УДК 621.313

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ РОТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ MATLAB

Юнусов Э.А., Сидоров А.Е., Телицын Т.П.

Казанский государственный энергетический университет

Асинхронными электроприводами потребляется 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. Главными показателями энергоэффективности электроприводов на основе асинхронного двигателя являются: потребляемый из электросети ток, электрический КПД, коэффициент мощности, энергетический КПД, расход электроэнергии на единицу выпускаемой продукции. Главным недостатком асинхронного двигателя является недостаточный коэффициент мощности (cosφ), который не превышает 0,8-0,92. Для асинхронного двигателя величина потребляемого тока на 25-40% определяется индуктивной реактивной и на 60-75% активной составляющими. Реактивная составляющая тока возбуждает вращающееся магнитное поле двигателя. Энергия магнитного поля в механическую энергию не преобразуется. В наилучших режимах работы асинхронного двигателя, при электрическом КПД 80-92% и cosφ=0,8-0,9, энергетический КПД составляет 64-83%. При неоптимальных нагрузках энергетический КПД снижается до 52-70%. Реактивный ток создает в системе электроснабжения и электроприводе падение напряжения, вызывает непроизводительные потери активной мощности. Даже при наилучших режимах работы асинхронного двигателя теряется 9-16% электрической энергии из-за сравнительно низкого cosφ, что снижает энергоэффективность электропривода [1].

В этой связи актуальным и практически значимым для развития экономики страны является решение задач, направленных на повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов промышленных установок напряжением до 1000 В, в частности 3-х фазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как основного исполнительного элемента электропривода.

Принцип работы асинхронных двигателей основан на преобразовании электромагнитных полей в механическую энергию. Любое преобразование энергии невозможно без наличия потерь на различных этапах цепи преобразования. В ходе исследования проблематики, связанной с рассмотрением существующих потерь в трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, был проведен анализ всех видов потерь. В результате был выявлен тот факт, что мероприятия по снижению именно электрических потерь являются наиболее оптимальными и эффективными. Ключевым моментом в проведении данных мероприятий является нетрадиционность метода, который подразумевает внедрение емкостного элемента в обмотку ротора для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера, позволяющий улучшить коэффициент мощности двигателя. Предполагаемые изменения в конструкции электродвигателя подразумевают более глубокий и тщательный анализ схемы замещения и её основных элементов.

С целью решения поставленной задачи посредством инструмента Simulink в вычислительной среде Matlab выполнено моделирование виртуальной установки для исследования АД, а также классической Т-образной схемы замещения [2]. Проведено усовершенствование исходной схемы замещения, путем внедрения емкостного элемента в обмотку ротора, с целью компенсации реактивной составляющей. Результаты позволили улучшить коэффициент мощности конкретного асинхронного двигателя.

Сходимость результатов двух моделирований получилось недостаточной. Возникла необходимость проверки модели виртуальной установки для исследования асинхронного двигателя и Т-образной схемы замещения на адекватность при помощи критерия Фишера [3]. Сравнение данных показало большой разброс значений параметров и выход из доверительного интервала.

Проверка адекватности модели имела целью доказательства факта, что точность результатов, полученных по модели, будет не ниже точности параметров, определенных на основании экспериментальных данных, с использованием Т-образной схемы замещения АД.

Оценивались на равенство дисперсии двух основных величин напряжения питания и тока статора. Из результатов эксперимента были взяты две выборки объемом 15 и 18 соответственно случайных величин U и , имеющих нормальное распределение. Сравнение полученных дисперсий по классической зависимости (1), позволяет показать превышение критического значения.

Таким образом, результаты процесса моделирования позволяют констатировать тот факт, что модель виртуальной установки для исследования АД, в состав которой входит готовый блок асинхронного двигателя, предоставленный библиотекой Simulink, обладает меньшей точностью, чем модель Т-образной схемы замещения, собранной вручную отдельными элементами библиотеки Simulink вычислительной среды Matlab. Необходимо иметь в виду, что модель на основе готового блока асинхронного двигателя, целесообразно применять на ранних этапах исследования, для получения предварительных оценочных характеристик. При более глубоком исследовании, с целью получения точных и качественных параметров, целесообразно переходить на классическую Т-образную схему замещения АД, которая позволяет более широко варьировать параметры электрической машины.

Список литературы

1) Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков; под. ред. И.Я. Браславского. - М.: ИЦ «Академия», 2004. – 256 с.

2) Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. – 288 с.

3) Статические методы для исследований - Р. А. Фишера; Москва, 1958. - 266 с.