Моделирование режима упора асинхронизированного вентильного двигателя с питанием от инвертора напряжения

На сегодняшний день в развитии электропривода очень важным является вопрос использования бездатчиковых систем управления. Современные бездатчиковые системы управления применяют математическую модель привода, которая просчитывается в микроконтроллере системы управления во время работы [1]. Для корректной работы требуются точная настройка, знание всех параметров машины и высокая вычислительная способность микроконтроллера [2]. Большим недостатком таковых систем является тот факт, что до начала вращения невозможно получить показатели, правильно ориентирующие координаты статора и ротора относительно друг друга [3]. И поэтому пуск таких систем является затрудненным.

Рис. 1. Структурная схема АВД

Указанных недостатков лишен электропривод двойного питания на базе асинхронизированного вентильного двигателя (АВД) с системой управления без датчиков положения ротора (рис. 1) [4].

Машинно-вентильный комплекс АВД состоит из асинхронной машины, питающейся от двух преобразователей частоты. Машина может быть подключена по схеме возбуждение – ротор, якорь – статор и наоборот. При питании по первой схеме обмотка ротора питается от преобразователя частоты на базе инвертора напряжения, основная задача которого – создать магнитное поле, намагничивая машину. Со стороны возбуждения регулируется частота и действующее значение напряжения, что позволяет управлять величиной тока, а соответственно и магнитным потоком. Главная отличительная особенность заключается в том, что магнитное поле вращается еще до пуска двигателя. Другая обмотка называется якорем и питается от преобразователя частоты синхронизированного по фазе тока. Со стороны якоря регулируется сдвиг фаз между током и напряжением и действующее значение напряжения. Этот преобразователь частоты синхронизируется по фазе и частоте якоря и при увеличении частоты вращения ротора, выходная частота увеличивается на круговую частоту ротора с учетом числа пар полюсов. Двойное питание со стороны статора и ротора допускает управление энергетическими показателями и позволяет управлять механическими характеристиками привода [4, 5].

Режим упора может возникать при образовании наледи на приводных механизмах. Есть облас-

Моделирование режима упора асинхронизированного вентильного двигателя с питанием от инвертора напряжения ти применения электропривода, когда необходимо создать момент на валу двигателя при нулевой скорости. Основным принципом работы системы управления электроприводом в режиме упора является синхронизация напряжения преобразователя якоря по фазе и частоте с током якоря. Учитывая то, что частота возбуждения изменяется, требуется обеспечение регулировки сдвига фаз между током и напряжением якоря на любой частоте с целью управления электроприводом [6].

Основная цель данной работы заключается в анализе пускового момента на валу АВД при работе в режиме упора с поддержанием тока возбуждения на номинальном уровне. Для этого необходимо решить следующие задачи:

• 1.    Разработать математическую и имитационную модель для исследования режима упора АВД.

• 2.    На основе базовой системы уравнений вывести выражение момента в функции частоты тока якоря для режима упора.

• 3.    Провести анализ момента на валу двигателя в режиме упора.

Основная часть

В ходе систематического исследования режима упора АВД была разработана математическая модель в интерактивной системе Matrix Laboratory (рис. 2).

Управление инверторным звеном якоря возможно при условии синхронизации по фазе тока и применения узла автоподстройки фазы и частоты (рис. 3).

Для обеспечения пуска привода особенную трудность вызывает необходимость синхронизации по фазе тока якоря при неподвижной машине. Для этого необходимо создать контур для протекания тока перед пуском двигателя [4]. Этот предпусковой ток должен позволять системе управления осуществить привязку напряжения к фазе тока с возможностью регулировки и иметь небольшую амплитуду, чтобы двигатель не начал вращаться в режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, но достаточную, чтобы намагнитить машину. Эту функцию обеспечивает система управления преобразователем частоты возбуждения

Рис. 2. Модель АВД

СоппЗ

Рис. 3. Модель преобразователя частоты якоря

Электромеханические системы

Рис. 4. Модель преобразователя частоты возбуждения

(рис. 4). В цепи возбуждения стоит регулятор тока, который создает начальное намагничивание машины и регулирует ток возбуждения, не давая превысить номинальные значения.

Базовая система комплексных уравнений, описывающая режимы работы АВД, записывается как:

•                             •             •

и = (r + j-V-x o)- I + j-v-Y,

Uf = (rf + j - 50 - xf ) - If + j - 50 -Y,

Y = x - (I + If ),

••

M = Re j -Y-1, где Y - обобщенный вектор потокосцепления;

U , U f – обобщенные векторы напряжений якоря и возбуждения; r , rf – активное сопротивление обмоток якоря и возбуждения; x, xаf - индуктивности обмоток якоря и возбуждения; v, 50 -относительная частота токов якоря и возбуждения; xа , xf , xar - индуктивности рассеяния обмоток якоря и возбуждения, а также их взаимоиндуктив-ность; I , I f – обобщенные векторы токов якоря и возбуждения; M – электромагнитный момент на валу двигателя.

Параметры Т-образной схемы замещения модели двигателя соответствуют марке асинхронного двигателя 4AK160M4Y3 производства Ярославского электромашиностроительного завода; они следующие: х = 1,090147, x _f = 1,105783, х _а = 0,066424, x _af = 0,08206, х _ar = 1,023723, r _f = 0,048664. Согласно паспортным данным, номинальный момент двигателя равен 86 Нм.

Решая систему уравнений (1) относительно момента на валу, можно добиться решения, в котором отсутствует ток якоря и потокосцепление:

r sin ф- sin 0 + xav cos ф- sin 0) cos (ф+ v( r sin (ф + 0) + v xa cos (ф + 0))2

U 2 ( M =-

-. (2)

Здесь ф - угол между обобщенными векторами тока и напряжения якоря; 0 - угол между обратным обобщенным вектором ЭДС якоря и обоб- щенным вектором напряжения якоря – угол нагрузки [3].

При допущении, что r ~ 0 , выражение для электромагнитного момента записывается как

M =

U2 cos ф- sin 0 v2 xст cos (ф + 0)

Рис. 5. Электромагнитный момент двигателя в режиме упора

Моделирование режима упора асинхронизированного вентильного двигателя с питанием от инвертора напряжения

Видим, что момент прямо пропорционален квадрату напряжения якоря и обратно пропорционален квадрату относительной частоты тока якоря, а при режиме упора это фактически частота возбуждения. Соответственно, чем меньше частота возбуждения, тем больше момент на валу.

В результате математического моделирования получена временная зависимость вращающегося момента на валу двигателя в режиме упора (рис. 5). На изображении видно, что после подачи напряжения на инвертор напряжения якоря начинает увеличиваться вращающий момент двигателя. Колебания электромагнитного вращающего момента объясняются отсутствием жесткой ориентации векторов тока и потокосцепления, одновременно с этим жесткой фиксацией тока и напряжения якоря на фиксированный угол сдвига фаз.

Выводы

Полученные в результате математического моделирования значения момента на валу в режиме упора достигают троекратной величины, а в пиках достигают 6 крат. При этом токи и напряжения не превышают номинальных значений. Учитывая, что коммутации в силовых вентилях осуществляются с частотой возбуждения, то тепловой режим работы вентилей будет благоприятным и в данном режиме двигатель может работать не ограниченное по длительности время.

На основании проведенных исследований режима упора АВД от инвертора напряжения с синхронизацией по току якоря на имитационной модели можно сделать вывод, что применение АВД может быть осуществлено в тяжелых условиях пуска при управлении двигателем с поддержанием тока возбуждения.