Рис. 2 Схема электропривода постоянного тока с блоком суперконденсагсров и двунаправленным DC-DC преобразователем В тормозном режиме работы двигателя на преобразователь поступает ток гсоу. зс счет чего происходит заряд суперкондексатора С5 к увеличение напряжения Uct- В этом режиме активны транзистор VT1 и диод VD2, в тс время как через транзистор VT2 и диод VD1 токи не протекают. D момент, когда транзистор VT1 открыт, за счет наличия э пени суперконденсагора ппдукпшиостп La, toi: íes увеличивается постепеппо и происходит за |)хд r.yur¡№(i4;irHi-m¡H При :-пчэм юк ракгн гону ¡eos Когдй VT1 :«к]1мг, шк /¿£чиммнипгн чг-
рез днед VD2.
При работе привода d двигательном режиме энергия. запасеш1ая суперкопдепсатором. может быть нсполь зевана для питания двигателя в моменты пуска, а также для совершения полезной работы. В этом режиме активны транзкетор VT2 и даод VD1 в то время как транзистор V71 и диод VD2 постоянно находятся в закрытом состоянии. В момент, когда транзистор VT2 открыт, ток /гл постепенно увеличивается. Когда VT2 закрыт, ток íes замыкается через диод VD1. При этом ток диода .'и>.< равен тозеу icos-
Модель была создана при использовании программного обеспечения MATLAD Siorolmk (рис 3) Модель cocToicT из ctuioDOH части и схемы управления. Силовая часть модели состоит из источника постоянного папря ж?кия. двигателя постоянного тока, двунаправленного DC-DC' преобразователя н суперкснденсатора. В модели кспользуется двигатель постоянного тока мошнсстыо 3.5 kDt и напряжением обмотки возбуждения 300 D Ем-
кость блока суперкоцдепсатороо равна 500 Ф. общее напряжение блока - 100 В. В пели источника установлен диод, который предотвращает разряд суперконденсатора в сел». Момент двигателя задается блоком Power гс-quired таким образом, чтобы двигатель попеременно работал в двигательном и тормозном режимах. Схема управления создаст сигналы для открытия склсвых транзисторных ключей DC-DC преобразователя
Рис. 3. Модель электропривода постоянного тока с блоком суперкондепсаторов в MATLAB Simulink
IV Рр?.'т»ТАТы эхеттррит/кнтпя По результатам исследования количество энергии, поглощенной двигателем, составит порядка 150 кВт*ч. На рис. 1 представлены графики работы электропривода при подключении суперкопденсатора. На рис. -1 (а) показаны графики тока //>- н напряжения иос на источнике постоянного напряжения. Вндко. что в моменты работы суперконденсатора, срабатывает диод в цепн источника, который не позволяет конденсатору отдавать энергию в сегь. Эта энергия поглощается двигателем постоянного тока, когда его момент Те и ток якоря 1а принимают отрицательные значения, что можно увидеть на рис. 4 (б).
;оо
100 loe, А
\ ,___ _
U ос. V
\
/ШЯШШЯШЯШ /ШШШШШШЯШт, тшШШШШШШ
I v
о в и «*
Рпс. Л (а). График тока н напряжения нсгочгапет при подключении олзеркопдепсатора
На рис 5 показан график работ еуперкондексагора Можно увидеть, что, когда момент двигателя имеет отрицательные значения, суперкокденсатор начинает отлазать энергию для питания двигателя. Помимо этого по графику видно, что в момент пуска двигателя нз конденсатора так же потребляется энергия
-- If» А / __.
-
1.4
ч
II
0.4 О 7
ш
11»J
8)
Si 2>
4
Те, N*m
Г
['не. 4 (б).. рафик угловой скорости, тока якоря, тока поля н момента двигателя постоянного тока
при 1юдк]|к:чгнии гумгрмжл.гнги-ш^и
к.
к I
\
50С, %
t, 8
Рис. Э. J рафнк тока, напряжения и уровня заряда супсркондснсягора
V. Вьшоды и здключшиь
Применение суиеркондснсатороз в регулируемом электроприводе даст возможность значительно сократить птргблг-ниг- -жггмии ирико.чом РгирЖкчаннач при помощи щниряммнсттГкгсигчгхии MATT.AR Siniiihul. модель электропривода постояшгогс тока с подкисленным к neMv через DC DC преобразователь блоком сеттер конденсаторов может быть использована для анализа перехох-гах процессов в электроприводе, а также для уче-та энергии, затраченной источником По результатам исследования видно, что использование суперконденсаго-ров в электроприводе является экономически эффективным.
Ctthcok bhtepatvpbi
L. Klialid N. Efficient Energy Management: Is Variable Frequency Drives the Solution ii Procedia - Social and Behavioral Sciences. 2014. Vol. 145 P. 371-376 dot 10.1016/j .shipro.2014.06.046
2. Vail Mulders F._ Timmermans J.. McCaffrey Z.. Van Mierlo J, Vail den Bossclie P. Supercapacitor Enhanced Battery Traction Systems — Concept Evaluation U The World Electric Vehicle Journal. 200S. Vol. 2(2). P. 32—45.
3. Dram. J. W , Ortuzar M. E. Ultrncapacitors - DC-DC Converters in Regenerative Braking Systems N IEEE AESS Systems Magazine. 2002. P. 16-21
4. Chen H.. Cong T.N.. Yang W... Tan C.. Li Y., Ding Y., Progress in electrical energy storage system: A critical review l/I'rogress m Natural Science. 2009. Vol. 19(3). P. 291-312. doi: 10.1016. j.pnsc.2008.07.014
5. Raniesh G. P.. Gowrishankar K. S. Enhancement of Power Quality and Energy7 Storage Using A Three-Terminal Ultracapacitor and CCM Converter for Regenerative controlled Electric Drives li International Journal of Emerging Research in Management & Technology. 2012. P. 56—61.
6. Ndokaj A.. Di Napoli A . Pede G., Pasquali M Regulation Strategy of an Ultracapacitor Storage Model for a Gantry7 Crane ft 39th Annual Conference of the IEEE btdustrial-Electranics-Society (IECON). Vienna. AUSTRIA, 2013.
7. IIui yaii Z.. Yang J.. Nail C. Research on the Bi-directional DC-DC Conversion Characterization of Ultracapacitor Energy Storage System li Procedia Engineering. 2012. Vol. 29. P. 1234-1238. doi:10.1016/j. pro-eng.2012.01.119
8. Grbovic. P. J. Ultra-capacitor based regenerative energy storage and power factor correction device for controlled electric drives // PhD Dissertation. Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electromque de Puissance (L2EP). 2010.
9. Attaianese C, Nardi V. Tonnasso G. High performances supercapacitor recovery system for industrial drive applications Applied Power Elecnvnics Conference and Exposition; Anaheim. California. 2004. P. 1635—1641.
10. Drabek. Streit Blahnik. Practical Application of Electrical Energy Storage System in Industry it Energy Storage in the Emerging Era of Smart Grids, Prof Rosario Carbone (Ed.), InTech. 2011. doi: 10.5772/737.
