Общие сведения о программе моделирования
Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и прочего оборудования. Имеется также раздел содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений.
Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет значительно упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков SimPowerSystems можно использовать блоки и остальных библиотек Simulink, а также функции самого MATLAB, что дает практически не ограниченные возможности для моделирования электротехнических систем.
Библиотека SimPowerSystems достаточно обширна. В том случае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности Simulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения.
Таким образом, SimPowerSystems в составе Simulink на настоящее время может считаться одним из лучших пакетов для моделирования электротехнических устройств и систем.
Расчет данных для моделирования
Целью моделирования является построение характеристик зависимости момента и угловой скорости вращения электродвигателя от времени при пуске, а также определение перерегулирования, разрегулирования и времени переходного процесса. Также необходимо будет выполнить сопоставление промоделированных параметров с расчётными значениями. Выполним моделирование на простой модели с прямым пуском асинхронного двигателя для проверки рассчитанных параметров.
Перед началом моделирования приведем справочные параметры выбранного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором MAK355M6, которые понадобятся для расчета остальных недостающих обмоточных данных.
Исходные данные двигателя рабочего органа комбайна
Наименование параметра |
Значение |
Высота оси вращения вала h |
355 мм |
Мощность PH |
200 кВт |
Масса |
1280 кг |
Синхронная частота вращения n1 |
1000 об/мин |
Номинальная частота вращения nH |
978 об/мин |
Номинальное скольжение SH |
2,2 % |
КПД η |
0,945 |
Коэффициент мощности Cosφ |
0,9 |
Номинальное напряжение UH |
1140 В |
Отношение пускового тока к номинальному |
7 |
Отношение пускового момента к номинальному |
1,6 |
Отношение максимального момента к номинальному |
2 |
Отношение минимального момента к номинальному |
0,9 |
Момент инерции J |
8,8 кг*м2 |
Число пар полюсов |
3 |
Соединение обмоток |
|
Для моделирования двигателя произведем расчет недостающих обмоточных данных по методике профессора И.В. Черных.
1. Механические потери:
Вт
2. Приведенная мощность двигателя:
ВА
3. Номинальный ток двигателя:
А
4. Сопротивления обмотки статора двигателя:
Ом
5. Сопротивление обмотки ротора:
Ом
6. Приведенная индуктивность обмоток статора и ротора:
7. Индуктивность обмоток статора и ротора:
Гн
8. Взаимоиндукция между обмотками статора и ротора:
Гн
9. Проверка обмоточного коэффициента:
Моделирование асинхронного двигателя
Модель представляет собой принципиальную схему, состоящую из источников напряжения, асинхронного двигателя, блока для измерения основных параметров двигателя, осциллографа для измерения тока, момента и скорости и графопостроителя для отображения механической характеристики двигателя.
Рис. 1. Модель прямого пуска асинхронного двигателя
Рассчитанные параметры двигателя подставляем в окно параметров блока асинхронного двигателя.
Рис. 2. Окно параметров асинхронного двигателя
Промоделировав, снимаем показатели напряжения, тока, угловой скорости и момента. Сравниваем рассчитанные параметры с результатами моделирования и делаем соответствующие выводы.
![Semenov9.tif](/i/2015/5-5/Semenov9_fmt.jpg)
![Semenov13.tif](/i/2015/5-5/Semenov13_fmt.jpg)
На этих графиках показано значение тока при заданных параметрах двигателя. Данные значения имеют расхождения с расчётными данными.
Данный график показывает нам параметры скорости вращения ротора (в об/мин) в зависимости от времени моделирования. Из графика видно, что время переходного процесса моделирования немного превышает 1 секунду, а перерегулирование отсутствует.
График момента отображает зависимость электромагнитного момента АД от времени моделирования. При пуске пусковой момент превышает допустимые значения (1,6*Мн). Рабочее значение момента составляет 2000 Н*м, что почти совпадает с расчетным значением.
На следующем графике показана зависимость угловой скорости ротора от электромагнитного момента асинхронного двигателя.
![Semenov10.tif](/i/2015/5-5/Semenov10_fmt.jpg)
Рис. 5. Скорость вращения ротора при прямом пуске
![Semenov11.tif](/i/2015/5-5/Semenov11_fmt.jpg)
Рис. 6. Момент двигателя при прямом пуске
![Semenov12.tif](/i/2015/5-5/Semenov12_fmt.jpg)
Рис. 7. Зависимость угловой скорости от момента двигателя
Вывод
В результате произведенного моделирования видно, что пусковой ток статора значительно превышает расчетное значение. Это говорит о нецелесообразности использования прямого пуска для проходческого комбайна, т.к. будет наблюдаться большой перегрев двигателя и чрезмерный расход электроэнергии. В целом по быстродействию и номинальной нагрузке выбранный двигатель полностью подходит для использования на проходческом комбайне с учетом установки плавного пуска или системы управления типа ПЧ-АД, ТРН или УВ-АИН.
Библиографическая ссылка
Семёнов А.С., Хазиев Р.Р. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА ПУТЁМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 5-5. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14078 (дата обращения: 27.07.2024).