РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРОВ  МОДЕЛИ  АСИНХРОННОГО  ПРИВОДА

Иванов  Дмитрий  Сергеевич

магистрант, 
Омский  Государственный  Технический  Университет, 
РФ,  г.  Омск

E-mail:  dmitriy-1992@mail.ru

Долингер  Станислав  Юрьевич

ст.  преподаватель, 
Омский  Государственный  Технический  Университет, 
РФ,  г.  Омск

E-mail: 

THE  CALCULATION  OF  PARAMETERS  OF  THE  ASYNCHRONOUS  DRIVE  MODEL

Dmitry  Ivanov

master  student, 
Omsk  State  Technical  University, 
Russia,  Omsk

Stanislav  Dolinger

lecturer, 
Omsk  State  Technical  University, 
Russia,  Omsk

АННОТАЦИЯ

В  настоящей  работе  был  произведен  расчет  параметров  асинхронного  привода  и  моделирование  его  в  приложении  Simulink  программного  комплекса  MATLAB.  Управление  приводом  будет  осуществляться  через  частотный  преобразователь,  преобразователь  выполнен  на  основе  IGBT  транзисторов.  По  окончанию  моделирования  получили  графики  по  которым  можно  сделать  вывод,  что  модель  выполнена  успешно.

ABSTRACT

In  the  present  work  the  calculation  of  parameters  of  the  asynchronous  drive  and  its  modeling  in  the  Simulink  appendix  of  the  program  complex  MATLAB  was  made.  Control  of  the  drive  will  be  exercised  via  the  frequency  converter,  the  converter  is  implemented  on  the  basis  of  IGBT  transistors.  On  the  end  of  modeling  the  schedules  were  received  through  which  it  is  possible  to  draw  a  conclusion  that  the  model  works.

Ключевые  слова:  асинхронный  привод;  преобразователь  частоты;  диодный  мост;  генератор  импульсов;  IGBT  транзисторы;  Matlab  Simulink.

Keywords:  asynchronous  drive;  frequency  converter;  diode  bridge;  the  pulse  generator;  IGBT  transistors;  Matlab  Simulink.

Большое  распространение  электродвигателей  переменного  тока  для  привода  механизмов  различных  систем  обусловлено  простотой,  надежностью  и  относительно  небольшой  стоимостью  этих  машин.  Основным  недостатком  асинхронных  электродвигателей  с  короткозамкнутым  ротором  является  постоянная  частота  вращения  ротора  электродвигателя,  практически  не  зависящая  от  нагрузки.  Однако  подавляющее  большинство  систем,  элементами  которых  являются  приводимые  электродвигателем  механизмы,  работают  в  режимах  с  переменной  нагрузкой,  что  позволяет  применять  преобразователи  частоты,  которые  позволяют  точно  управлять  скоростью  и  моментом  электродвигателя  по  заданным  параметрам  в  точном  соответствии  с  характером  нагрузки.  Это  в  свою  очередь,  позволяет  осуществлять  точное  регулирование  практически  любого  процесса  в  наиболее  экономичном  режиме,  без  тяжёлых  переходных  процессов  в  технологических  системах  и  электрических  сетях.

Рисунок  1.  Модель  асинхронного  привода

Первый  блок  –  трехфазный  источник  напряжения.

Моделирует  трехфазный  источник  напряжения.  Этот  блок  включает  в  себя  три  источника  переменного  напряжения,  соединенных  в  звезду  с  нулевым  проводом  или  без  него.  Каждая  фаза  источника  обладает  внутренним  активно-индуктивным  сопротивлением.  Внутренние  сопротивления  всех  фазисточника  одинаковы.  Внутреннее  сопротивление  источника  может  быть  задано  непосредственно  с  помощью  значений  сопротивления  и  индуктивности  фазы  или  косвенно,  с  помощью  параметров  короткого  замыкания.  Мы  в  качестве  источника  напряжения  берем  трансформатор  марки  ТМ-630  /10.  Необходимые  параметры  берем  из  справочной  литературы,  и  часть  параметров  рассчитываем  по  приведенным  ниже  формулам. 

Параметры  ТМ-630/10: 

  (1)

  (2)

где:    –  активное  сопротивление  источника,  Ом; 

  –  индуктивное  сопротивление  источника,  Ом; 

  –  мощность  трансформатора,  ; 

  –  напряжение  на  высокой  стороне  трансформатора,  ; 

  –  напряжение  на  низкой  стороне  трансформатора,  ; 

  –  частота,  ; 

  –  потери  холостого  хода,  ; 

  –  потери  короткого  замыкания,  ; 

  –  ток  холостого  хода,  ; 

  –  напряжение  короткого  замыкания,.

Второй  блок  –  диодный  мост.

Моделирует  диодный  мост.  Модель  UniversalBridge  позволяет  выбирать  количество  плеч  моста  (от  1  до  3),  вид  полупроводниковых  приборов  (диоды,  тиристоры,  идеальные  ключи,  а  также  полностью  управляемые  тиристоры,  IGBT  и  MOSFET  транзисторы,  шунтированные  обратными  диодами).  В  этом  блоке  в  качестве  полупроводников  мы  используем  диоды.

Выбираем  диод  по  следующим  параметрам:

(3)

  (4)

где:    –  ток  протекаемый  по  диоду,  А; 

  –  максимально  допустимое  постоянное  обратное  напряжение,  В; 

  –  номинальный  ток  статора,  А;

  –  линейное  напряжение, 

Берем  диод  марки  2Д299ОБ.

(5)

(6)

  (7)

  (8)

  –  внутреннее  сопротивление  диода,  Ом; 

  –  емкость  демпфирующей  цепи,  Ф; 

  –  номинальная  мощность  преобразователя,  Вт; 

  –  сопротивление  демпфирующей  цепи,  Ом; 

  –  импульсный  прямой  ток,  А; 

  –  импульсное  прямое  напряжение,  В; 

  –  основная  частота,  Гц; 

  –  номинальное  напряжение,  В; 

  –  время,  с.

Третий  блок  –  фильтр.

Фильтры  подобного  рода  используются  в  энергетических  системах  для  снижения  искажений  напряжения  и  тока,  а  также  повышения  коэффициента  мощности.

В  этом  блоке  необходима  рассчитать:

  (9)

  (10)

  (11)

где:    –  емкость  фильтра, 

Ф;    –  коэффициент  фильтрации; 

  –  сопротивление,  Ом; 

  –  коэффициент  пульсации; 

;    –  частота  основной  гармоники.

Четвертый  блок  –  IGBT/Диодный  мост.

Моделирует  транзисторный  мост.  Модель  UniversalBridge  позволяет  выбирать  количество  плеч  моста  (от  1  до  3),  вид  полупроводниковых  приборов  (диоды,  тиристоры,  идеальные  ключи,  а  также  полностью  управляемые  тиристоры,  IGBT  и  MOSFET  транзисторы,  шунтированные  обратными  диодами).  В  этом  блоке  в  качестве  полупроводников  мы  используем  IGBT/Diodes.

Выбираем  транзистор  типа  IRG4PH40U.

Параметры  транзистора:

(12)

(13)

  (14)

  –  внутреннее  сопротивление  диода,  Ом; 

  –  емкость  демпфирующей  цепи,  Ф; 

  –  сопротивление  демпфирующей  цепи,  Ом; 

  –  импульсный  прямой  ток,  А; 

  –  номинальная  мощность  преобразователя,  Вт; 

  –  импульсное  прямое  напряжение,  В; 

  –  основная  частота,  Гц; 

  –  номинальное  напряжение,  В; 

  –  время,  с.

Пятый  блок  –  асинхронный  двигатель.

Блок  AsynchronousMachine  моделирует,  асинхронную  электрическую  машину  в  двигательном  или  генераторном  режимах.  Режим  работы  определяется  знакомэлектромагнитного  момента  машины.  Порты  модели  А,  В  и  С  являются  выводами  статорной  обмотки  машины,  а  порты  а,  bи  с  –  обмотки  ротора  машины.  Порт  Тm  предназначен  для  подачи  моментасопротивления  движению.  На  выходном  порту  m  формируется  векторный  сигнал,  состоящий  из  21  элемента:  токов,  потоков  и  напряжений  ротора  и  статоравнеподвижной  и  вращающейся  системах  координат,  электромагнитного  момента,  угловой  частоты  вращения  вала,  а  также  его  углового  положения.  Для  удобства  извлечения  переменных  машины  из  вектора  в  библиотеке  SimPowerSystemsпредусмотрен  блок  MachinesMeasurementDemux.  Модель  асинхронной  машинывключает  в  себя  модель  электрической  части,  представленной  моделью  пространства  состояний  четвертого  порядка,  и  модель  механической  части  в  виде  системывторого  порядка.  Все  электрические  переменные  и  параметры  машины  приведены  к  статору.  Исходные  уравнения  электрической  части  машины  записаны  длядвухфазной  (dq-оси)  системы  координат.  На  рис.  2  приведена  схема  замещения  машины.

Рисунок  2.  Схема  замещения  машины

Уравнения  электрической  части  машины  имеют  вид:

(15)

  (16)

(17)

(18)

  (19)

Механическая  часть  машины  описывается  двумя  уравнениями:

  (20)

  (21)

где:    –  проекция  напряжения  на  ось  q; 

  –  проекция  напряжения  на  ось  d; 

  –  проекция  напряжения  на  ось  q; 

  –  проекция  напряжения  на  ось  d; 

  –  электромагнитный  момент; 

  –  проекция  переменной  на  ось  d; 

  –  проекция  переменной  на  ось  q; 

  –  индекс,  обозначающий  параметр  или  переменную  ротора; 

  –  индекс,  обозначающий  параметр  или  переменную  статора.

Выбираем  асинхронный  двигатель  марки  4А180М2Н3  [3,  с.  27].

Параметры  асинхронной  машины  рассчитываются  последующим  выражениям:

(22)

(23)

  (24)

  (25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)(36)

где:  –  номинальное  фазное  напряжение,  В; 

  –  частота  вращения  магнитного  поля  (синхронная  частота  вращения),  об/мин; 

  –  номинальное  скольжение; 

  –  критическое  скольжение; 

  –  угловая  частота  вращения  магнитного  поля  (синхронная  частота),  рад/с; 

  –  номинальная  угловая  частота  вращения  вала,  рад/с; 

  –  номинальный  момент,  Нм; 

  –  пусковой  момент,  Нм; 

  –  максимальный  момент,  Нм; 

  –  механические  потери,  Вт; 

  –  расчетный  коэффициент; 

  –  приведенное  активное  сопротивление  ротора,  Ом; 

  –  активное  сопротивление  статора,  Ом; 

  –  приведенная  индуктивность  рассеяния  статораи  ротора,  Гн; 

  –  индуктивность  статора,  Гн; 

  –  индуктивность  цепи  намагничивания,  Гн.

Шестой  блок  –  функция.

Блок  Fcn  моделирует  нагрузочную  характеристику  двигателя,  вращающий  момент  в  функции  скорости  двигателя.  Мы  примем  квадратичную  характеристику  вращающий  момент  в  функции  скорости  двигателя  (т.  е.  нагрузка  будет  вентиляторная  илинасосная).  Вращающий  момент  тогдапропорционален  квадрату  скорости  .

(37)

(38)

  –  выражение  для  вращающего  момента  в  функции  скорости.

где:    –  номинальный  момент,  Нм; 

  –  номинальная  угловая  частота  вращения  вала,  рад/с; 

  –  постоянная.

Седьмой  блок  –  генератор  импульсов.

БлокDiscretePWMGeneratorblock  осуществляет  управлениемостовым  инвертором.  Выходные  импульсы  вектора  (со  значениями  =  0  или  1).  Выбираем  режим  генератора  –  трех  фазный  мост.  В  этом  случае  выходной  вектор  содержит  6  импульсов.  Импульсы  1,3  и  5  соответственно  для  верхних  выключателей  первого,  второго  и  третьего  плеча,  а  импульсы  2,4  и  6  для  нижних  переключателей.

Устанавливаем  следующие  параметры:  –  несущая  частота,  Гц;    –  типовое  время,  с;  –  показатель  модуляции;    –  частота  выходного  напряжения,  Гц;  –  фаза  выходного  напряжения,  град.

Восьмойблок  –  фурье.

Блок  fourier  измеряет  основную  составляющую  (50Гц),  входящую  внесинусоидальное  напряжение    и  в  ток  фазы  А.

Параметры  блока:    –  основная  частота,  Гц;    –  номер  гармоники;-  датчик  напряжения.

Девятый  блок  –  фурье.

Блок  fourier  измеряет  ток  фазы.  Selector  –  переключатель.

Десятый  и  одиннадцатый  блоки  –  осциллографы.

Блок  Scope  используем,  чтобы  отобразить  мгновенное  напряжение  двигателя,мгновенные  токи,  скорость  и  электромагнитный  моменти  чтобыотобразить  основную  гармонику  напряжения    и  тока  .

Параметры  блока:  –  число  графиков;    –  временной  интервал,  с.

В  данной  статье  предоставлен  расчет  параметров  модели  асинхронного  привода,  правильность  расчетов  отображают  ниже  приведенные  рисунки.

Рисунок  3.  Мгновенное  напряжение

Рисунок  4.  Мгновенные  токи

Рисунок  5.  Скорость

Рисунок  6.  Электромагнитный  момент

Список  литературы:

1. Кузнецов  М.С.  Модернизация  частотно-регулируемых  асинхронных  электроприводов  серии  ЭЧР  при  ограниченном  информационном  обеспечении:  Автореферат  дис.  на  соискание  ученой  степени  канд.  тех.  наук-  Санкт-Петербург.  2007,  –  18  с.
2. Справочник  по  полупроводниковым  диодам:  [Электронный  ресурс].  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://www.volt-220.com/images/book/diod.pdf  (дата  обращения:  20.10.2015).
3. Кравчик  М.М.,  Шлаф  В.И.,  Афонин  Е.А.  Асинхронные  двигатели  серии  4А:  Справочник  –  М.:  Энергоаудит,  1982.  –  С.  25–86.
4. Черных  И.В.  Моделирование  электротехнических  устройств  в  MATLAB,  SimPowerSystemsи  Simulink.  –  М.:  ДМК  Пресс;  СПб.:  Питер,  2008.  –  288  с.
5. Power  System  Blockset  User’s  Guide  COPYRIGHT1998  –  2000  by  TEQSIM  International  Inc.,  a  sublicense  of  Hydro-Quebec,and  The  Mathworks  Inc.  –  483  c.,  авторперевода  Гнедин  П.А.