CC BY
123
УДК 004.942, 621.313.32, 621.314.5
В. Г. Макаров, В. А. Гусельников, Н. И. Гараев
МОДЕЛЬ РАЗОМКНУТОЙ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ АВТОНОМНЫЙ
ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ - ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ В ПАКЕТЕ MATLAB
Ключевые слова: двухзвенный преобразователь частоты, компьютерное моделирование, трехфазный автономный инвертор
напряжения, трехфазный асинхронный двигатель.
Рассматривается модель установки по исследованию разомкнутой мехатронной системы автономный инвертор напряжения - трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Проведен анализ состава и назначения блоков этой установки. Значительное внимание уделено рассмотрению настроек отдельных блоков и параметров моделирования. Предлагаемая модель позволяет проводить анализ электромагнитных и электромеханических процессов в переходных и установившихся режимах работы, исследование динамической механической и рабочих характеристик, анализ спектрального состава и построение годографов пространственных векторов напряжения и тока обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при различных способах управления силовыми транзисторами автономного инвертора напряжения.
Key words: two-unit frequency converter, computer simulation, three-phase autonomous voltage inverter, three-phase asynchronous
motor.
Discusses the model setup for the research of open-loop mechatronic system аutonomous inverter - three-phase asynchronous motor with squirrel-cage rotor. The analysis of the composition and destination blocks of this installation. Considerable attention is paid to consideration ofpreferences of individual units and simulation parameters. The proposed model allows for the analysis of electromagnetic and Electromechanical processes in transient and steady-state modes of operation, study of dynamic mechanical and operational characteristics, spectrum analysis and plotting ho-dographs of the spatial vectors of voltage and current of the stator winding of three-phase induction motor at different ways to control the power transistors Autonomous voltage inverter.
Введение
На современном этапе развития науки и техники асинхронный частотно-регулируемый электропривод прочно занимает лидирующее положение среди приводных устройств и обеспечивает бесперебойную и надежную работу технологических механизмов во многих отраслях промышленности и специальной техники [1, 2]. Неотъемлемой составной частью такого электропривода является преобразователь частоты (ПЧ), предназначенный для регулирования частоты и напряжения или частоты и тока обмотки статора асинхронного двигателя (АД).
ПЧ, применяемые в асинхронных электроприводах, делятся на два класса:
1) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);
2) двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ).
До недавнего времени ДПЧ называли преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧЗПТ).
На рис. 1 показаны структурные схемы ПЧ асинхронного электропривода, где стандартная трехфазная сеть характеризуется постоянными значениями напряжения Uc и частоты fc, выпрямитель характеризуется выходным напряжением Ud, параметры обмотки статора АД обозначены индексами 1.
На рис. 1 а показана структурная схема асинхронного электропривода с НПЧ. В качестве силовых элементов НПЧ, как правило, применяются тиристоры. Основной недостаток заключается в том, что максимальная частота f1 на выходе НПЧ не может быть больше 50 % от частоты сети fc.
А о—
НПЧ
[/[ = var / =var
Сеть АО—
Uc>fc
УВ
Uj = var
СФ
АИН
АД
/j = v ar
Сеть Ао—
Со—
нв
LLj — const
СФ
АИН
АД
Ul — var f = v ar
Сеть А о—
Со—
/с
УВ
Ц/ = var
СФ
АИТ
АД
I[ = var f=v ar
Сеть
АО—
Uc,fc
нв
Uj = const
д
СФ
АИТ
АД
I] = var /( = v ar
Рис. 1 - Структурные схемы ПЧ для питания АД с короткозамкнутым ротором
В асинхронных частотно-регулируемых электроприводах преимущественно используются ДПЧ с автономными инверторами напряжения (АИН) или тока (АИТ), питание которых осуществляется от
а
б
в
г
управляемых (УВ) или неуправляемых (НВ) выпрямителей. Между выпрямителями и автономными инверторами устанавливаются сглаживающие фильтры (СФ). Структурные схемы ДПЧ приведены на рис. 1 б - д [1, 2].
Наиболее распространенной схемой для построения АИН и АИТ является приведенная на рис. 2 трехфазная мостовая схема на биполярных транзисторах с изолированным затвором (ЮВТ).
Система управления транзисторами
££ ^ ^ ^
о_|^Т22;уР2 0_1СУг4'^УР4 „.Л^уТб^УОб
АД
-XV
Рис. 2 - Функциональная схема силовой части АИН
На рис. 2 показаны следующие функциональные блоки:
1) Г-образный сглаживающий LC-фильтр (СФ) на элементах L1, С1;
2) снаббер (С) на элементах R1, С1;
3) трехфазный мостовой АИН на транзисторах VT1 - УГ6, параллельно транзисторам включены обратные диоды - VD6.
На рис. 2 внутри каждого функционального блока применяется своя нумерация элементов.
Для управления силовыми транзисторами АИН могут быть использованы 120-, 150- или 180-градусный законы коммутации, широтно-импульсное регулирование (ШИР) или широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [1 - 7].
Существует следующая классификация видов широтно-импульсного регулирования [3]:
1) ШИР на основной частоте;
2) ШИР на несущей частоте.
Широтно-импульсная модуляция классифицируется следующим образом:
1) синусоидальная ШИМ;
2) трапецеидальная ШИМ;
3) векторная ШИМ;
4) ШИМ по методу «токового коридора».
Алгоритмы управления силовыми транзисторами
АИН для каждого из перечисленных способов рассматриваются в [3 - 8]. В случае применения 120-, 150- или 180-градусного законов коммутации для питания АИН используется УВ и регулирование действующих значений выходных напряжений инвертора осуществляется за счет изменения выходного напряжения УВ. Регулирование частоты выходных напряжений АИН осуществляет система управления транзисторами.
Следует отметить, что при реализации ШИМ по методу «токового коридора» управление скоростью АД относят к частотно-токовому, а при реализации всех остальных перечисленных ранее способов - к частотному.
В [2, 3, 7] показано, что при 120-, 150- или 180-градусном законах коммутации выходные напряжения АИН имеют ступенчатую форму, поэтому в их составе будут содержаться высшие гармоники. Это приводит к отклонению формы фазных токов от синусоиды, неравномерному вращению магнитного поля статора и возникновению пульсаций электромагнитного момента АД. Стремление избавиться от негативного влияния указанного недостатка привело к разработке таких способов управления силовыми транзисторами АИН как ШИР и ШИМ [3, 7]. Применение ШИМ позволяет получить практически синусоидальную форму гладких составляющих напряжений и токов и обеспечить достаточно высокий КПД инвертора.
В случае применения ШИР и ШИМ для питания АИН применяется НВ и регулирование действующих значений и частоты выходных напряжений инвертора осуществляет система управления транзисторами.
При коммутации ЮВТ-транзистора возникают перенапряжения, особенно при закрытии транзистора. При достижении максимального значения напряжения возможен пробой коллектора или затвора транзистора. Для предотвращения перенапряжений и выхода из строя ЮВТ-транзисторов устанавливают снабберы (демпфирующие цепи). Различные схемы и варианты включения снабберов рассматриваются в [4 - 6]. На рис. 2 показан RC-снаббер. При этом емкость снижает скорость нарастания напряжения, а резистор снижает потери в паразитном колебательном контуре.
Широкое внедрение в практику асинхроннных частотно-регулируемых электроприводов делает актуальной проблему их теоретического анализа и экспериментального исследования [1, 2, 5 - 7]. Одним из основных этапов теоретического анализа является математическое моделирование и компьютерное исследование. В [2 - 6] показано, что в настоящее время одним из наиболее мощных программных продуктов для компьютерного моделирования силовых полупроводниковых преобразователей, электрических машин и электроприводов является пакет Ма1ЬаЬ. В [9] приведена модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в пакете Ма1ЬаЬ, дано описание состава и назначения блоков этой модели, проведен анализ функциональных возможностей модели. Модель построена на основе параметров двигателя 4А100L4У3 [10, 11], однако возможно моделирование любого АД. В [8] рассматриваются модели ме-хатронных систем АИН - АД при 120-, 150- и 180-градусном законах коммутации в пакете Ма1ЬаЬ, проводится анализ состава и назначения блоков этих моделей, приводятся результаты компьютерного моделирования. Следует отметить, что в этих моделях АИН представлен идеальными ключами, параметры которых задавались типовыми для пакета Ма£ЬаЬ значениями. Предлагаемая в данной статье модель мехатронной системы АИН - АД во многом основывается на моделях, приведенных в [8, 9]. Отличительной особенностью этой модели является представление АИН в виде универсального трех-
фазного моста на IGBT-транзисторах и диодах и ее более широкие функциональные возможности. Следует отметить, что в рассматриваемой модели реализованы 120-, 150- и 180-градусный законы коммутации, ШИР на несущей частоте, синусоидальная и трапецеидальная ШИМ. Для проведения более корректного моделирования АИН проведен расчет и выбор элементов его силовой части. При этом использовались методики проектирования, приведенные в [3, 12]. Расчет проводился для асинхронного двигателя 4A100L4y3. На основании результатов расчета для построения АИН выбран силовой IGBT-модуль М6ТКИ - 25 - 12 [13].
Методика исследования
Одной из составных частей библиотеки SimPo-werSystem пакета MatLab является библиотека Power Electronics. Она содержит модели идеального ключа, силовых полупроводниковых приборов, универсального моста и трехуровневого моста. Рассмотрим модель трехфазного мостового автономного инвертора на IGBT-транзисторах, которая выполнена на основе блока Universal Bridge. Пиктограмма этой модели показана на рис. 3 а. Ко входам + и -подключается источник питания постоянного тока. На вход puises подаются напряжения управления IGBT-транзисторов. К выходным портам А, В, С подключается трехфазная нагрузка. Окно настройки модели показано на рис. 3 б.
В полях окна настройки задаются:
1) в первом поле Number of bridge arms - количество плеч универсального моста;
2) в выпадающем меню второго поля Port configuration - конфигурация входных и выходных портов (входными могут быть порты АВС, а выходными + и - или, наоборот);
3) в третьем Snubber Resistance и четвертом Snubber Capacitance полях - параметры цепей формирования траектории переключения;
4) в выпадающем меню пятого поля Power Electronics device - тип полупроводниковых приборов;
5) в шестом Ron и седьмом Forvard voltage полях - параметры силового полупроводникового прибора в режиме насыщения;
6) в восьмом поле Tf, Tt - время спада (Tf), при котором ток уменьшается до 0,1 от тока в момент выключения и время затягивания (Tt), при котором ток уменьшается до нуля от уровня 0,1 в момент выключения;
7) девятое поле Measurements предназначено для выбора измеряемых переменных состояния универсального полупроводникового моста.
Следует отметить, что на рис. 1 б в поля Forvard voltage и Tf окна настройки блока IGBT Inverter введены типовые параметры силового IGBT-модуля М6ТКИ - 25 - 12 [11]. Значения параметров Ron и Tt среди типовых параметров этого модуля в [11] не приводятся, поэтому они установлены равными типовым для пакета MatLab.
IGBT Inverter
а
Universal Bridge [mask] [link]-
This block implement a bridge of selected power electronics devices. Series RC snubber circuits are connected in parallel with each switch device. For most applications the internal inductance should be set to zero.
Paracuses.
Fori configuration ¡ABC as output terminals A
Snubber resistance Rs (0hms|
|1000
Snubber capacitance Cs (F)
|inf
Power Electronic device ¡IGBT / Diodes И
Ron (Ohms]
¡1 e-3
Forward voltages [ Device Vf[V) . DiodeVld(V)]
|[ 3.1 1.8 ]
[ TI(s],Tt(s) ]
|[0.05e-6,2e-6]
Measurements |д|| voltages and currents J
OK Cancel | Help
б
Рис. 3 - Модель блока IGBT Inverter: а - пиктограмма; б - окно настройки
Основные результаты
На рис. 4 показана схема виртуальной установки по моделированию и исследованию процессов в разомкнутой мехатронной системе АИН - трехфазный АД с короткозамкнутым ротором.
Рис. 4 - Схема виртуальной установки по моделированию и исследованию процессов в разомкнутой мехатронной системе АИН -трехфазный АД с короткозамкнутым ротором
В состав рассматриваемой установки входят следующие блоки:
1) источник постоянного напряжения Ud, выполненный на основе блока DC Voltage Source из библиотеки SimPowerSystems/Electrical Sources;
2) блок G 120, в котором реализован 120-градусный закон коммутции;
3) блок G 150, в котором реализован 150-градусный закон коммутции;
4) блок G 180, в котором реализован 180-градусный закон коммутции;
5) блок G PWR, в котором реализованы задающие напряжения для широтно-импульсного регулирования на несущей частоте;
6) блок Ground из библиотеки Simulink/Sources;
7) блок G PWM, в котором реализованы задающие напряжения для трапецеидальной широтно-импульсной модуляции;
8) блок PWM Generator из библиотеки SimPo-werSystems/Extra Library/Control Blocks;
9) блок IGBT Inverter, выполненный на основе универсального блока Universal Bridge из библиотеки Power Electronics, с использованием которого реализован трехфазный мостовой инвертор на IGBT-транзисторах;
10) блок 3-Phase Resistance, выполненный на основе блока 3-Phase Series RLC Branch, предназначен для создания искусственной нейтральной точки, относительно которой измеряются фазные напряжения АИН;
11) блок Multimeter из библиотеки SimPowerSys-tems/Measurements, предназначенный для наблюдения кривой тока силового полупроводникового модуля;
12) блоки измерения действующего значения тока силового полупроводникового модуля RMS.Isw1 и среднего значения тока источника RMS.Id, выполненные на основе блока RMS из библиотеки SimPo-werSystems/Extra Library/Measurements;
13) блоки Id, Isw1, выполненные на основе блоков Display из библиотеки Simulink/Sinks, для количественного представления измеренных действующего значения тока силового полупроводникового модуля и среднего значения тока источника постоянного напряжения соответственно;
14) измеритель переменного трехфазного напряжения и тока Three-Phase V-I Measurement из библиотеки SimPowerSystems/Measurements;
15) блок Selector из библиотеки Simulink/Signal Routing, установленный между блоками Three-Phase V-I Measurement и RMS.Ua, который позволяет выбрать для наблюдения одно из фазных напряжений статора;
16) блок Voltage Measurement для соединения измерительных блоков библиотеки Simulink с блоками пакета SimPowerSystems;
17) трехфазный АД 4А100L4У3, выполненный на основе блока Asynchronous Machine SI Units из библиотеки SimPowerSystems/Machines;
18) блок Мs для задания статического момента на валу АД, выполненный на основе блока Step из библиотеки Simulink/Sources;
19) измеритель активной и реактивной мощности P1, Q1, выполненный на основе блока 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power из библиотеки Sim-PowerSystems/Extra Library/Measurements;
20) блок Pa Pb Pc Qa Qb Qc, выполненный на основе блока Display из библиотеки Simulink/Sinks, для количественного представления измеренных активных и реактивных мощностей фаз;
21) блок Subsystem из библиотеки Simulink/Ports & Subsystems, с помощью которого реализовано вычисление пространственных векторов напряжения и тока статора АД;
22) блоки I1 и U1, выполненный на основе блока XYGraph из библиотеки Simulink/Sinks, для наблюдения годографов пространственных векторов тока и напряжения обмотки статора соответственно;
23) блок Mehan, выполненный на основе блока XYGraph из библиотеки Simulink/Sinks, для наблюдения динамической механической характеристики;
24) два блока измерения действующих значений линейного RMS.Uab и фазного RMS.Ua напряжений статора, выполненные на основе блока RMS из библиотеки SimPowerSystems/Extra Library/Measurements;
25) блок Uab Ua для количественного представления измеренных действующих значений линейного и фазного напряжения, выполненный на основе блока Display из библиотеки Simulink/Sinks;
26) два универсальных блока измерения переменных машины Machines Measurement1 и Machines Measurement2 из библиотеки SimPowerSys-tems/Machines;
27) блоки id, uab ua, w Me, ir is, выполненные на основе блока Scope из библиотеки Simulink/Sinks, для наблюдения кривых тока, потребляемого АИН от источника постоянного напряжения, линейного и фазного напряжения, скорости и электромагнитного момента, токов ротора и статора соответственно;
28) блок измерения действующих значений фазных токов статора RMS.Is, выполненный на основе блока RMS из библиотеки SimPowerSystems/Extra Library/Measurements;
29) блок Mehan, выполненный на основе блока XYGraph из библиотеки Simulink/Sinks, для наблюдения динамической механической характеристики;
30) блок w Me Ia Ib Ic, выполненный на основе блока Display из библиотеки Simulink/Sinks, для количественного представления измеренных значений угловой скорости вращения ротора, электромагнитного момента и действующих значений фазных токов из главной библиотеки Simulink/Sinks;
31) два блока Selector из библиотеки Simu-link/Signal Routing, установленные между блоками Machines Measurement2 и ir is, которые позволяют выбрать для наблюдения один из фазных токов статора и ротора;
32) блок Powergui из библиотеки SimPowerSys-tems, применяемый в данном случае для анализа спектрального состава кривых линейного и фазного напряжения и фазного тока статора;
33) блок Discrete system из библиотеки SimPower-Systems позволяет задавать время дискретизации.
Для управления силовыми транзисторами блока IGBT-инвертор в схеме на рис. 4 применяются блоки G 120, G 150 и G 180, с помощью которых реализованы 120-, 150- и 180-градусный законы коммутации соответственно. Эти блоки собраны на основе генераторов Pulse Generator из библиотеки Simu-link/Sources. На рис. 4 показано, что к блоку IGBT Inverter подключен блок G 180. Для реализации ШИР на несущей частоте в схеме на рис. 4 необхо-
димо использовать блок G PWR в совокупности с блоком PWM Generator, для реализации синусоидальной ШИМ - блок Ground в совокупности с блоком PWM Generator, а для реализации трапецеидальной ШИМ - блок G PWM в совокупности с блоком PWM Generator.
Важной характеристикой ШИР и ШИМ является коэффициент модуляции m. Для ШИР на несущей частоте и трапецеидальной ШИМ коэффициент модуляции задается внутри блоков G PWR и G PWM соответственно, а для синусоидальной ШИМ - в блоке PWM Generator.
Окно настройки блока PWM Generator при реализации ШИР несущей частоте и трапецеидальной ШИМ показано на рис. 5 а, а при реализации синусоидальной ШИМ - на рис. 5 б.
Block Parameters: PWM Generator
PWM b'enerator (mask) (link)
This block generates pulses for carrier-based PWM (Pulse Width Modulation), self-commutated IGBTs,GTOs or FETs bridges.
Depending on the number of bridge arms selected in the "Generator Mode" parameter, the block can be used either for single-phase or three-phase PWM control.
Press Help for details on input(s) and outputs.
See psblphPWM and psb3phPWM demos respectively for application examples of single-phase and three-phase inverters using the discrete version of this block.
Parameters
Generator Mode |3-arm bridge (8 pulses) Carrier frequency (H z):
31
J 5000
i Internal generation of modulating signal(s)
Cancel Help Apply
Block Parameters: PWM Generator
PWM Uenerator (mask) [link]—
This block generates pulses for carrier-based PWM (Pulse Width Modulation), self-commutated IGBTs,GTOsorFETs bridges.
Depending on the number of bridge arms selected in the "Generator Mode" parameter, the block can be used either for single-phase or three-phase PWM control.
Press Help for details on input(s) and outputs.
See psblphPWM and psb3phPWM demos respectively for application examples of single-phase and three-phase inverters using the discrete version of this block.
Parameters Generator Mode Carrier frequency (Hz|
3-arm bridge (6 pulses)
В
15000
p/ Internal generation of modulating signal(s) Modulation index (0<m<1 ) :
I1
Frequency of output voltage (Hz)
[50
Phase of output voltage (degrees)
GK
^ Cancel Help
б
Рис. 5 - Окно настройки параметров блока PWM Generator
В полях окна настройки блока PWM Generator на рис. 5 б задаются следующие параметры:
1) в первом поле Generator Mode - количество плеч инвертора;
2) во втором поле Carrier frequency - несущая частота в герцах;
3) в третьем поле Modulation index - коэффициент модуляции;
4) в четвертом поле Frequency of output voltage -частота опорного напряжения в герцах;
5) в пятом поле Phase of output voltage - начальная фаза опорного напряжения в градусах.
Выбор закона коммутации неразрывно связан с вопросами выбора параметров снаббера и величины напряжения питания. Типовое значение сопротивления снаббера Rs для блока Universal Bridge на IGBT-транзисторах в MatLab установлено равным 10000 Ом, а значение емкости снаббера Cs -бесконечность (inf). При таком сочетании параметров получается чисто активная демпфирующая цепь, состоящая из одного сопротивления Rs.
В [14] предлагается методика расчета параметров снаббера на основании активной мощности нагрузки АИН, линейного напряжения, его частоты и времени дискретизации. При этом указано, что выбор данных параметров гарантирует устойчивое решение. Но, следует учесть, что значения демпфирующих параметров при этом могут отличаться от реальных значений в физической цепи.
При питании ПЧ от трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц и использовании НВ выпрямленное напряжение в звене постоянного тока [15]
Ud = 1,35 • U1, В (1)
где Ui - действующее значение линейного напряжения сети.
Без учета падения напряжения на диодах НВ в соответствии с (1) получим
Ud = 1,35 • 380 = 513 В.
Таким образом, напряжение Ud при использовании УВ не может быть больше этого значения, а регулирование возможно в сторону уменьшения.
Соотношения между действующими значениями фазных, линейных напряжений и напряжением Ud для 120-, 150- и 180-градусного законов коммутации без учета падения напряжения на силовых полупроводниковых элементах АИН приводятся в [8, 15]. С учетом этих соотношений при моделировании меха-тронной системы для различных способов управления силовыми транзисторами АИН устанавливались значения напряжения Ud , приведенные в табл. 1.
Отметим, что при компьютерном моделировании значение напряжения Ud по сравнению с [8, 15] корректировалось так, чтобы при номинальной нагрузке АД действующие значения первых гармоник фазного и линейного напряжения АИН составляли 220 В и 380 В соответственно.
а
Таблица 1
Наименование Наименование величин и параметров Значения величин и параметров
блоков
120-градусный закон коммутации
Ud Amplitude (V) 558
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 0,075
RMS.Id Fundamental 300
frequency (Hz)
150-градусный закон коммутации
Ud Amplitude (V) 518
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 0,075
RMS.Id Fundamental 600
frequency (Hz)
180-градусный закон коммутации
Ud Amplitude (V) 471
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 1000
RMS.Id Fundamental 300
frequency (Hz)
Широтно-импульсное регулирование
на несу ей частоте
Ud Amplitude (V) 513
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 1000
PWM Generator Carrier frequency (Hz) 5000
RMS.Id Fundamental 5000
frequency (Hz)
Синусоидальная широтно-импульсная модуляция
Ud Amplitude (V) 513
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 1000
Carrier 5000
PWM Generator frequency (Hz)
Modulation 1
index
RMS.Id Fundamental frequency (Hz) 5000
Трапецеидальная широтно-импульсная модуляция
Ud Amplitude (V) 513
Snubber
IGBT Inverter resistace Rs (Ohms) 1000
PWM Generator Carrier frequency (Hz) 5000
RMS.Id Fundamental 5000
frequency (Hz)
Из табл. 1 видно, что несущая частота для ШИР и ШИМ задавалась одинаковой - 5000 Гц.
Для ШИР на несущей частоте коэффициент модуляции задавался равным 0,7, а для трапецеидальной ШИМ - 0,882.
Ток, потребляемый АИН от источника постоянного напряжения, будет изменяться с частотой коммутации транзисторов [16]. При 120- и 180-градусном законах коммутации этот ток
изменяется с шестикратной частотой выходного напряжения, при 150-градусном законе коммутации - с двенадцатикратной, а при ШИР и ШИМ - с несущей частотой. В данном случае частота выходного напряжения - 50 Гц. Значения частот коммутации, задаваемые при настройке блока RMS.Id для разных способов управления транзисторами АИН приводятся в табл. 1.
Ранее было показано, что блок 3-Phase Resistance введен в схему для создания искусственной нейтральной точки, относительно которой измеряются фазные напряжения АИН. Поэтому величина активного сопротивления в поле Resistance R окна настройки этого блока задавалась так, чтобы он не оказывал существенного влияния на работу АИН. Как видно из табл. 2, величина этого сопротивления составляет 22000 Ом. При действующем значении фазного напряжения 220 В ток в этом резисторе будет равен 0,01 А.
Таблица 2
Наименование блоков Наименование величин и параметров Значения величин и параметров
3-Phase Resistance Resistance R (Ohms) 22000
Inductance L (H) 0
Capacitance C (F) inf
Three-Phase V-I Measurement Voltage measurement phase-to-ground
Ms Step time 0,75
Initial value 0
Final value 26,7
P1 Q1 Fundamental frequency (Hz) 50
RMS.Uab
RMS.Ua
RMS.Is
RMS.Isw1
Mashines measurement1 Machine type Asynchronous
Rotor currents [ia ib ic] Нет
Stator currents [ia ib ic] Нет
Mashines measurement2 Machine type Asynchronous
Rotor speed (rad/s) or (pu) нет
Electromagnetic torque (N.m) or (pu) нет
Компьютерное моделирование, проведенное с использованием модели мехатронной системы АИН - АД на рис. 4, подтвердило ее работоспособность при всех трех вариантах задания параметров снаббера только для 180-градусного закона коммутации. Моделирование с параметрами снаббера, рассчитанными в соответствии с [14], при 120- и 150-градусном законах коммутации приводит к искажению форм фазных и линейных напряжений. Такой же результат для этих законов коммутации был получен при моделировании с типовыми значениями параметров снаббера, установленными в MatLab для блока Universal Bridge на IGBT-транзисторах. Поэтому в ходе моделирования были подобраны такие параметры снаббера, которые по-
зволяют получить формы фазных и линейных напряжений, близкие к идеальным. Эти значения приводятся в табл. 1. Емкость Snubber capacitance Cs для всех способов управления устанавливалась равной бесконечности (inf).
В табл. 2 приведены параметры, задаваемые в полях окон настроек основных блоков модели на рис. 4.
Методика построения пространственных векторов напряжения и тока статора АД, настройки блоков, перечисленных в приведенном ранее перечне под номерами 14 - 33, рассмотрены в [9] при анализе состава и назначения блоков установки по исследованию трехфазного АД. Поэтому в рамках данной статьи рассматриваться не будут.
Конечное значение Final value в окне настроек блока Ms, равное 26,7 Нм, соответствует номинальному значению для двигателя 4А100L4У3.
Перед началом моделирования необходимо задать параметры расчета через меню Simulation/Simulation Parameters. Окно настройки параметров расчета для модели мехатронной системы АИН - АД показано на рис. 6.
шшт
) Simulation Parameters: ain180ad
Solver J Workspace I/O I Diagnostics | Advanced | Real-Time Workshop | Simulation time
Start time: Stop time: [Ts Solver options
Type: I Variable-step |ode23tb (stiff/TR-BDF2) 3
Max step size: | auto Min step size: | auto Initial step size: | auto
Output options Refine output
Relative tolerance: | auto
Absolute tolerance: auto
"H
Help
Рис. 6 - Окно настройки параметров моделирования процессов в мехатронной системе АИН - трехфазный АД с короткозамкнутым ротором
Обсуждение результатов
Для ДПЧ, питание которого осуществляется от трехфазной сети напряжением 380 В, а в качестве нагрузки используется трехфазный АД с обмоткой статора, соединенной в звезду, на основании результатов моделирования, которые приведены в табл. 1, можем сделать следующие выводы:
1) не могут быть реализованы 120- и 150-градусный законы коммутации, поскольку для этого необходимо напряжение и^ более 513 В;
2) могут быть реализованы 180-градусный закон коммутации, ШИР на несущей частоте, синусои-
дальная и трапецеидальная ШИМ поскольку для этого необходимо напряжение UD не более 513 В.
С помощью предлагаемой модели может быть проведен количественный и качественный анализ электромагнитных и электромеханических процессов в переходных и установившихся режимах работы, исследование динамической механической и рабочих характеристик, анализ спектрального состава и годографов пространственных векторов фазного напряжения и тока АИН при различных способах управления силовыми транзисторами. В модель дополнительно могут быть введены такие алгоритмы управления силовыми транзисторами АИН, как векторная ШИМ и ШИМ по методу «токового коридора». Рассматриваемая модель может быть использована при моделировании и исследовании не только разомкнутых, но замкнутых меха-тронных систем.
Литература
1. В. Г. Макаров, Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода, Вестник Казанского технологического университета. 14. 6, 109 - 120 (2011).
2. В. Г. Макаров, Асинхронный электропривод с оптимальными режимами работы. Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2010. 300 с.
3. С. Г. Герман-Галкин, В. Д. Лебедев, Б. А. Марков, Н. И. Чичерин, Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. Энергоатомиздат, Ленинград, 1986. 248 с.
4. С. Г. Герман-Галкин, Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК. КОРОНА Принт, С.-Петербург, 2002. 304 с.
5. С. Г. Герман-Галкин, Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. КОРОНА Принт, С.Петербург, 2001. 320 с.
6. С. Г. Герман-Галкин, MatLab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. КОРОНА-Век, С.-Петербург, 2008. 368 с.
7. В. Г. Макаров, Моделирование и исследование электроприводов. Ч.1. Разомкнутые системы электропривода. Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2005. 260 с.
8. В. Г. Макаров, Проектирование цифровой системы управления автоматической линии станков. Казан. нац. исслед. технол. ун-т, Казань, 2014. 240 с.
9. В. Г. Макаров, В. А. Гусельников, Модель трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в пакете MatLab. Вестник технол. ун-та. 19. 10, 109 - 112 (2016).
10. А. В. Башарин, Ю. В. Постников, Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Энергоатомиздат, Ленинград, 1990. 512 с.
11. А. Е. Кравчик, Асинхронные двигатели 4А. Энергоиздат, Москва, 1982. 504 с.
12. В. Г. Герасимов, Электротехнический справочник: в 4 т. Т.4. Использование электрической энергии. Издательство МЭИ, Москва, 2004. 696 с.
13. Каталог lGBT-модулей [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elvpr.ru/poluprovodnik-prib/IGBT_CFRD/600V/M6TKI-30-06.pdf.
14. М С. Лурье, О М. Лурье, Имитационное моделирование схем преобразовательной техники. Сиб. гос. техн. ун-т, Красноярск, 2007. 138 с.
15. В. А. Елисеев, А. В. Шинянский, Справочник по автоматизированному электроприводу. Энергоатомиздат, Москва, 1988. 456 с.
16. В. C. Моин, Стабилизированные транзисторные преобразователи. Энергоатомиздат, Москва, 1986. 376 с.
© В. Г. Макаров - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электротехники КНИГУ, electroprivod@list.ru; В. А. Гусельников - магистрант той же кафедры, electroprivod@list.ru; Н. И. Гараев - магистрант той же кафедры, electroprivod@list.ru.
© V. G. Makarov - Doctor of Technical Sciences, Assistant of professor, Head of department of Electric drive and Electrotechnics KNRTU, electro-privod@list.ru; V. A. Guselnikov - undergraduate student of Electric drive and Electrotechnics department KNRTU, electroprivod@list.ru; N. I. Garaev - undergraduate student of Electric drive and Electrotechnics department KNRTU, electroprivod@list.ru.
