CC BY
39
Положительный эффект от применения нечеткого логического регулятора в области больших перемещений будет проявляться за счет снижения величины перерегулирования.
Список литературы
1. Чертов А.Д. Применение систем искусственного интеллекта в ме-талургической промышленности // Металлург.2003№7.
V. Solov^yov, N. Deryuzhkova, A. Gudim, R Fonderkin Use of means of computing intelligence in technological electric drives The principles of automated electric drive with the use means of computational intelligence, the technique of synthesis of regulators to ensure specified quality parameters of such systems are considered.
Keywords: artificial intelligence, multi-layered neuron network, intercage pulls.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:004
И.В. Гуляев, д-р техн. наук, декан, (8342) 47-66-69, [email protected] (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева), Г.М. Тутаев, канд. техн. наук, доц., (8342) 47-66-69, [email protected] (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева), И.В. Маняев, асп., (9047)212758,
[email protected] (Россия, Саранск, МГУ имени Н.П. Огарева)
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Рассмотрено влияние частоты возбуждения на энергетические характеристики асинхронизированного вентильного двигателя в установившихся режимах.
Ключевые слова: асинхронизированный вентильный двигатель, электромагнитные процессы, частота возбуждения.
Электропривод с асинхронизированным вентильным двигателем (АВД) имеет в своем составе базовый асинхронный двигатель с фазным ротором, включенный в режиме машины двойного питания и два преобразователя частоты в статоре и роторе (рис.1) [1, 2].
АВД обладает большей перегрузочной способностью и меньшими ограничениями в режиме упора, чем АД и вентильный двигатель постоянного тока вследствие наличия вращающегося магнитного поля при неподвижном роторе, которое обеспечивает коммутацию тока в фазах обмотки статора с частотой возбуждения. В ЭП с АВД обмотка ротора (обмотка
возбуждения) питается от преобразователя током низкой фиксированной частоты порядка 5 Гц, а обмотка статора (якоря) - от преобразователя частоты, инвертор которого управляется по фазе ЭДС якоря. С началом вращения ротора выходная частота ПЧ статора автоматически увеличивается на частоту вращения ротора.
Рис. 1. Структурная схема АВД
Уравнения математической модели, описывающие электромагнитные процессы в АД с фазным ротором, представим в скалярном виде для плоской декартовой системы координат х, у, вращающейся синхронно с магнитным полем машины при общепринятых допущениях [3]. Для установившегося режима уравнения электрического равновесия обмоток якоря и возбуждения можно записать следующим образом:
®1ЦАу -®1ФЪу,
У
и
+ + ®1ФЪх,
и
гх
= ЯгЬх - ю2Цг^гу - ®2ФЪ
(1)
Ъу.
и
^ ггу - Я^гу + ®2Ц1гЬх + ю2ФЪх.
Если в плоской декартовой системе координат ось х совпадает по направлению с вектором Фд и система управления обеспечивает ортогональность векторов Фд ± Iя, то проекции вектора основного магнитного потока на оси системы координат х, у можно записать как
ФЪх = Цт (}ях + ^гх ) = Цт^гх, ФЪу = Цт (у + Ьу ) = 0,
(2)
т.е. 18х = 0, 18у = -1гу и фд = фЪх
Отсюда выразим проекции тока ротора и подставим полученные выражения в третье и четвертое уравнения системы (1):
11 sx ~ Rshx ~ Ю1 Ljshy ~ Щ^Ву* usy = Rshy + Llshx +
i? Z,
< urx =y^^&c - + ©г^/Лу ^бу > (3)
R L
ury =J-^by-Rrhy-^Llrhx+^lJ-^bx-^m ^m
Векторная диаграмма АВД с ортогональным управлением показана
на рис.2.
Из векторной диаграммы с учетом (2) следует, что ^=c/5sin0' = c°l Llshy>
usy=Us cosG' = Rsisy + со^ьс,
Л
< = Ur sin а = —^ Ч'дд. + <b?L]rhy > Цп
Ujy = f/r eos а = +
Lm
где 0' - угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения якоря; а -фаза вектора напряжения ротора, определяемая частотой возбуждения сс>2 >
0f + а = 8 - угол сдвига фаз между векторами напряжения якоря Üs и возбуждения Ür, аналогичный углу нагрузки синхронной машины.
Найдем аналитические выражения для величин, характеризующих установившийся режим работы АВД при ортогональном векторном управлении.
Для модуля напряжения якоря справедливо равенство
Ш1 Llshy _ Rshy + «Л sin 0' cos 0'
83
из которого получим два выражения для модуля тока якоря Is — isy
хsin Us -®1ф5хcos (5) iSy —- ИЛИ iSy —--(5)
* - Rs sin 9' + a>i-ls cos 9' ' Rs cos 9' + g>iL/s sin 9'
Для мощных машин можно считать Rs « 0. Тогда
isy — —tg9' и tg9' — , (6)
Sy Lis ф5х
а модуль напряжения якоря
Us — юг
ф5х
cos 9'
Из равенства выражений тока якоря (5) можно определить значение частоты напряжения якоря [4]:
LlsUs cos 9' + д/L2lsU2s cos2 9' - 4Llssin97 он =---.
1 ILls^bx
Из векторной диаграммы и соотношений (2) очевидно, что
%
irx = lL = Ir sm X,
4>х
lry — -isy — -±-LtgQ' — Ir COs X
Lls
т.е. с изменением нагрузки на валу меняется модуль вектора тока возбуждения Ir и его фаза X, а проекция тока возбуждения irx — const.
Аргумент вектора напряжения возбуждения определится из двух последних уравнений системы (4)
tga — С02 LmLlrtg9' + LlsRr
ю2LrLls - RrLmtS9' Рост нагрузки на валу двигателя приводит к увеличению угла а. Из системы (4) с учетом (2) следуют два варианта модуля вектора напряжения возбуждения
Л (2LmLlrt§9' + LlsRr )ф5х или Л (^2LrL/s - Wff9')ф5х
U r —-;- или U r —-.
-ls-m sin a LlsLm cos a
Найдем зависимость между углом нагрузки в' и углом тока возбуждения X. Выражение (6) преобразуем к виду
Llsisy — Llsiry — LlsIr cosX— Lls — Lls
tg9' — ^2- — -^J^ — ^J^^ — или tgX —
ФЪх Цт^гх Цт1г Х ЦтШХ Цт^§0
откуда следует, что с ростом нагрузки на валу угол X уменьшается.
Далее фазовый угол сдвига вектора тока возбуждения 1г относительно вектора напряжения возбуждения иг будет зависеть от частоты возбуждения а2, которая определит угол а, и величины нагрузки на валу АВД, которая определит угол 0' и, соответственно, угол X:
84
фг - п-(а +X).
а
Электромагнитный вращающий момент АВД при ортогональном управлении с учетом (6) определится соотношением
3 3 Фх
МЭМ =- Р П ФЬxlsv =- Р П "Г^«0' •
2 РП ^bxlsy - 2 РП Ls
Таким образом, электромагнитный момент АВД при ортогональном управлении не зависит от частоты возбуждения и теоретически ограничен лишь ресурсами преобразователей частоты. Реально же, начиная с соответствующих предельных углов нагрузки 0' при различных напряжениях якоря, в электроприводе на базе АВД принципиально невозможно одновременно поддерживать постоянство магнитного потока ф§ - const и ортогональность векторов тока якоря и магнитного потока (Ф§ ± Is) в связи с неконтролируемым уменьшением последнего под действием реакции якоря [1].
Механическая мощность на валу двигателя равна
,2 n и/2
Л 1 г 3
P2 -®rMэм - — ~РП
VLiif Т.
Р П 2 2
Активная и реактивная мощности, потребляемые обмотками якоря, определяются соотношениями
3 3 /
Ps -— IsUs cos 0 - lSyUs cos 0 -— [i
3
2 s s sy s 2
33
2 \Us sin 0 - lsyUs sin 0 - ^vsx-sy
lsxusx + lsyusy
)-T®1
3 2
ф
2
5x
Ps
Qs
33 ^ = ?1$и$ 81П 0 = вт 0 = ? ^
Полная мощность обмоток якоря
Для обмоток ротора 3
Lls 2
tg0',
м,
lsyusx
)- 3 2
/ о
2 ®i г
2 Lls
tg 0 .
3
ф-
5x
cos 0 ' sin 0 ' 2 L
tg0
ls
cos0
P
3 (
rxurx + lryury,
3 ф2
3_8x
2 Lls
tg0
LlsRr - ®2Lmtg0' +
RrLmtg0' Lls
Qr - 3 (l
rxury lryurx,
3 ф2
3 5x
tg0
L2mtg0'
2 2 2 ®2LrLls + ®2LlrLmtg 0
2 2 Lls
v
Полная мощность обмоток ротора
2
LlsLmtg0
1
Значения активных мощностей, потребляемые АВД на базе 4АК2508В4УЗ (Р2 = 55 кВт) по цепям якоря и возбуждения при постоянной угловой скорости ротора и различных частотах возбуждения, представлены на рис.3.
Угол нагрузки
-*— Ps, кВт (12= 0,5 Гц) Рг, кВт (f2= 0,5 Гц) Ps, кВт (t2= 5 Гц) -ж— Рг, кВт (f2= 5 Гц) Ps, кВт (f2= -5 Гц) -+— Рг, кВт (12= -5 Гц
Рис. 3. Активные мощности обмоток якоря и возбуждения
Особенностью АВД является наличие в обмотке возбуждения ЭДС скольжения фиксированной частоты, которая обуславливает возможность возврата части активной мощности скольжения в питающую сеть, либо ее потребление при определенных значениях угловой скорости ротора, частоты возбуждения, нагрузки на валу и направления вращения ротора относительно магнитного поля.
Суммарные coscpz и КПД представим в виде
cos y = ps±pr Пу = р2 =__=
Ss+Sr' P.S ±Рг q | кЛ- . RrtgV СОе + АР1'
L2mtgQ' Lis
где АР^ - суммарные потери в меди ротора от намагничивающей гп и мо-ментообразующей составляющих тока ротора.
Уравнения статического режима работы АВД были получены с учетом ряда допущений, в частности, не учитывались потери в стали. Поэтому в замкнутой системе регулирования скорости ротора при изменении частоты возбуждения происходит перераспределение активных мощностей в цепях якоря и возбуждения, а КПД остается постоянным (рис.4,а).
Коэффициент мощности cosy? уменьшается с ростом частоты возбуждения, т.к. растет реактивная мощность цепи возбуждения. Переход на встречное вращение ротора и магнитного поля приводит к значительному росту cosy? (рис. 4,6).
а б
Рис. 4. Энергетические характеристики АВД
В целом частота возбуждения является многокритериальным параметром и кроме мощности скольжения определяет коммутационную способность ИТ и степень нагрева его силовых элементов при пуске ЭП с АВД из режима упора [1]. Так, в [5] были выявлены проблемы при моделировании пуска ЭП из режима упора при частоте возбуждения 5 Гц, что проявлялось в срывах коммутации силовых ключей инвертора.
Анализ полученных выражений и статических зависимостей энергетических характеристик от частоты возбуждения позволяет сделать следующие выводы:
1. Снижение частоты возбуждения и переход на встречное вращение ротора и магнитного поля приводит к значительному росту созср?.
2. Снижение частоты возбуждения ухудшает коммутационную способность ИТ и режим работы его силовых элементов по нагреву.
3. Принятые в математической модели допущения не позволяют провести более полный анализ потерь в цепях статора и ротора при изменении частоты возбуждения.
Список литературы
1. Сонин Ю.П., Гуляев И.В. Асинхронизированный вентильный двигатель. Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 1998. 68 с.
2. Гуляев И.В. Обобщенная электромеханическая система на основе асинхронизированного вентильного двигателя. Саранск. Изд-во Мордов. ун-та, 2004. 84 с.
3. Тутаев Г.М., Ломакин А.Н. Математическая модель двигателя двойного питания при векторном управлении // Изв. ВУЗов. Электромеханика, №5, 2007. С. 8-14.
4. И.П. Копылов [и др.]. Асинхронизированный вентильный двигатель с ортогональным управлением. И.П. Копылов [и др.] // Электротехника. 2002. №9. С. 2-4.
5. Моделирование режима упора электропривода на базе машины
двойного питания // Электроника и информационные технологии. 2009 Вып. 2(6). URL: http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/Tutaev_Lomakin.pdf.
I. Gulyaev, G. Tutaev, I. Manyaev
Influence of frequency of excitation on power characteristics of asynchronized thyratron motor
Influence offrequency of excitation on power characteristics of asynchronized thyratron motor in the established modes is considered.
Keywords: asynchronized thyratron motor, electromagnetic processes, frequency of excitation.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:004
В.И. Доманов, канд. техн. наук, доц., 8-902-244-24-88, [email protected] (Россия, Ульяновск, УлГТУ), А.В. Доманов, канд. техн. наук, доц., 8-902-244-24-88, [email protected] (Россия, Ульяновск, УлГТУ), И.Ю. Муллин, асп., 8-902-244-24-88, [email protected] (Россия, Ульяновск, УлГТУ)
ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ
Рассматриваются вопросы построения и эффективного использования транзисторных широтно-импульсных преобразователей в различных режимах управления трехфазными асинхронными двигателями. Показывается преимущество рассматриваемых схем перед тиристорными регуляторами напряжения по потреблению реактивной мощности и уровню высших гармоник.
Ключевые слова: транзисторные ключи, широтно-импульсные преобразователи, транзисторы.
Широкое применение силовых преобразователей для пускорегули-рующих режимов асинхронных электродвигателей является одной из тенденций современного электропривода. Основным устройством, используемым для этого является тиристорный регулятор напряжения (ТРН). В то же время отмечается [1], что возможно возрастание потребления реактивной мощности и высокий уровень высших гармоник [2].
Влияние указанных недостатков может быть существенно снижено при использовании транзисторных ключей, работающих в ШИМ-режиме, которые замыкают «нулевую» точку статорных обмоток асинхронного двигателя через выпрямительный мост [3].
