Research of dynamics of gated-electrical processes in Simulink

Цитирование: Федий, К.С. Исследование динамики электрических процессов вентильного генератора в Simulink / К.С. Федий, Е.А. Спирин, Н.Е. Полошков // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2020. 13(2). С. 156-161. DOI: 10.17516/1999-494X-0212

го исполнения, лучшим охлаждением активной части из-за расположения тепловыделяющих узлов вблизи периферийных поверхностей машины.

Торцевые синхронные генераторы дают существенный выигрыш по занимаемому пространству за счет приближения электрической машины к рабочему механизму. Малый осевой габарит генератора с возбуждением от постоянных магнитов дает возможность обеспечить конструктивную совместимость их с рядом механизмов, компактность и удобство эксплуатации и сборки.

Эти конструктивные решения компонентов генератора позволяют выполнять его необслуживаемым, что существенно уменьшает расходы на эксплуатационные энергоустановки в целом, повышая их конкурентоспособность [2].

Для обеспечения заданных показателей качества было использовано имитационное моделирование в пакете MatLab Simulink, которое является наиболее удобным и наглядным методом исследования процессов, происходящих в электромеханических системах. MatLab имеет в своем составе специализированную электротехническую библиотеку блоков. Процесс моделирования в Matlab Simulink представляет собой построение схемы устройства из стандартных блоков пакета и задание параметров ее отдельных элементов.

Номинальные данные генератора, на основе которого проводилось исследование, представлены в табл. 1.

Основными компон ен тами вентильно го генер атора явл яются: синхр онный генерат ор переменного тока на постоянных магнитах, трехфазный мостовой выпрямитель и стабилизатор напряжения.

Математическая м од ель то^рцевого си н хронно го ге нер атора со ста билизаци ей на пряжения при изменении частоты вращения приводного вала в широком диапазоне, реализованная в MatLab Simulink, изображена н а рис. 1.

Основным элем ентом модел и являет ся блок Perman ^ ent Magnet Sy nchronous Machine – модель синхронной машины с пос тоянными магнитами и з электрот ехническо й библио теки SimPowerSystems [3]. Согласно спра вочной сис теме Simulin k данный блок содер жит опис ание системы уравнений си нхронной магнитоэлек^{^}трической маш ины в системе координа^{^}т, вращающейся синхронно с рото^ром.

d	1	R	L
dt	⋅ i d = 1 L d	⋅ U d - R ⋅ i d L d	+ q ⋅ p ⋅ω r ⋅ i q L d             ,	(1)
d	1	R	L               λ ⋅ p ⋅ ω
dt	qL	•IT 7 qLq	+ L d ⋅ p ⋅ ω r ⋅ i d - L r ,	(2)
	q	q	qq
M e	= 1 , 5 ⋅ p ⋅	( ψ ⋅ i q + ( L d	L q ) ⋅ i d ⋅ i q ,	(3)

Таблица 1

Table 1

Номинальное напряжение U H , B	Ном инальное напря жение P H , Bm	Н о минальны й т ок I H , A	Ч исло пар п олюсов P	Ча сто та вращ ен ия n,об / мин
220	1000	1 894 .	16	187. 5

Рис. 1. Струк _^ ту рная схема модел и торцево го синхрон ного генерато _^ ра со стабилизаци ей напряжения

Fig. 1. Block diagr am of a model of an end synchronous generator with voltage stabilization

^d ω = ¹ ⋅ ( M - F ⋅ ω - M ),                                         (4)

dt J где id, iq – проекции т ока стат о р а на осях с истем ы коорд ин а^т, А ; Ud, Uq – п роекции н а^пря жения, подводимого к ста^тору на осях сис темы коорди нат, В; Ld, Lq – инду ктивности синхр онной машины по продольно й и поперечн ой осям, Гн; R – активное сопротивле ние фазы ста^тора, Ом; p – число пар полюсов; ω – частота вра^ щения ротор а, рад/с; ψ – пот окосц епле ние фазы стато ра, Вб; Mm – механиче ский мом ент н а вал у ген ер атора , Н∙м; F – к^оэф ф иц иент, оп ределяющ и й трение в подшипниковых опо^рах генер атора, Н∙^м∙с; J – м о мент инерции р отора г ене^ратор а, кг∙м2; Me – электромагнитн ый мом ент генерато ра, Н∙м.

Переход к трехфазной с ис теме коорди нат осущ ествляют по следующим ур авнениям:

u _A

= u _d

uВ

= u_d

u ^C

= u _d

⋅ sin( ω ⋅ t ) + u _q ⋅ cos( ω ⋅ t ) ,

2 π            2 π

⋅ sin( ω ⋅ t - ₃) + u_q ⋅ соs( ω ⋅ t - ₃),

2 π            2 π

⋅ sin( ω ⋅ t + ₃) + u q ⋅ соs( ω ⋅ t + ₃) .

Порты A, B и С – выв оды с та то р ной обмо тки маши ны.

При реал изации ген ера^{^} т орного р ежи ма бл ока P erm anen _^ t Magn _^ e t S ynchro _^ n^{^} o us Ma chine возникает проб_^лема зада н ия частот ы вра ще н ия приво _^ да генер ат ор а, та к как изна_^чаль но в бло ке предполагается задани е вращающ его мом ента. В мо дели эта п роблема р ешена с пом ощь ю бл ока линейно изменя ющегося воздейс твия Ram^{^} p, подающего на входной по рт W си гнал , соответствующий изменению скоро сти вращ ения генератора от 0 до 187,5 об/мин , что соотве тст вует ^{32-полюсно}й машине.

Далее полученное переменное напряжение выпрямляется трехфазным мостовым выпрямителем (с хема Ларионова^) и подает ся на импульсный регулятор – стабилизатор напряжения на GT O тиристорах (рис. 2). Величи на среднего зн ачения напряжени я задается на вх^ оде гисте-резисно го регул ятора (Relay) и мо жет поддерж ива^ться постоянно й, когда схем а и спользуется в качестве стабилизатора, или может изменяться для регулирования напряжения (тока) нагрузки. Н а р ис. 3 п редставлены г рафик и на пряжения н агрузки, то ка нагрузки и тока в цепи п итания н а выходе стабилиз атора.

Постоян ное напряжен ие со стабилизато ра нап ряжения сглаживаетс я LC- фильтром и поступает на мост, собранный на IGBT-транзисторах. Мост представляет собой инвертор, ис-поль зующий широтно-и мпу^льсну ю модуляцию для ф ормирован ия синусоидал ьного напря жен и я 220 В и част отой 50 Г ц (р ис. 4).

Рис. 2. Модель стабилизатора напряжения

Fig. 2. Voltage stabilizer model

Рис. 3. Графики напряжен ия нагрузк и, тока наг рузки и т ока в цепи п ит ани я

Fig. 3. Graphs of load volta g e, load cu rren^t, and cu rren^ t in the pow^ er sup^ pl^y c ircuit

Рис. 4. Графи ки напряжен ия нагрузки, т ока нагруз ки и т ока в цепи п итани я Fig. 4. Graphs of load vol ^ tag e, loa d current , and current in the power s upp ly c ircuit

В момент времени с 0 до 0,8 с происходит пуск и разгон генератора до минимально допустимых оборотов (90 об/мин), необходимых для получения удовлетворяющего качества напряжения. Рез ультаты моде лирования венти льного генерат ора со стаби лиза цией напряжени я на примере 32 -по люсной м ашины мощнос тью 1 кВт показали хо^рош ую с пособност ь генериро -вать высокока^чественную эл ектроэнергию в широк ом диапазоне ско^рос тей враще ния (от 90 до 187,5 об/ми н). Исполь зуем ы е п ромеж уточные преобразовате ли способны под держивать посто -янство вел ичины напряже ния, при пере менной час тоте вращени я обе спечивая необ^ ходимую производительность для автономных источников питания.