Исследование однофазного электропривода молочного насоса доильной установки с помощью компьютерного моделирования

Введение. В настоящее время в мире наблюдается тенденция перехода промышленного и сельскохозяйственного производства к автоматизированным технологическим процессам, внедрению высокотехнологичных устройств и агрегатов на основе вычислительной техники [1]. Это обстоятельство сопровождается уменьшением количества работников на предприятиях и их заменой роботизированными машинами, в которых повсеместно применяются электрические двигатели [2].

Наряду с этим автоматизация сельскохозяйственного производства приводит к увеличению потребления электроэнергии, и, как следствие, расходов на её использование. Возникает необходимость в разработке энергосберегающих систем и устройств. В частности, проблема снижения энергопотребления может быть решена путем внедрения регулируемых электроприводов на основе микроконтроллеров и силовых полупроводниковых устройств [3].

Применение регулируемого электропривода также способствует решению технологических задач, особенно в тех процессах, где часто происходит изменение нагрузки на агрегат. В качестве примера может быть рассмотрена поточная технологическая линия первичной обработки молока, схема которой приведена на рисунке 1.

1 – доильный аппарат; 2 – молокопровод; 3 – счетчик молока;

4 – молокосборник-воздухоохладитель; 5 – молочный насос; 6 – фильтр; 7 – пластинчатый охладитель; 8 – ёмкость для охлаждения молока; 9, 12 – трехходовые краны;

10 – установка для охлаждения воды; 11 – водяной насос

Рисунок 1 – Схема поточной технологической линии первичной обработки молока

• 1    – milking machine; 2 – milk pipeline; 3 – milk counter; 4 – milk collector-air cooler; 5 – milk pump;

• 6    – filter; 7 – plate cooler; 8 – container for additional cooling of milk; 9, 12 – three-way valves;

10 – water-cooling unit; 11 – water pump

• Figure 1    – Scheme of the production line for the primary processing of milk

Величина потока молока, поступающего из молокосборника в емкость для охлаждения молока, зависит от множества факторов: от типа доильной установки, числа одновременно работающих доильных аппаратов, места их подключения, индивидуальных характеристик молокоотдачи коров и т.д. Таким образом, поток молока на выходе молокоприемника может изменяться в широких пределах, что существенно влияет на выбор мощности молочного насоса и типа электропривода. С позиций энергосбережения перспективным является применение регулируемого электропривода для молочного насоса [4].

Как известно [5, 6], в сельскохозяйственном производстве широкое распространение получили трехфазные и однофазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, что предопределяется рядом их преимуществ над двигателями постоянного тока: более высокой надежностью и производительностью, простотой в эксплуатации, низкой стоимостью и габаритами.

Как правило, крупные сельскохозяйственные производители в сельской местности имеют доступ к трехфазному источнику электрической энергии. Однако зачастую у отдельных владельцев личных подсобных и малых фермерских хозяйств доступ к трехфазному источнику электрической энергии отсутствует, что определяет использование однофазных двигателей в электроприводе сельскохозяйственных машин малой мощности.

В большинстве случаев для запуска и работы однофазного асинхронного электродвигателя применяются фазосдвигающие конденсаторы. Данный способ запуска имеет недостаток: отсутствует возможность регулирования скорости двигателя, что особенно важно в случае использования однофазного двигателя в электроприводе молочного насоса.

Альтернативой конденсаторному способу запуска однофазных двигателей является применение полупроводниковых устройств, работающих по принципу векторно-алгоритмического управления [5, 6]. Одним из них является «Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя», которое может быть иcпользовано для управления электродвигателем [8]. В работе устройства используется принцип векторноалгоритмического управления – метод управления асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями переменного тока, который позволяет регулировать скорость вращения путем изменения алгоритмов коммутации его отдельных обмоток. К преимуществам частотно-регулируемого электропривода можно отнести снижение электропотребления при изменяемых нагрузке и частоте вращения двигателя.

Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема устройства

• Figure 2    – Schematic diagram of the device

Питание разработанного устройства осуществляется от источника постоянного тока. К каждому выводу статорных обмоток подключена пара полупроводниковых ключей, причем в качестве первого ключа использован биполярный n-p-n-транзистор, а в качестве второго – тиристор со встречно-параллельно включенным диодом. При этом анод каждого тиристора соединен с катодом соответствующего диода и подключен к плюсу питающего напряжения, катод каждого тиристора соединен с анодом соответствующего диода, а их общий вывод подключен к одному из концов статорных обмоток и к коллектору парного транзистора. Эмиттер каждого транзистора соединен с минусом питающего напряжения. Результатами применения тиристоров в силовой схеме устройства являются уменьшение расхода электрической энергии на поддержание открытого состояния полупроводниковых ключей, а также отсутствие необходимости использования большого количества источников питания для управления транзисторами.

С помощью различных вариантов включения статорных обмоток электродвигателя

можно создавать полупроводниковых ключей возможно различные варианты вращающихся магнитных полей, которые можно использовать для регулирования скорости электродвигателя и обеспечивать возможность реверса электродвигателя. На рисунке 3 представлена векторная диаграмма магнитного потока вращающегося поля статора двигателя.

Устройство имеет следующий принцип работы. Путем открытия транзисторов и тиристоров в нужной последовательности на статорные обмотки однофазного двигателя подается постоянное напряжение. При изменении частоты подачи получение вращающегося магнитного поля статора с различными параметрами.

В качестве примера рассмотрим алгоритм подачи управляющих сигналов на транзисторы и тиристоры для создания вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного двигателя, которое образуется при последовательном чередовании шести фиксированных положений вектора магнитного потока. При снятии управляющего сигнала с транзисторов в статорных обмотках двигателя возникает ЭДС самоиндукции, которая замыкается через соответствующие управляющих сигналов на открытие диоды и тиристоры.

а а                      б b                      в c

Рисунок 3 – Диаграмма образования вращающегося магнитного потока поля статора при последовательном чередовании:

а – восьми векторов магнитной индукции; б – шести векторов магнитной индукции; в – четырех векторов магнитной индукции

• Figure 3    – Diagram of the formation of a rotating magnetic flux of the stator field with successive alternation: a – eight vectors of magnetic induction; b – six vectors of magnetic induction;

• c – four vectors of magnetic induction

Условно разделим период обращения магнитного поля статора на шесть равных промежутков времени.

В первый промежуток времени управляющие сигналы подаются на первую пару полупроводниковых ключей (транзистор VT1 и тиристор VS1), при этом ток протекает только по первой (А) статорной обмотке двигателя.

Во второй промежуток времени управляющие сигналы подаются на первую и четвертую пары полупроводниковых ключей (транзисторы VT1 и VT4, а также тиристоры VS1 и VS4), при этом ток протекает по двум статорным обмоткам.

В третий промежуток времени управляющие сигналы подаются на вторую и четвертую пары полупроводниковых ключей (транзисторы VT2 и VT4, а также тиристоры VS2 и VS4), при этом ток также протекает по двум статорным обмоткам двигателя.

В четвертый промежуток времени управляющие сигналы подаются на вторую пару полупроводниковых ключей (транзистор VT2 и тиристор VS2), при этом ток протекает только по первой (А) статорной обмотке.

В пятый промежуток времени управляющие сигналы подаются на вторую и третью пары полупроводниковых ключей (транзисторы VT2 и VT3, а также тиристоры VS2 и VS3), при этом ток протекает по двум статорным обмоткам двигателя.

В шестой промежуток времени управляющие сигналы подаются на первую и третью пары полупроводниковых ключей (транзисторы VT1 и VT3, а также тиристоры VS1 и VS3), при этом ток протекает по двум статорным обмоткам двигателя.

Затем алгоритм подачи управляющих сигналов на полупроводниковые ключи повторяется.

Рисунок 4 – Порядок подачи импульсов на транзисторы и тиристоры в устройстве

Figure 4 – Order of supplying pulses to transistors and thyristors in the device

Разработанное устройство позволяет плавно регулировать скорость вращения электродвигателя путем изменения частоты подачи управляющих сигналов на полупроводниковые ключи, а также изменять величину напряжения, подаваемого на обмотки статора, регулируя степень открытия транзисторов.

Цель исследований: провести анализ возможностей применения разработанного полупроводникового устройства в электроприводе молочного насоса.

Задачи исследований: разработка имитационной модели электропривода с полупроводниковым устройством в среде компьютерного моделирования Matlab Simulink, проведение исследования для получения графиков переходных процессов крутящего момента на валу и угловой скорости электропривода с предложенным полупроводниковым устройством, построение статической механической характеристики двигателя.

Материалы и методы исследований. Для предварительного анализа характеристик работы электропривода с разработанным полупроводниковым устройством целесообразно провести виртуальный эксперимент при помощи средств компьютерного моделирования. Данный способ исследования имеет ряд достоинств: в сравнительно краткие сроки можно проверить работоспособность устройства, получить данные об электромеханических характеристиках работы электропривода в графическом виде, что значительно упрощает их анализ.

Для моделирования разработанного полупроводникового устройства была выбрана среда компьютерного имитационного моделирования Matlab Simulink, в которой имеется возможность моделирования различных технических систем [8, 9, 10, 11]. В частности, программа содержит библиотеку готовых математических блоков, предназначенную для исследования электротехнических систем, что делает её особенно популярной среди исследователей и инженеров в области электрического привода [12, 13, 14, 15].

На рисунке 5 представлена имитационная модель асинхронного электропривода с двигателем ДАК110-90-1,5 и разработанным полупроводниковым устройством регулирования скорости.

Ступенчатая нагрузка Step load

Voltage Measurement M

Voltage Measurement A

Manual Switch

Manual Switch

Линейная нагрузка Linear load

Pulse

Current

Measurement A

Pulse Generator 2A

Single Phase Asynchronous Machine

Рисунок 5 – Имитационная модель электропривода

Pulse

Generator IM

Pulse Generator

3M Pulse Generator

Voltage

Current Measurement M

• Figure 5    – Simulation model of the electric drive

В данной имитационной модели электропривода n-p-n биполярные транзисторы, тиристоры, диоды и их система управления упрощены, а их работа имитируется с помощью управляемых источников напряжения «Controller Voltage Source» в режиме «Sourcetype-DC», которые взяты из стандартной библиотеки «Power Electronics».

Управляемые источники напряжения при подаче управляющих сигналов в определенной последовательности могут выдавать напряжение на обмотки статора асинхронного двигателя такого же вида, как если бы питание происходило от исследуемого устройства по алгоритму с рисунка 4.

Блок «Single Phase Asynchronous Machine» в данной модели переводится в режим «Main and auxiliary windings», что позволяет питать двигатель несимметричным напряжением.

Подача управляющих сигналов на управляемые источники напряжения в модели осуществляется с помощью пяти генераторов импульсов «Pulse Generator», которые легко настроить на выдачу сигналов управления с нужной частотой и амплитудой.

С помощью разработанной имитационной модели было проведено исследование характеристик асинхронного электродвигателя ДАК110-90-1,5 при питании с помощью полупроводникового устройства при четырех положениях вектора магнитной индукции магнитного потока поля статора. Данный асинхронный двигатель имеет следующие параметры: номинальная мощность, Рн = 0,09 кВт; номинальное напряжение, Uн = 220 В; номинальный момент, Мн = 0,49 Н∙м; пусковой момент, Мп = 0,34 Н∙м; критический момент, Мкр = 1,03 Н∙м; номинальная частота вращения, n2 = 1380 об/мин; момент инерции ротора, J = 0,00043 кг-м2. Момент инерции механической части электропривода был принят равным нулю.

Результаты исследований и их обсуждение. На рисунке 6 представлен график переходного процесса крутящего момента на валу электродвигателя, полученный в результате моделирования. Колебания момента при пуске от -0,68 Н∙м до

0,9 Н∙м наблюдаются в период до 0,35 с, далее момент приходит к установившемуся значению в 0,69 Н∙м, что соответствует нагрузке на валу двигателя. В момент времени моделирования от 1,5 с и до 2 с можно наблюдать переходный процесс после снятия момента сопротивления рабочей машины и работы электродвигателя на холостом ходу. Момент времени моделирования 6,15 с соответствует «опрокидыванию» электродвигателя с максимальным моментом нагрузки на валу в 1,98 Н∙м.

Рисунок 6 – График переходного процесса крутящего момента на валу электродвигателя

• Figure 6    – Motor shaft torque transient graph

На рисунке 7 представлен график переходного процесса угловой скорости вала электродвигателя, полученный в результате моделирования.

Как видно из графика, время пуска электродвигателя составляет 0,35 с. В момент времени моделирования от 1,5 с и до 1,8 с можно наблюдать переходный процесс после снятия пускового момента и работы электродвигателя на холостом ходу. В период от 2 с до 6,15 с угловая скорость вала при подключении нагрузки изменяется с

157 рад/с до 150 рад/с. В момент времени моделирования 6,15 с угловая скорость резко стремится к нулю, что соответствует перегрузке электродвигателя.

Рисунок 7 – График переходного процесса угловой скорости вала электродвигателя

Figure 7 – Graph of the transient process of the angular velocity of the motor shaft

C помощью данных с графиков на рисунках 6 и 7 были получены точки для построения статической механической характеристики электродвигателя при использовании разработанного устройства с шестью положениями вектора магнитной индукции магнитного потока поля статора.

Точки для построения статической механической характеристики

Points for constructing a static mechanical characteristic

№ точки № point	1	2	3	4	5	6	7	8	9
t , с	0	2	2,5	3	4	4,5	5	5,5	6,15
М , Н∙м	0,69	0	0,25	0,5	1	1,25	1,5	1,75	1,98
ΔМ , Н∙м	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02	±0,02
to , рад/с	0	157	156	154	153	150	149	148	142
^ to , рад/с	0	±5	±5	±5	±4	±4	±3	±3	±1

Определение пускового момента в рамках моделирования проходило следующим образом: на вал электродвигателя посредством блока «Ramp» (Линейная нагрузка) подавался момент сопротивления существенно больше номинального. Затем происходило снижение момента сопротивления до величины, при которой двигатель осуществил пуск. Полученное значение было принято за пусковой момент данного электропривода.

На рисунке 8 представлена статическая механическая характеристика однофазного асинхронного электродвигателя.

U) рад/с rad/s

Рисунок 8 – Статическая механическая характеристика однофазного асинхронного электродвигателя

Figure 8 – Static mechanical characteristic of a single-phase asynchronous electric motor

Как видно из графика на рисунке 8, пусковой момент ( М п ) электродвигателя составляет 0,69 Н∙м, значение критического момента ( М к ) составляет 1,98 Н∙м и развивается при угловой скорости в 142 рад/с, значение номинального момента 0,49 Н∙м развивается при угловой скорости в 154 рад/с.

Выводы. В результате проведенных исследований с использованием средств компьютерного имитационного моделирования установлено, что однофазный асинхронный электродвигатель, управление которым происходит посредством полупроводникового устройства регулирования скорости, может нормально работать как с номинальным моментом, так и с кратковременной перегрузкой. При этом необходимо отметить, что пусковой момент электродвигателя при работе с полупроводниковым устройством равен Мп = 0,69 Н∙м, что более чем в два раза выше паспортного пускового момента, который рассчитан для конденсаторного запуска. Критический момент электродвигателя при работе с полупроводниковым устройством равен Мкр = 1,98Н∙м, что также практически вдвое превышает критический момент при конденсаторном запуске.

Таким образом, можно сказать, что применение разработанного полупроводникового устройства в электроприводе молочного насоса позволяет значительно улучшить параметры установки, а также снизить энергопотребление.