Терехин. Учебное пособие

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.1. Машина постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.1.1. Исследования модели двигателя в Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.1.2. Модернизированная модель двигателя постоянного тока . . . . . .22 1.2. Машина переменного тока (асинхронная) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

1.2.1.Математическое описание обобщенной асинхронной машины .37

1.2.2.Определение параметров схемы замещения

асинхронной машины по данным каталога . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 1.2.3. Исследование модели асинхронного двигателя в Simulink . . . . . .59 1.2.4. Исследование модернизированной модели

асинхронного двигателя в Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 1.2.5. Разработка структуры асинхронного двигателя в Simulink . . . . . .71 1.3. Нереверсивные тиристорные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 1.3.1. Двухфазный тиристорный преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

1.3.2. Нереверсивный мостовой трёхфазный тиристорный преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

1.3.3. Нереверсивный нулевой трёхфазный тиристорный преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

1.4. Реверсивные тиристорные преобразователи с совместным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

1.4.1. Реверсивный двухфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

1.4.2. Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116

1.4.3. Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением по нулевой схеме . . . . . . . . . . . . . . . .119

1.5. Реверсивные тиристорные преобразователи с раздельным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

1.5.1. Модель логического переключающего устройства . . . . . . . . . . . .121 1.5.2. Модель датчика состояния тиристоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123

1.5.3.Модель переключателя характеристик (полярности сигнала) . .124

1.5.4.Реверсивный двухфазный тиристорный преобразователь

с раздельным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 1.5.5. Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь

с раздельным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128

3

1.6. Транзисторные широтно импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

1.6.1. Симметричный способ управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 1.6.2. Несимметричный способ управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 1.7. Преобразователи частоты (автономные инверторы) . . . . . . . . . . . . . . .139 1.7.1. Разомкнутый способ реализации ШИМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 1.7.2. Замкнутый способ реализации ШИМ (токовый коридор) . . . . .142

2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 2.1. Разомкнутые . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 2.1.1. Автоматическое управление в функции времени . . . . . . . . . . . . .147 2.1.2. Автоматическое управление в функции скорости . . . . . . . . . . . .151 2.1.3. Автоматическое управление в функции тока . . . . . . . . . . . . . . . . .152 2.2. Замкнутые нереверсивные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 2.2.1. Тиристорные электроприводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 2.2.2. Транзисторные электроприводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157 2.3. Замкнутые реверсивные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172

2.3.1. Тиристорные электроприводы с совместным управлением по нулевой схеме включения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172

2.3.2. Тиристорные электроприводы с раздельным управлением . . . .180

3. РАЗОМКНУТЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА . . . . . .191 3.1. Мягкие частотный пуск и остановка асинхронного двигателя . . . . . .191

4. ЧАСТОТНО ТОКОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195

4.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195

4.2.Математическое описание векторного управления двигателем . . . . .197

4.3.Оптимизация и имитационное исследование

в Simulink контура тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206 4.3.1. Расчёт параметров регулятора тока

при идеальном источнике тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206 4.3.2. Исследование влияния насыщения регулятора, квантования

сигнала токовой обратной связи по уровню и времени . . . . . . . .210

4.3.3.Исследование влияния реальных свойств преобразователя частоты на статические

и динамические свойства контура тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 4.4. Оптимизация и имитационное исследование

в Simulink контура потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218 4.4.1. Расчёт параметров регулятора потока

при идеальном источнике тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218

4.4.2.Исследование влияния насыщения регулятора, квантования и задержки сигнала обратной связи,

способа реализации источника тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 4.5. Оптимизация и имитационное исследование

в Simulink контура скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226

4

4.5.1. Расчёт параметров регулятора скорости при идеальном источнике тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226

4.5.2. Исследование влияния насыщения регуляторов, квантования и запаздывания сигнала обратной связи . . . . . . . . .230

4.5.3. Исследование влияния способа реализации источника тока (инвертора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237

4.6. Имитационное моделирование структуры электропривода переменного тока с векторным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 4.6.1. Моделирование в Simulink при реализации инвертора

с широтно импульсным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 4.6.2. Моделирование в Simulink при реализации инвертора

с релейным управлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 4.6.3. Моделирование структуры электропривода

с векторным управлением с выводом тока статора в неподвижной системе координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254

5. ВИРТУАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 5.1. Разработка на основе инвертора

с широтно импульсной модуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257

5.1.1.Реализация источника питания инвертора в виде батареи . . . . .257

5.1.2.Реализация источника питания инвертора

в виде выпрямителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268 5.2. Разработка на основе инвертора с релейным управлением . . . . . . . . .274

5.2.1.Реализация источника питания инвертора в виде батареи . . . . .274

5.2.2.Реализация источника питания инвертора

в виде выпрямителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .291

5

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные технологии прочно закрепились в высшей школе и широко используются не только для оформления текстовой и графической частей учебных работ, но и для изучения и исследования сложных систем и процессов. Совершенно очевидно, что качество подготовки специалистов зависит от применяемого многообразия форм и методов представляемого учебного материала. Натурное изучение и исследование остаётся предпоч тительной формой подготовки, но не может быть обеспечено в полной ме ре, особенно при изучении специальных дисциплин.

Цель работы состоит в предоставлении возможности изучения, про ектирования и исследования элементов автоматизированного электропри вода постоянного и переменного тока и электроприводов в целом с приме нением программного продукта Matlab 7.0.1 (Simulink). Отличительной особенностью пособия является представление разработанных в Simulink моделей элементов и приводов постоянного и переменного тока. Студент имеет возможность приступить к изучению интересующего привода на ос нове предлагаемых моделей, предварительно произвести необходимые для проектирования исследования и выполнить разработку на высоком техни ческом уровне. Так как при разработке моделей большинство используе мых элементов из библиотеки Simulink модернизированы, то предлага емые модели в пособии работоспособны только в Matlab 7.0.1.

Пособие состоит из пяти глав.

Первая глава посвящена моделированию двигателей и элементов ав томатизированного электропривода постоянного и переменного тока.

Во второй главе рассматриваются модели разомкнутых и замкнутых электроприводов постоянного тока.

Втретьей главе приведён пример модели разомкнутого электропри вода переменного тока с преобразователем частоты, управляемого задат чиком интенсивности.

Вчетвёртой главе приведены модели структуры электропривода пе ременного тока с векторным управлением.

Впятой главе рассматриваются виртуальные асинхронные электро приводы с векторным управлением. Применено широтно импульсное и релейное управление инверторами. Включены в модель источник пита ния и цепь гашения энергии, отдаваемой электрическим двигателем в тормозных режимах.

6

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1.Машина постоянного тока

1.1.1.Исследования модели двигателя в Simulink

Модель машины постоянного тока (двигателя) находится в би блиотеке SimPowerSystems в разделе Machines. Изображение двигателя постоянного тока представлено на рис. 1.1, а модель его в Simulink – в файле Fig 1_1.

DC Machine

Выводы F+ и F– служат для подключения напряжения возбужде ния в целях создания магнитного потока в машине. Выводы A+ и A– используются для подключения обмотки якоря на силовой источник питания. Активная нагрузка на двигатель вводится через виртуальный вход TL. Выходные параметры двигателя: частота вращения ω, ток об мотки якоря Ia, ток возбуждения If и электромагнитный момент Te фор мируются на мультиплексорной шине m. Чтобы получить доступ к вы ходным параметрам, необходимо использовать демультиплексор на че тыре выхода и соединить его вход с точкой m. Тогда на первом (верх нем) выходе действует частота вращения, на втором – ток обмотки яко ря, на третьем – ток возбуждения и на четвёртом – электромагнитный момент двигателя.

7

Рис. 1.2. Диалоговое окно ввода параметров двигателя

Ввод параметров двигателя осуществляется через диалоговое окно (графический интерфейс), которое открывается двойным щелчком по изображению двигателя в схеме модели на Fig 1_1 (рис. 1.2). В Simulink имеется небольшая библиотека двигателей постоянного тока в виде 23 вариантов, из которых 21–23 не вызываются. На рис. 1.2 показаны данные двигателя по 20 му варианту:

•Ra – активное сопротивление цепи якоря, включающее сопротив ление обмотки якоря, сопротивление щёточно коллекторного уз ла и активное сопротивление обмотки дополнительных полюсов. Величина суммарного сопротивления якорной цепи, если нет дан ных, приближенно определяется по формуле:

Ra = 0,5(1−ηí ) Uí ;

Ií

•La – индуктивность рассеяния цепи обмотки якоря, включающее индуктивность рассеяния обмотки якоря и индуктивное сопротив ление обмотки дополнительных полюсов. Если нет данных, ин дуктивность рассеяния якорной цепи двигателя может быть вычи слена по приближенной формуле:

La =γ Uí , pωí Ií

где Uн – номинальное напряжение обмотки якоря двигателя; Iн – номинальный ток обмотки якоря; ωн – номинальная частота

8

вращения якоря; р – число пар полюсов двигателя; γ – коэффици ент; γ= 0,6 – для некомпенсированных машин; γ= 0,25 – для ком пенсированных машин;

•Rf – активное сопротивление обмотки возбуждения двигателя;

•Lf – индуктивность обмотки возбуждения двигателя. Ее можно определить по кривой намагничивания цепи возбуждения при из вестном значении числа витков катушки полюса Wв как

•Laf – взаимная индуктивность обмоток возбуждения и обмотки якоря двигателя. Определяется взаимная индуктивность по номи нальным параметрам двигателя как

Е – противоэдс двигателя; Ufн – номинальное напряжение возбуждения; J – приведенный к валу двигателя момент инерции, включающий мо мент инерции двигателя и момент инерции производственного меха низма; Bm – коэффициент, с помощью которого вводится на вал двига теля реактивный момент сопротивления, определяемый как Tm = Bm.ω; Tf – реактивный момент сопротивления. Однако, этот параметр, вводи мый через диалоговое окно (см. рис. 1.2), моделью не воспринимается в связи с принципиальной ошибкой моделирования реактивного момен та сопротивления. К этому вопросу мы вернёмся позже.

Следует отметить, что редактирование вводимых параметров (из менение числовых значений) возможно только тогда, когда в строке Preset model (рис. 1.2) будет выбрана процедура No.

Рассмотрим структуру модели двигателя, открыв файл Fig 1_1 и динамическое меню двойным щелчком правой кнопкой мыши (рис. 1.3), ориентируя курсор на изображение двигателя. Выбираем команду Lock Under Mask и раскрываем структуру модели двигателя (рис. 1.4).

Структура включает датчик тока обмотки якоря iA и датчик тока обмотки возбуждения iF. Элементы iA, iF, Ra, La, FCEM (управляемый ис точник напряжения), Rf, Lf входят в состав библиотеки SimPowerSystems.

9

Все остальные блоки структуры (рис. 1.4) реализованы на элементах, входящих в библиотеку Simulink. Раскроем блок Mechanics двойным щелчком мыши (рис. 1.5). Блок Mechanics выполняет моделирование момента и скорости.

Рис. 1.4. Структура модели двигателя постоянного тока

10