Структурная модель, модельное исследование динамики электропривода с машиной двойного питания и прямым управлением моментом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ

3. Mongkol Konghirun. A Three-Phase Space-Vector Based PWM Rectifier with Power Factor Control // Power Conversion Conference. - Nagoya, 2007. - Р. 57-61.

4. Усольцев А.А. Общая электротехника: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 301 с.

5. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 94 с.

6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - Ч. 2. -197 с.

7. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006. - 272 с.

8. Акимов В.Н. Системы фазовой синхронизации. - М.: Радио и связь, 1982. - 288 с.

9. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. 01.01.1999. - М.: Госстандарт, 1998. - 33 c.

10. Борисов П.А., Киреев А.А., Поляков Н.А. Моделирование системы управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с преобразованием координат // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2010. - Вып. 3. - Ч. 2. - С. 59-64.

11. Борисов П. А., Томасов В.С. Моделирование и анализ электромагнитных процессов в силовых цепях активных выпрямителей напряжения // Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (МКЭЭЭ-2003). - Ч. I. - Крым, Алушта, 2003. -С. 727-730.

Борисов Павел Александрович

Поляков Николай Александрович

УДК 62.503.51, 62.503.54, 62.503.55.

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ И ПРЯМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОМЕНТОМ А.С. Ляпин

Представлены основные особенности и преимущества электропривода с машиной двойного питания. Разработана структурная модель и получены динамические характеристики электропривода с машиной двойного питания и прямым управлением моментом.

Ключевые слова: электропривод, машина двойного питания, прямое управление моментом, структурная модель.

Введение

Длительное время основной тенденцией развития электроприводной техники является замена ненадежного, дорогого и сложного в обслуживании привода постоянного тока частотно-регулируемым асинхронным электроприводом. Это обусловлено такими достоинствами асинхронного электропривода, как высокая надежность, простая конструкция, низкая стоимость, высокие динамические и энергетические показатели [1, 2]. В настоящее время, благодаря новым алгоритмам управления, которые удается реализовать на базе современной микропроцессорной техники, а также интенсивному развитию устройств силовой электроники асинхронный электропривод стал главным типом регулируемого электропривода [3].

Для частотно управляемых электроприводов с асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым ротором большой мощности альтернативой является использование привода на основе АД с фазным ротором (иначе, машины двойного питания (МДП)). Такой тип ротора был разработан русским электротехником, основоположником техники трехфазного тока М.О. Доливо-Добровольским специально для асинхронных двигателей большой мощности [4]. Преимущества электропривода с машиной двойного питания (ЭМДП) обусловлены тем, что управление осуществляется по цепи ротора путем изменения мощности скольжения, величина которой зависит от глубины регулирования скорости. Структурная схема ЭМДП представлена на рис. 1. При соответствующей реализации ЭМДП может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. ЭМДП при использовании его в качестве исполнительного механизма (двигательный режим) обладает рядом существенных достоинств по сравнению с другими типами современных приводов, а именно:

- высокое быстродействие;

- возможность регулирования реактивной мощности в питающей сети;

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, borisov@ets.ifmo.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, Polyakov.n.a@gmail.com

- возможность поддержания оптимального коэффициента мощности привода при изменении нагрузки;

- возможность реализации двухзонного регулирования угловой скорости, в том числе выше синхронной.

При работе ЭМДП в качестве генератора он имеет следующие существенные преимущества:

- возможность стабилизации выходного напряжения (амплитуды и частоты) при непостоянной скорости вращения вала генератора путем изменения параметров напряжения питания роторных обмоток;

- мощность управления и полупроводникового преобразователя (ПП на рис. 1) меньше мощности преобразуемой машиной и зависит от диапазона регулирования скорости вращения ротора;

- высокий КПД;

- возможность регулирования коэффициента мощности в сети.

Управление

Управление

Рис. 1. Структурная схема ЭМДП

Наиболее целесообразно применение генераторов на основе ЭМДП большой мощности в случаях, в которых подводимая к ротору механическая энергия изменяется в процессе работы в ограниченных пределах, например, в возобновляемых источниках энергии (ветрогенераторы, гидрогенераторы), вало-генераторных установках, нагрузочных устройствах двигателей внутреннего сгорания.

Электропривод с МДП еще не получил широкого распространения в отечественной промышленности. Приведенные выше преимущества показывают перспективность его внедрения. Однако прежде необходимо произвести более глубокие теоретические и практические изыскания с применением современных программных и аппаратных решений.

Целью работы является получение и анализ электропривода с машиной двойного питания и прямым управлением моментом по цепи ротора. Предложена структурная схема электропривода в пакете Matlab Simulink.

Математическое описание асинхронного ЭМДП с прямым управлением моментом

При разработке структурной модели ЭМДП за основу возьмем систему уравнений, записанную в произвольно вращающейся системе координат с использованием метода обобщенного (пространственного) вектора [5]:

о,-

U2 = R2i2+dnL + J(ak - РЮ)У 2

(1)

dt

V1 — A1! + Lm12;

V 2 — L21 2 + Lm11'

где U,, U2 - векторы напряжений статора и ротора; V, ,1,, V2,12 - векторы потокосцеплений, токов статора и ротора; R1, L1, R2, L2 - активные сопротивление и индуктивность статора и ротора соответственно; Lm - главная индуктивность намагничивающего контура; ®k - угловая скорость вращения системы координат; ш - угловая скорость вращения ротора; р - число пар полюсов машины.

Адаптированный для ЭМДП метод прямого управления моментом (DTC - direct torque control) осуществляется регулированием модуля и пространственного положения вектора потокосцепления v 2 путем изменения его проекций у2х, у2 . Для упрощения математического описания и реализации пря-

мого управления моментом целесообразно ориентировать систему координат V,(У1Х = 0).

по вектору

со

k

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ...

С учетом принятой ориентации системы координат выполним преобразование системы уравнений (1). Полученную систему дополним уравнениями равновесия моментов, выражением электромагнитного момента, записанного через выбранные переменные состояния, и уравнениями, связывающими модули векторов напряжения статора, потокосцепления ротора и их проекции на оси координат. В результате получим систему уравнений, описывающую протекающие электромагнитные процессы в МДП: к2

Т1СТ

U1 y =■

Viy

К

V2y- — V2y ;

Tia Tia

d v x-=u2 x- x +К- p®\v 2 y;

dt

d "2у л , k [ \

■= U2 y - AV2y + — Viy -[k - Pro\2

dt T2ct

2 - <; (2)

V2y =Vk2 Г - v2x ;

Ы =Vi y = const;

M = C Vi y V2 x;

^ = (m - M H). dt

В системе (2) приняты следующие обозначения:

T = Ll, T2 = ki = Ьп., k2 = a = 1 -k1k2, A C = .

Ri R2 L L2 T2 a 2 aLi

Структурная модель ЭМДП с прямым управлением моментом и его динамические

характеристики

Для разрабатываемой модели необходимо синтезировать реализующую метод прямого управления момента систему управления, которая будет формировать напряжения питания обмоток ротора. Такая система должна иметь два раздельных канала управления. Один канал содержит релейный регулятор и осуществляет стабилизацию модуля вектора потокосцепления ротора, величина которого задается на входе канала. Второй канал, помимо релейного, содержит пропорциональный (П) или пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор, который по сигналу скоростной ошибки формирует сигнал задания электромагнитного момента ЭМДП. По значению ошибки момента, полученному в результате сравнения заданного и текущего электромагнитного момента, релейным регулятором определяется величина соответствующей проекции вектора напряжения ротора.

С учетом перечисленных положений и системы уравнений (2) в пакете Simulink разработана структурная модель ЭМДП (для двигателя 20HP (i5 kW 400V 50Hz Ti=0,3032 c, T2=0,2952 с, J=0,i02 кгм2) из библиотеки пакета SimPower System). Разработанная модель представлена на рис. 2. В модели для увеличения скорости моделирования релейные блоки представлены последовательным соединением блоков усиления с большим коэффициентом передачи и насыщения.

В части i модели реализованы четвертое и шестое уравнения системы (2), на вход подается сигнал задания модуля вектора потокосцепления ротора. В части 2 на вход модели поступает сигнал задания скорости вращения ротора машины и реализуются вычисления согласно третьему, восьмому и девятому уравнениям. В части 3 на вход модели подается вектор напряжения питания статора и выполняются вычисления в соответствии с незадействованными уравнениями системы (2).

На рис. 3, 4 приведены результаты моделирования, полученные на разработанной структурной модели электропривода с машиной двойного питания.

По переходным процессам в ЭМДП при скачкообразном управляющем воздействии видно, что момент изменяется практически скачком (нижняя диаграмма), это свидетельствует о высоком быстродействии исследуемого электропривода. В момент времени 0,6 с к валу прикладывается момент нагрузки. Как видно из графиков, отработка этого возмущающего воздействия выполняется без запаздывания.

При использовании ПИ-регулятора в канале формирования заданного момента переходный процесс протекает с небольшим перерегулированием, и скоростная ошибка, вызванная приложенным внешним моментом, интегральной составляющей регулятора сводится к нулю.

А=112.173

к 1=0.3848

к2=0Ш8

Т1 =0.3032

12=0.2362

Ь=0.<Ш2

С=Э871Й.2Й

D¡scгeter Тз = 0.0005 б.

3 Ш>*-\

~ . ■ --к2/Т1*Ь

4-

ад

Ю, рад/с " 2

М, н ■

Рис. 2. Структурная модель ЭМДП с ОТС управления

0,02

0,03 0,04

г, с

1 1 1 1

\\

\ 2 1 1

Рис. 3. Переходный процесс в ЭМДП с ОТС-управлением (с П-регулятором): 1 - сигнал задания скорости;

2 - фактическая скорость

М, н ■

ЦОС 0,06

г, с

1 1 1 1 1

- V

2 ^^

Х1 1 1 1 1 1

Рис. 4. Переходный процесс в ЭМДП с ОТС-управлением (с ПИ-регулятором): 1 - сигнал задания скорости;

2 - фактическая скорость

1

м

Ю, рад/с

м

ИМИТАТОР СИГНАЛОВ НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАССИВНОЙ

Заключение

Рассмотренная в данной работе структурная модель электропривода с машиной двойного питания с прямым управлением моментом позволяет получить необходимые динамические характеристики и является базой для создания более сложной виртуальной модели, учитывающей более полно протекающие процессы в элементах привода. На виртуальной модели могут быть получены статические характеристики и более детально проанализированы особенности работы исследуемого электропривода.

Литература

1. Соколовский Г.Г. Электропривод переменного тока с частотным регулированием. - М.: ACADEMIA, 2006. - 265 c.

2. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

3. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное состояние и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. - СПб: СПЭК, 2004. - 64 с.

4. Белькинд Л.Д., Конфедератов И.Я., Шнейберг Я.А. История техники - М.: - Л.: ГЭИ, 1956. - 493 с.

5. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - СПб: Корона-Век, 2008. - 368 с.

Ляпин Анатолий Сергеевич - Балтийский государственный технический университет «Военмех»

им. Д. Ф. Устинова, аспирант, swatin1@rambler.ru

УДК 681.88

ИМИТАТОР СИГНАЛОВ НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАССИВНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ГИБКОЙ ПРОТЯЖЕННОЙ БУКСИРУЕМОЙ АНТЕННОЙ Ю.В. Шафранюк

Предложена математическая модель имитатора сигналов на выходе приемных элементов гибкой протяженной буксируемой антенны, учитывающая особенности излучения, распространения и приема сигналов и помех в реальных морских условиях. Приводятся требования к имитатору. Предлагается общая схема и принцип построения. На примере имитационных данных иллюстрируется его работоспособность.

Ключевые слова: гидроакустика, пассивные гидроакустические станции, антенны, многолучевое распространение, имитация.

Введение

Пассивные гидроакустические станции с гибкими протяженными буксируемыми антеннами (ГАС с ГПБА) являются одними из основных информационных систем освещения подводной обстановки и позволяют на достаточно больших дальностях осуществлять обнаружение подводных объектов [1]. Наиболее сложными задачами, решаемыми в ГАС с ГПБА, являются обнаружение шумящих объектов, их классификация и определение координат и параметров движения. Создание эффективных алгоритмов, решающих эти задачи, представляет большой научный и практический интерес.

Поскольку такие алгоритмы отличаются высокой сложностью, одним из основных этапов их проектирования является их отработка на модельных данных, учитывающих особенности излучения, распространения и приема сигналов и помех в реальных морских условиях.

Целью работы являлась разработка имитатора, обеспечивающего моделирование (имитацию) смеси сигналов и помех на выходе приемных элементов ГПБА в интересах отработки алгоритмов классификации и определения координат и параметров движения обнаруженных объектов. Научная новизна разработанного имитатора заключается в учете всех значимых факторов, влияющих на эффективность функционирования ГАС с ГПБА, в первую очередь, особенностей распространения сигнала цели в реальной морской среде.

Требования к имитатору

Для обеспечения адекватной отработки алгоритмов обнаружения, классификации и определения координат и параметров движения шумящих объектов в реальных морских условиях имитатор должен учитывать:

- конструкцию ГПБА (ее длину, количество приемных элементов, расстояние между ними, рабочий диапазон частот) [1];

- особенности маневрирования и шумоизлучения морских объектов (скорость, курс, глубина, уровень и спектр шумоизлучения в рабочем диапазоне частот в функции скорости объекта, параметры дискрет-