К.т.н. Бойко С.Н., Михайличенко Д.А., Блинова А.С., студентка

Кременчугский национальный университет им. М. Остроградского

МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПУСКЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Введение. Пуск мощных синхронных электрических двигателей (СЭД) имеющих большие моменты инерции, как правило, производится при помощи пусковых устройств (ПУ), в т. ч. на основе полупроводниковых преобразователей электрической энергии [1].

Улучшить точность регулирования скорости и быстродействие при пуске СЭД с сохранением и улучшением энергетики можно с помощью замкнутых систем регулирования [2].

Последние варианты ПУ позволяют достичь достаточной эффективности процесса пуска путём достижения требуемых выходных электрических параметров. В значительной степени это дополняется применением замкнутых систем регулирования [3, 4] .

Цель работы. Анализ переходных процессов при управлении пуском СД с использованием замкнутой системы регулирования на базе модели ШИП и математической модели синхронного двигателя построенной в координатах тока статора Is и потокосцепления статора ψS.

Материалы исследований. Для исследования использована математическая модель СЭД в основу построения которой положена обобщенная система дифференциальных уравнений СЭД Парка – Горева в векторной форме записи [5].

Для реализации ШИМ управления автономным инвертором авторами использован алгоритм формирования пространственного вектора напряжения. При моделировании приняты параметры серийного СД ДС260/44-36УХЛ4. Решение поставленной задачи проводилось в программной среде Фортран.

Структурная схема частотного регулирования скорости и стабилизации магнитного потока представлена на (рис.1).

Рисунок 1 – Структурная схема замкнутой системы регулирования по частоте вращения и напряжению

Замкнутый контур регулирования обеспечит повышение быстродействия и точность регулирования скорости. Контур с обратной связью, воздействующий на напряжение синхронного двигателя, предназначен для поддержания необходимой перегрузочной способности. При этом осуществляется стабилизация магнитного потока.

Рассмотрим и сравним процессы в системе с трапецеидальным фазным напряжением и в системе с синусоидальным фазным напряжением. Рассмотрим систему с контурами регулирования тока и напряжения при синусоидальной форме фазного напряжения с коэффициентами датчика частоты вращения и напряжения КОС = kДН =0,2 и КОС = kДН =0,4.

Переходный процесс по частоте вращения приведен на (рис.2.)

На (рис.2) приняты следующие обозначения: ω_зад – заданная частота вращения; ω_tr – частота вращения при трапецеидальном напряжении разомкнутой системы; ω_si – частота вращения при синусоидальном напряжении разомкнутой системы; ω₄ – частота вращения замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи КOC=0,4; ω₂ – частота вращения замкнутой система регулирования с коэффициентом обратной связи КOC =0,2.

Рисунок 2 – Переходный процесс по частоте вращения

По результатам расчета видно, что наиболее точно отрабатывает заданное воздействие система регулирования с коэффициентом обратной связи КOC =0,4. После достижения времени t=1,25с графики переходных процессов замкнутых систем регулирования при трапецеидальном напряжении практически одинаковы. Наибольшее расхождение до 50% наступает при t=0,5с.

Рисунок 3 – Переходные процессы по частоте вращения ω и моменту М синхронного двигателя

На (рис.3) приведены переходные процессы по частоте вращения ω и соответственно по моменту М для исследуемых систем. Максимальные пиковые моменты присутствуют в замкнутой системе и превышают пиковые моменты других систем на 20%.

На (рис.3) приняты соответствующие обозначения: М_tr – момент при трапецеидальном напряжении разомкнутой системы; М_si – момент при синусоидальном напряжении разомкнутой системы; М₄ – момент замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,4; М₂ – момент в замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,2.

Графики переходных процессов по частоте вращения и тока статора приведены на (рис.4). Пики тока в замкнутых системах регулирования отличаются не большее чем на 10%.

Определение содержание высших гармонических составляющих в расчетных токах статора позволит определить величину потребляемой электроэнергии и параметры выходного фильтра широтно-импульсного преобразователя частоты, что значительно улучшит тепловой режим синхронного двигателя.

Рисунок 4 – Переходные процессы по частоте вращения ω и току статора I синхронного двигателя

На (рис.4) приняты соответственно следующие обозначения: I_tr – частота вращения и момент при трапецеидальном напряжении разомкнутой системы; I₄ – момент замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,4; I₂ – момент замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,2.

Окончательный выбор системы и настройки коэффициентов следует производить после анализа энергетических характеристик синхронного двигателя, которые приведены на (рис.5.)

Рисунок 5 – Переходные процессы по частоте вращения и потреблению электроэнергии синхронным двигателем

На (рис.5) приняты обозначения: E_tr – потребляемая электроэнергия при трапецеидальном напряжении разомкнутой системы; E_si – потребляемая электроэнергия при синусоидальном напряжении разомкнутой системы; E₄ – потребляемая электроэнергия замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,4; E₂ – потребляемая электроэнергия замкнутой системы регулирования с коэффициентом обратной связи К_OC = 0,2.

Пусковые характеристики различаются в зоне низких скоростей вращения ротора. При этом, более гладкое изменение момента двигателя имеет место при синусоидальной модуляции (рис. 6 а).

Выводы. Анализ результатов моделирования процесса пуска СЭД с использованием САР показывает, что за время пуска двигателя в течение =2,5с потребление электроэнергии на 10% меньше в замкнутой САР с коэффициентом обратной связи КOC=0,2, чем при коэффициенте КOC=0,4 и трапецеидальной форме кривой напряжения.

По результатам моделирования следует считать оптимальной систему с замкнутой САР по частоте вращения и напряжению с коэффициентом обратной связи КOC=0,2 и синусоидальным фазным напряжением.

Список использованной литературы:

1. Черный А.П., Гладарь А.И., Осадчук Ю.Г., Курбанов И.Р., Вошун А.Н. Пусковые системы нерегулируемых электроприводов: Монография – Кременчуг: ЧП Щербатых А.В., 2006. – 280с.

2. В.І. Сенько, М.В.Панасенко, Є.В. Сенько, М.М. Юрченко, Л.І.Сенько, В.В.Ясінський. Електроніка і мікросхемотехніка /У4-х т.Том 4. У2-х кн. – Силова електроніка: Підручник / За ред..В.І.Сенька. – Київ: Каравела, 2013. – 956 с.

3. Синчук И.О. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии в структурах электроприводов. Схемотехника и принципы управления./ Синчук И.О., Чернышев А.А., Киба И.И., Пасько О.В., Ключка О.Е., Мельник О.Е./ Учебное пособие. Под редакцией проф. Синчука О.Н. – Кременчуг, Вид. Щербатих О.В., 2008. – 88с.

4. J. Sen and N. Butterworth. Analysis and Desing of a Three-Phase PWM Converter System for Railway Traction Applications, IEE Proceedings on Electric Power Applications, Vol. 144, No. 5, pp. 357-371, 1997

5. Tihanyi, L. EMC in Power Electronics / L. Tihanyi. – N.Y.: IEEE Press, 1995. – 402 p