Исследование динамических характеристик электроприводов постоянного тока при различных способах возбуждения (стр. 1 из 6)

Введение

Современные автоматизированные электроприводы представляют собой сложные динамические системы, включающие в себя различные линейные и нелинейные элементы (двигатели, генераторы, усилители, полупроводниковых и другие элементы), обеспечивающие в своем взаимодействии разнообразные статические и динамические характеристики.

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.


Теория регулируемого электропривода, насчитывающая уже ни один десяток, лет, постоянно совершенствуется вместе с совершенствованием конструктивных решений. Особенно интенсивное развитие она получила в последнее время благодаря усовершенствованию традиционных и созданию новых силовых управляемых полупроводниковых приборов, интегральных схем, развитию цифровых информационных технологий и разработке разнообразных систем микропроцессорного управления.

Современные компьютерные технологии, в основе которых лежат прикладные пакеты, предоставляют возможность более глубокого изучения вопросов; связанных с проектированием полупроводникового электропривода. Они позволяют качественно изменить и существенно улучшить технологию изучения, перевести ее в виртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной лаборатории необходимые исследования с получением количественных результатов.

В настоящее время имеется обширная литература по теории электропривода. С другой стороны, имеется литература по прикладным пакетам. Однако практически отсутствуют работы, в которых теоретические вопросы регулируемого электропривода исследовались бы с привлечением компьютерных прикладных программ.

Правда, в последнее время появилось много хороших книг, посвященных прикладным техническим пакетам, но в основе их лежит сам пакет; конкретные примеры, приведенные в этих монографиях, призваны демонстрировать возможности пакета и компьютера.

Литература по силовым полупроводниковым преобразователям, предназначенным для управления электрическими машинами в системах электропривода, нуждается в постоянной корректировке, поскольку совершенствуются предмет и методы исследования. Силовые полупроводниковые преобразователи, существенно улучшая энергетику, позволяют реализовать (конечно, при современном микропроцессорном управлении) качественно новые способы регулирования электрическими машинами. При этом классические машины при управлении от полупроводникового преобразователя приобретают новые свойства и качественно новые, лучшие характеристики. Силовые полупроводниковые преобразователи позволяют также реализовать новые конструктивные и технологические решения, обладающие свойствами, недоступными классическому электроприводу.

Современный электропривод с использованием полупроводниковых узлов (далее – «полупроводниковый электропривод») состоит из трех основных отличных частей:

1.Силовая преобразовательная часть, содержащая силовой полу проводниковый преобразователь. Основная функция заключается в преобразовании электрической энергии между источником питания и электрическим двигателем.

2.Электромеханическая часть, содержащая рабочий механизм, соединенный посредством механической передачи с электрическим двигателем.

3.Информационная (управляющая) часть, служащая для управления силовым полупроводниковым преобразователем и обеспечивающая заданные свойства электроприводу.

Представим очень короткий обзор современных прикладных пакетов, которые могут быть использованы для проектирования полупроводникового электропривода.

В первую очередь следует отметить пакет MatLab с широко развитыми дополнениями (Toolboxes), из которых ToolboxSimulinkнаиболее приспособлен для анализа и синтеза различных систем.

Пакет Simulink со своими дополнениями – основной инструмент изучения различных электромеханических систем, используемый в данной монографии. Я не встретил ни одной задачи, связанной с исследованием систем электропривода, которую нельзя было бы решить в этом пакете.

Simulink предоставляет исследователю самые различные возможности, начиная от структурного (математического) представления системы и кончая генерированием кодов для программирования микропроцессора в соответствии со структурной схемой модели.

Рисунок 1. Виртуальная модель энергосистемы в пакете Simulink

вал двигатель электропривод преобразователь

Представленная на рис. 1 модель (файл psbturbine из библиотеки Powerdemos) наглядно демонстрирует уровень сложности задач, которые можно исследовать в пакете Simulink. Это модель электромеханической системы мощностью 220 МВА, состоящей из гидротурбины (блок HTG), синхронного генератора (блок. SynchronousMachine), трёхфазного трансформатора (блок Three-PhaseTransformer) и различного вида нагрузок. Система работает параллельно с энергосетью мощностью 10 000 МВА. Модель (рис. 1) позволяет исследовать переходные и установившиеся режимы гидроэлектростанции с синхронным генератором, имеющим систему управления возбуждением (блок ExcitationSystem).

Специально для решения задач проектирования электронных блоков систем электропривода в настоящее время также разработано значительное количество прикладных компьютерных пакетов.

Для исследования и проектирования хорошо зарекомендовали себя прикладные пакеты, в основе которых использовался пакет Pspice. КэтимпакетамотносятсяOrCAD9 Realise, DesighnLab, Worbench, CircuitMarkerидругие.

Для изучения и анализа несложных схем привлекательным является пакет Workbench, который по существу представляет собой виртуальную лабораторию с достаточно широкими возможностями.

Гораздо более широкими возможностями обладает пакет OrCAD9, объединивший в себе возможности анализа, синтеза, расчёта и конструирования электронных схем и обладающий к тому же очень обширной библиотекой (более 200 тыс.) электронных компонентов.

Следует остановиться еще на одном пакете. Это пакет TCAD, разработанный и достаточно широко используемый в Польше, не получил широкого распространения в мире, не очень удобен при исследовании полупроводниковых преобразователей и систем электропривода.

Одна из, основных проблем, на которую наталкивается исследователь полупроводникового электропривода, является проблема декомпозиции. Дело в том, что различные процессы в системе имеют разный масштаб времени. Например, переходные процессы в электромеханической части системы протекают в течение единиц – десятков секунд, а электромагнитные переходные процессы при переключении силовых транзисторов длятся микросекунды, Как видим, разница в длительности процессов здесь составляет девять порядков.

В настоящее время нет прикладных пакетов, которые позволили бы исследовать систему с одновременным учётом тех и других переходных процессов. Однако и те, и другие оказывают существенное влияние на характеристики системы и должны быть учтены.

Решение этой проблемы базируется на разделении (декомпозиции) системы в пространстве и во времени, с обоснованным выбором на каждом шаге определённой модели, а иногда и отдельного прикладного пакета. Задачи проектирования полупроводникового электропривода с достаточной точностью решаются в пакете MatLab, Simulink. Поэтому он и выбран в качестве средства моделирования в дипломной работе.


1. Основные понятия термины и определения

Электропривод (рис. 1.1) – это электромеханическая система, состоящая из электрической машины (ЭМ), связанной посредством механической передачи (редуктор (Р) с рабочим механизмом (РМ), силового преобразователя (СП), системы управления (СУ), блока сенсорных устройств (БСУ), которые обычно играют роль датчиков обратной связи по основным переменным состояния электропривода, вторичных источников питания (ВИП), обеспечивающих напряжение питания СУ, БСУ и входных цепей СП, и источника электрической энергии (ИЭЭ).

Рисунок 1.1. Блок-схема электропривода.

В качестве СП в дальнейшем рассматриваются лишь силовые полупроводниковые преобразователи. Они выполняют, во-первых, согласование электрических параметров источника электрической энергии (напряжение, частота) с электрическими параметрами электрической машины и, во-вторых – регулирование электрических параметров машины. Известно, что для управления скоростью вращения и моментом электрической машины необходимо регулировать электрические параметры на её входе. Система управления (СУ) предназначена для управления СП, она обычно строится на микросхемах либо микропроцессоре. На вход СУ подается сигнал задания U з и сигналы отрицательных обратных связей от БСУ. Система управления, в соответствии с заложенным в нее алгоритмом, вырабатывает сигналы управления СП, управляющего электрической машиной.