Пояснительная записка (1222534), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Рисунок 2.8 – График изменения значения электромагнитного момента двигателя с течением времени

Из результатов моделирования видно, что при прямом пуске на холостом ходу и при приложении нагрузки наблюдаются значительные колебания момента и скорости.

2.3 Проектирование силовой цепи электровоза 2ЭС5

Согласно технической документации, одна секция локомотива 2ЭС5 имеет четыре тяговых двигателя, которые получают питание от индивидуального источника трехфазного напряжения. Для моделирования силовой цепи электровоза на одном рабочем поле программы Matlab устанавливаются четыре модели асинхронных двигателей (Тяговый асинхронный двигатель–Тяговый асинхронный двигатель 3), которые будут получать электрическое питание от четырех трехфазных инверторов (IGBT Inverter). В свою очередь, инверторы получают электрическую энергию от источника постоянного тока. В виртуальной силовой схеме электровоза 2ЭС5 (рисунок 2.9) применяется общий генератор импульсов (Pulse Generator), а также общее заземление (Ground). Это упрощение позволяет исключить загромождение электрической схемы, а также компьютерная модель будет быстрее загружаться при моделировании.

3 СОЗДАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

3.1 Анализ системы управления асинхронным приводом

Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации. Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).

Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Для осуществления возможности регулирования момента и скорости в современных электроприводах используются следующие методы частотного управления, такие как:

- векторное;

- скалярное.

Наибольшее распространение в приводах компрессоров, вентиляторов, насосов и прочих механизмов получили асинхронные электроприводы со скалярным управлением. Однако для вращения более мощного агрегата (например, тяговый двигатель электровоза переменного тока) в мире применяется векторное управление с широтно-импульсной модуляцией.

Преимущества векторного метода управления асинхронным двигателем:

- высокий уровень точности при регулировании скорости вращения вала, несмотря даже на возможное отсутствие датчика скорости;

- осуществление вращения двигателя на малых частотах происходит без рывков, плавно;

- если установлен датчик скорости, то можно достичь номинального значения момента на валу даже при нулевом значении скорости;

- быстрое реагирование на возможное изменение нагрузки – резкие скачки нагрузки практически не отражаются на скорости электропривода;

- высокий уровень КПД двигателя, за счет сниженных потерь из-за намагничивания и нагрева.

Несмотря на очевидные преимущества, метод векторного управления имеет и определенные недостатки – большая сложность вычислений, для работы необходимо знание параметров двигателя. Однако именно векторный способ регулирования позволяет регулировать момент на валу двигателя, изменять скорость по жесткой характеристике двигателя. Поэтому, в качестве способа регулирования асинхронным приводом электровоза 2ЭС5 «Скиф» принимается векторное регулирование.

3.2 Векторное управление асинхронным приводом с широтно-импульсной модуляцией

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это способ реализации вектора напряжения статора, применяемый в подавляющем большинстве систем векторного регулирования.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

, (3.1)

где p – число пар полюсов двигателя;

При неизменном числе пар полюсов возможно изменять угловую скорость магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки . При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

. (3.2)

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону.

Рассмотрим схему трехфазного инвертора для питания асинхронного двигателя. Такие устройства широко применяются для регулирования частоты вращения электродвигателей переменного тока. Для получения напряжения на статоре двигателя с низким содержанием высших гармоник, применяют широтно-импульсный способ формирования выходного напряжения инвертора.

Для поддержания заданной скорости вращения вала двигателя можно реализовать обратную связь по скорости и регулировать частоту питающего напряжения (скалярное управление с применением датчиков обратной связи). Основным недостатком такой системы управления является плохая динамика регулирования, этого недостатка лишен метод векторного управление.

Асинхронный двигатель питается от трехфазного IGBT инвертора с ШИМ модуляцией, который построен с использованием блока «универсальный мост». Контур управления скоростью в системе управления использует пропорционально-интегральный контроллер для получения в системе DQ-координат значения тока I_q (quadrature-axis), посредством которого контролируется крутящий момент двигателя. С помощью значения тока I_d (direct-axis) регулируется магнитный поток. Блок DQ-ABC используется в качестве преобразователя трехфазной системы координат в систему координат DQ для регулятора тока.

Блок преобразования координат из координатной системы ABC в ортогональную систему d_q, используется практически во всех системах векторного управления и предназначен для прямого преобразования переменных. Преобразование координат осуществляется по следующим уравнениям:

(3.3)

С помощью преобразования Парка для перевода стационарной системы координат в двухосную вращающуюся систему координат (i_d, i_q), обладая информацией о реальных значениях в трехфазной системе ABC возможно получить данные в двухфазной системе d_q (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Функциональная схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Схема обеспечена визуализацией значений измеренных сигналов токов и напряжений в трехфазной цепи, а также на выходе блока "асинхронная машина" доступны такие данные как ток ротора, скорость и крутящий момент на валу двигателя. В конце времени моделирования система достигает своего устойчивого состояния.

Асинхронный двигатель подключается к инвертору с ШИМ, который действует в качестве источника тока синусоидальной формы. Скорость двигателя ω сравнивается с опорным значением и ошибка обрабатывается регулятором скорости, чтобы произвести команду коррекции крутящего момента T_e.

Как будет показано ниже, поток ротора и вращающий момент может быть по отдельности под контролем статора по продольной оси тока и идентификаторами тока I_qs квадратурной оси соответственно (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Принцип управления с ориентацией по полю

Ток статора I_qs (quadrature-axis) вычисляется из крутящего момента T_e по формуле

(3.4)

где – индуктивность ротора;

– взаимная индуктивность;

– текущее расчетное потокосцепление ротора.

Контроллер пропорционально-интегрального типа используется как регулятор скорости, который поддерживает скорость двигателя равной заданной скорости в устойчивом состоянии и обеспечивает хорошую динамику во время переходных процессов.

В реальном асинхронном двигателе ток статора формируется в неподвижной системе координат, поэтому его модель содержит внутренний блок вращения вектора тока или ротатор, с помощью которого осуществляется переход от неподвижной системы координат к системе d-q, ориентированной по потокосцеплению. Угол поворота вектора тока определяется частотой статора если в качестве опорного вектора используется потокосцепление ротора и по нему ориентирована координатная система.

Модель двигателя можно задать избыточной системой математический уравнений с использованием 3-х фазной системы напряжений и токов. Однако целесообразно свернуть 3 величины в 2 с помощью обратимого алгоритма преобразования Кларка.

Преобразование Кларка позволяет представить фазные токи и напряжения в качестве постоянных величин а не в виде значений переменных во времени. Это производится путем замены синусоидальной трехфазной системы питания двигателя на вращающуюся систему координат.

Таким образом, переменные значения токов и напряжений сводятся к постоянным величинам с помощью преобразования Парка, которое и позволяет представить трехфазную асинхронную машину переменного тока как двигатель постоянного тока.

Характеристики

Список файлов ВКР