МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СЕТЬЮ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В настоящее время в центре по глубокой переработке древесины, расположенном в г. Амурск, эксплуатируются автоматизированные линии по производству шпона. Эксплуатируемые линии являются сложными устройствами, в состав которых входит электропривод.

Цель работы - исследование возможности повышения надёжности оборудования, экономии электроэнергии генерируемой электродвигателями электропривода в режиме генераторного торможения.

Актуальность данной темы заключается в следующих моментах: в настоящее время необходимо повышать надёжность автоматизированных линий для обеспечения их бесперебойной работы, повышать качество питающего напряжения и снижать расход потребляемой электроэнергии.

В статье рассматривается возможность решения задачи, направленной на экономию электроэнергии, за счёт применения схемы электропитания электропривода, входящего в состав автоматизированных линий, от одного общего источника постоянного тока, приведены результаты математического моделирования комплекса электропривода с промежуточной сетью постоянного напряжения КЭсПСПН в среде МATLAB.

В процессе эксплуатации автоматизированных линий по производству шпона был выявлен ряд недостатков, влияющих на бесперебойную работу. Отсутствие у части частотных преобразователей электропривода внешних тормозных резисторов приводит к тому, что происходит срабатывание встроенной в преобразователи частоты защиты от перенапряжения в звене постоянного тока по причине повышения напряжения на электролитическом конденсаторе фильтра электропитания, включенном на выходе выпрямителя. Срабатывание защиты приводит к техническим остановкам и простоям оборудования. Повышение напряжения на конденсаторе происходит в следствии перехода двигателей электропривода в генераторный режим под воздействием внешних сил инерции создаваемых движущимися частями механизмов.  В ходе научно-исследовательской работы производилось математическое моделирования комплекса электропривода с общим источником постоянного тока, используемого для электропитания автономных инверторов, входящих в состав деревообрабатывающей линии.

На рисунке 1 представлена структура математической модели частотного преобразователя, используемого в деревообрабатывающей линии.

Рисунок 1. Структура математической модели частотного преобразователя.

В состав модели частотного преобразователя входят: силовой модуль PWM IGBT Inverter, управляемый широтно-импульсный генератор Discrete PWM Generator, формирователь опорного сигнала. На входе автономного инвертора АИН установлен конденсатор СF фильтра, с расчётной емкостью соответствующий максимальной нагрузке АИН.

Регулировочная характеристика формирователя опорного сигнала подчиняется закону  = const. На рисунке 2 приведена структура формирователя опорного сигнала.

Рисунок 2. Структура формирователя опорного сигнала

Блок формирования опорного сигнала формирует на своём выходе опорное трёхфазное напряжение амплитуда которого зависит от задания по частоте. Формирователь реализован функцией F3 формирующей на своём выходе синусоидальный опорный сигнал амплитуда которого изменяется по закону

,

где: - циклическая частота, являющаяся входным параметром формирователя Fcn.

Формирование синусоидального сигнала сдвинутого на 120˚ по отношению к  осуществляется функцией F4 по закону:

,

В функции F5 происходит формирования синусоидального сигнала  сдвинутого на 240˚по отношению к  по следующему закону:

,

Вычисление циклической частоты  производится в функции F1:

,

где: - значение задания выходной частоты АИН в Гц являющееся входным аргументом функции F1.

Для получения выходной характеристики АИН  = conct использована функция  F2 в которой вычисляется зависимость U от f:

,

где: =;

 =1 – максимальное значение амплитуды синусоидального сигнала при максимальной частоте =50Гц формируемое формирователем опорного сигнала.

На выходах умножителей mult1- mult3 формируются опорные синусоидальные сигналы подчинённые закону  = conct, управляющие ШИМ генератором PWM generator автономного инвертора PWM IGBT inverter. На входе АИН установлен конденсатор СF фильтра с расчётной емкостью соответствующей нагрузке АИН.

С целью анализа изменения значения напряжения на конденсаторе С фильтра в звене постоянного напряжения приведён вариант моделирования ситуации в модели частотного преобразователя когда электродвигатель подключенный к выходу частотного преобразователя переводится в режим генераторного торможения.

Структура модели частотного преобразователя представлена на рисунке 3

Рисунок 3. Структура модели частотного преобразователя

В модели представленной на рисунке 3 исключён тормозной блок, состоящий из тормозного резистора и транзистора, необходимый для гашения избытка напряжения на конденсаторе с целью анализа изменения значения напряжения в звене постоянного напряжения.

На рисунке 4 представлены графики зависимости напряжения на конденсаторе СF (а) и потребляемого тока от источника электропитания в момент перевода электродвигателя в генераторный режим торможения (б) и режима наброса механической нагрузки (в), полученные в результате математического моделирования в среде Matlab

График а.

График б.

График с.

Рисунок 4. Графики зависимости напряжения на конденсаторе СF (а) и потребляемого тока (б) и режима наброса механической нагрузки (в).

В процессе моделирования режима торможения задание выходной частоты преобразователя изменялось с 50 на 20 Гц, к валу электродвигателя прилагался тормозной момент в 10 N/m, в результате симуляции режима генераторного торможения напряжение, на электролитическом конденсаторе СF в звене постоянного напряжения за интервал времени в 0,3 сек увеличивался до 600В, что является превышением максимально допустимого значения напряжения на конденсаторе.

С целью доказательства возможности реализации комплекса электропривода, состоящего из нескольких автономных инверторов, подключенных к общему звену постоянного напряжения, составлена модель, представленная на рисунке 5. В данной модели исследована возможность потребления энергии, генерируемой частью электродвигателей находящимися в режиме динамического торможения, другими электродвигателями, работающими в двигательном режиме.

В состав математической модели входят следующие элементы: источник трёхфазного напряжения, понижающий трансформатор, трёхфазный выпрямитель сеть постоянного напряжения, сглаживающий дроссель L, автономные инверторы АИН1-АИН5 нагруженные асинхронными электродвигателями.

Рисунок 5. Структура модели комплекса электроприводов с промежуточной сетью постоянного напряжения

В данной модели использованы 5 автономных инверторов различной мощности и заданием частоты, подключенные своими входами к общему источнику постоянного напряжения, реализованному на основе 6- пульсного выпрямителя. Параметры источника электроснабжения приближенны к реальным.

В математической модели комплекса электропривода, с промежуточной сетью постоянного напряжения, использованы электродвигателя, мощность которых соответствует реальной мощности электродвигателей установленных в узле распиловки  автоматизированной деревообрабатывающей линии.

Для перевода АИН в режим генераторного торможения использованы блоки механической нагрузки, автоматически изменяющие значения механической нагрузки приложенной к валу двигателя в течении времени исследования переходных процессов. Для реализации режима динамического торможения с рекуперацией энергии в промежуточную сеть постоянного напряжения блоки механической нагрузки формируют значение отрицательной нагрузки, что соответствует режиму действия внешних сил инерции на вал электродвигателя.

Оценка параметров производится следующими измерительными приборами: Scope1- измерение значения напряжения и тока на выходе общего выпрямителя, Scope2- измерение значения силы тока. потребляемого автономными инверторами, Scope3 измерение значения механической нагрузки, создаваемой блоками механической нагрузки.

На рисунке 6 представлен результат моделирования режима, в котором АИН1 и электродвигатель М1 работает в режиме потребления электроэнергии, двигателя М2-М5 в режиме динамического торможения. Из представленного графика видно, что напряжение на шинах промежуточного звена напряжения не превышает допустимой нормы в процессе режимов динамического торможения электродвигателей. В процессе моделирования использована жёсткая динамика торможения, режим торможения и наброса нагрузки изменялся скачкообразно. Таким образом полученный результат является доказательством возможности практической реализации подобных многодвигательных систем электропривода, без использования внешних тормозных резисторов.

Рисунок 6. График зависимости напряжения в общем звене постоянного напряжения от нагрузки электродвигателей.

В процессе динамического торможения в системе комплекса электропривода с промежуточным звеном постоянного напряжения происходит взаимный энергообмен между автономными инверторами, двигателя которых периодически переходят из режима генерации электроэнергии в режим потребления. На рисунке 7 представлены графики протекания токов между автономными инверторами через общее звено постоянного напряжения и между источником напряжения постоянного тока и общим звеном постоянного напряжения. Из графиков видно, что в моменты времени, совпадающие с моментом перехода электродвигателей в режим торможения направление тока имеет отрицательное значение, а ток потребляемый от общего выпрямителя уменьшается, что подтверждает наличие энергообмена между элементами модели.

Рисунок 7. Графики протекания токов между автономными инверторами.

Данная исследовательская работа была выполнена в рамках магистерской диссертации с целью изучения возможностей построения систем электропитания электропривода с применением схемы питания от общего источника тока и доказала возможность практической реализации подобных систем.

Список литературы:

1. Автоматическое управление электротермическими установками / Под ред. А.Д. Свенчанского. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 416 с.
2. Актуальность проблемы энергосбережения в системе водоснабжения// Ежемесячная газета «Новости приводной техники».— М., 2001. — №6.-№6-7.
3. Бабокин Г. И. Энергосбережение в электроприводе конвейера // Изв. вузов. Горный журнал. — 2002. — № 1. — С. 122—125.
4. Браславский И. Я., Зубрицкий О. Б., ОльковА.Е. Энергетика регулировочных режимов асинхронного электропривода при потенциальном моменте нагрузки // Изв. вузов. Электромеханика. — 1975. — № 1. — С. 82—