д.т.н. Брейдо И.В., Усова Е.Д.

Карагандинский государственный технический университет

Разработка имитационной модели электропривода постоянного тока «неуправляемый выпрямитель – широтно-импульсный преобразователь повышенной частоты»

 

В последние годы, в связи с освоением промышленного производства силовых полупроводниковых приборов нового технического уровня IGBT и бурным развитием компьютерных технологий появились возможности существенного улучшения статических и динамических характеристик электроприводов постоянного тока.

Перспективным вариантом является создание электропривода по системе «Неуправляемый выпрямитель – широтно-импульсный преобразователь повышенной частоты» (НВ-ШИП ПЧ). Повышение частоты коммутации преобразователя позволит повысить быстродействие электропривода, улучшить его энергетические характеристики и уменьшить зону прерывистых токов.

С целью исследования электропривода «НВ-ШИП ПЧ», разработанного на основе IGBT модулей, создан стенд и выполнены экспериментальные исследования[1].

Схема замещения силовой части разработанного электропривода изображена на рисунке 1.

Напряжение источника питания  подается на неуправляемые выпрямитель цепи якоря. С выхода неуправляемого выпрямителя через емкость и ШИП напряжение подается в цепь якоря электродвигателя.

Особенностью данного электропривода является наличие ШИП ПЧ и емкостного сглаживающего фильтра, которые повышают быстродействие электропривода, улучшают его энергетические характеристики и уменьшают зону прерывистых токов.

UИП – напряжения источника питания, диоды (V1-V4) – однофазный неуправляемый выпрямитель, С – емкостной сглаживающий фильтр, ШИП – широтно-импульсный преобразователь, который состоит из IGBT (VT1), шунтирующего диода V5 и ШИМ (широтно-импульсного модулятора), UУПР – напряжение управления, Д – электродвигатель постоянного тока, диод V6 – диод, шунтирующий цепь якоря электродвигателя Д, LΣЯ – суммарная индуктивность цепи якоря, RΣЯ – суммарное сопротивление цепи якоря, LЯВ – взаимоиндукция между цепью якоря и цепью обмотки возбуждения, LОВ –индуктивность обмотки возбуждения, RОВ –сопротивление обмотки возбуждения, UОВ – напряжение, подаваемое в цепь обмотки возбуждения, ω – угловая скорость электродвигателя Д, МД – динамический момент электродвигателя Д, МЭД –момент электродвигателя Д, МС – момент сопротивления.

Рисунок 1 –Схема замещения электропривода постоянного тока

 

Для синтеза системы автоматического регулирования с использованием ППП MatLab осуществлена разработка математической модели электропривода постоянного тока (ЭП ПТ) по системе «НВ-ШИП ПЧ», его имитационная модель представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Имитационная модель электропривода постоянного тока

Основными функциональными блоками имитационной модели являются:

·         источник питания: однофазный, синусоидальный, амплитуда 310В, частота 50Гц (IP);

·         неуправляемый выпрямитель: универсальный однофазный диодный мост (NV);

·         емкостной сглаживающий фильтр (С);

·         ШИП: представляет собой IGBT, шунтированный диодом (IGBT+Subsystem+Diode);

·         электродвигатель постоянного тока (DC).

Технические характеристики машины постоянного тока представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Технические характеристики машины постоянного тока:

Марка

П22

Мощность, кВт (Продолжительный режим)

1,0

Напряжение якоря (UЯ), В

220В

Ток якоря, А

5,9А

Номинальная скорость, об/мин

1500

Момент инерции якоря, кг·м2

0,052

Сопротивление обмотки якоря, Ом

4,17

Сопротивление обмотки возбуждения, Ом

880

Напряжение обмотки возбуждения, В

220

 

Для построения имитационной модели использованы стандартные блоки библиотеки SPS Simulink ППП MatLab.

Для оценки адекватности работы электропривода проведены имитационные исследования в наиболее характерных режимах его работы:

·                        холостой ход;

·                        номинальный режим;

·                        режим работы при UЯ=0,5UЯ.

Результаты экспериментов, проведенных как на реальном стенде [1], так и на имитационной модели, приведены на следующих рисунках: осциллограммы напряжения в режиме холостого хода - на рисунке 3, номинального режима работы - на рисунке 4, в режиме работы при UЯ=0,5UЯ - на рисунке 5; осциллограммы тока для режима при UЯ=0,5UЯ - на рисунке 6. Эксперименты проводились для частоты коммутации ШИП, равной 1 кГц. Проведем анализ полученных результатов.

 

а)

б)

Рисунок 3 – Осциллограммы напряжения на якоре электродвигателя, снятые в режиме холостого хода:

а) экспериментальная осциллограмма, б) результат имитационного эксперимента

 

а)

б)

Рисунок 4 - Осциллограммы напряжения на якоре электродвигателя, снятые в номинальном режиме работы:

а) экспериментальная осциллограмма, б) результат имитационного эксперимента

а)

б)

Рисунок 5 - Осциллограммы напряжения на якоре электродвигателя в режиме работы при UЯ=0,5UЯ при номинальной нагрузке:

а) экспериментальная осциллограмма, б) результат имитационного эксперимента

 

а)

б)

Рисунок 6 - Осциллограмма тока якоря электродвигателя в режиме работы при UЯ=0,5UЯ при номинальной нагрузке:

а) экспериментальная осциллограмма, б) результат имитационного эксперимента

 

Участки t1 (рисунки 3-4) соответствуют нулевому току через обмотку якоря электродвигателя. Колебательные процессы вызваны закрытием одной пары вентилей и открытием второй пары, частота колебания и интенсивность затухания колебательных процессов зависят от индуктивной и активной компоненты цепи якоря и емкости сглаживающего фильтра. Участки t2 (рисунок 3-4) характеризуют протекание тока через якорь. Общий характер, амплитуда и длительность периода осциллограмм напряжения и тока якоря, снятых с реального стенда и имитационной модели совпадают. Отличия реальных и имитационных осциллограмм заключаются в длительности разряда ЭДС самоиндукции электродвигателя (участки t1) и броске напряжения в первой трети на участках t1. Это объясняется неточностью оценки параметров в демпфирующей цепи вентилей имитационной модели рассматриваемого электропривода, тем не менее ошибка моделирования не превышает 5%.

В таблице 2, эксперимент 1, последняя треть участков t1 соответствует напряжению ЭДС электродвигателя

Из осциллограммы эксперимента №№ 3 и 4 можно судить о том, что при нагрузке на валу двигателя в момент, когда силовой ключ закрыт, ток непрерывен в области работы одной пары вентилей. В момент закрытия одной пары вентилей и открытия второй пары появляется зона прерывистого тока. Следует отметить, что зона прерывистых токов в рассматриваемом электроприводе при частоте fШИМ=1кГц меньше, чем в электроприводах по системе «тиристорный преобразователь - двигатель», содержащих однофазный двухполупериодный выпрямитель.

Из результатов проведенного сравнительного анализа можно сделать вывод, что разработанная имитационная модель ЭП ПТ, построенного по системе «НВ - ШИП ПЧ», адекватна, обеспечивает точность в пределах 5% и может быть использована для исследования характеристик и режимов работы исследуемого ЭП.

 

 

Литература

1. Брейдо И.В., Садвакасов В.С. Электропривод постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией повышенной частоты // Тезисы докладов межвузовской региональной студенческой научной конференции. 19-20 апреля 2007г. Часть 1. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2007. 566с.