Разработка системы управления вентильным индукторно-реактивным генератором с применением пакетов прикладных программ Matlab и Infolytica

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

УДК 004.94

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ

ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ

MATLAB И INFOLYTICA

И.Ю. Каланчин, В.М. Степанов, А.С. Иванов

Вентильные индукторно-реактивные генераторы просты в конструктивном исполнении, устойчивы к неисправностям и имеют низкую стоимость. Однако присутствующие пульсации электромагнитного момента, влекущие за собой толчки и вибрации, препятствуют широкому распространению вентильных индукторно-реактивных электрических машин. Благодаря развитию компьютерной техники, подобные проблемы можно исключить уже на этапе моделирования генератора. Анализ вентильных индукторно-реактивных машин производится посредством программного обеспечения, использующего метод конечных элементов, а также комплекса программ, позволяющего создавать модели объектов, систем управления для изучения переходных процессов и основных характеристик, не прибегая к созданию опытного образца.

Ключевые слова: вентильный индукторно-реактивный генератор, метод конечных элементов, магнитная цепь, профиль индукции, моделирование, Matlab, стратегия управления.

Одним из первых типов электрических машин был вентильный индукторно-реактивный двигатель (Switched Reluctance Motor). Но из-за необходимости в сложной системе управления их исследование было приостановлено. Интерес к разработке вентильных индукторно-реактивных электрических машин был возобновлен с появлением полупроводниковой элементной базы. Такие электрические машины конструктивно просты и конкурентоспособны, а также, в зависимости от стратегии управления, могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Вентильные индукторно-реактивные генераторы (ВИРГ) могут классифицироваться по конфигурациям в зависимости от количества зубцов статора и ротора . Различают такие конфигурации, как 6/4, где цифра 6 указывает на количество зубцов статора, а цифра 4 на чисто зубцов ротора. ВИРГ конфигурации 8/6 изображен на рис. 1.

3

Конструктивной особенностью ВИРГ является то, что статор выполнен из шихтованного железа, обмотки возбуждения каждой фазы укладываются вокруг диаметрально расположенных зубцов статора и соединяются последовательно. Ротор также выполнен из набранных листов электротехнической стали и не имеет ни обмоток, ни магнитов, что значительно упрощает конструкцию, а, следовательно, снижает затраты на производство электрических машин и упрощает их техническое обслуживание. Конструкция ВИРГ дает возможность работы при высоких скоростях и температурах, а также повышает надежность и отказоустойчивость [1].

Статор Ротор

. Обмотки возбуждения

Зубцы статора

Зубцы ротора

Рис. 1. Вентильный индукторно-реактивный генератор

конфигурации 8/6

К недостаткам ВИРГ можно отнести невозможность автономной работы, так как существует необходимость в системе возбуждения, обеспечивающей поочередное возбуждение обмоток статора. Также имеют место и нелинейные характеристики таких электрических машин, высокие пульсации электромагнитного момента и электромагнитного потока.

Пульсации электромагнитного момента во многом зависят от конструкции самого генератора: высоты зубцов статора и ротора, величины воздушного зазора, а также от рабочих углов возбуждения, т.е. от углов положения ротора относительно статора, при которых осуществляется возбуждение. Нелинейные характеристики не позволяют аналитически рассчитать все необходимые параметры, а создание опытного образца влечет за собой высокие затраты, а также риски того, что электрическая машина не будет работать должным образом.

На сегодняшний день существует различное программное обеспечение, позволяющее решать задачи электромагнитной совместимости. Такие программы способны определить значения основных характеристик, используя созданную компьютерную модель.

4

Современные информационные технологии и цифровая вычислительная техника позволяют решать сложные математические задачи и осуществлять физико-математическое моделирование. На сегодняшний день широкое распространение получили численные методы моделирования электромагнитных полей. Такие методы основываются на пространственной и пространственно-временной дискретизации, где главным преимуществом этих методов является получение достаточно точных результатов с учетом свойств материалов и геометрической формы тел. Основным требованием численного метода является постановка граничных условий рассчитываемых областей.

Различают три основных метода для анализа электромагнитного излучения, такие как:

• метод моментов;

• метод конечных разностей;

• метод конечных элементов.

Метод моментов решает численным способом систему алгебраических уравнений, полученную при преобразовании интегрального уравнения.

Метод конечных разностей или метод сеток заключается в пространственной дискретизации области и ее границ, построением своего рода сетки. При использовании такого метода производится замена дифференциальных операторов конечно-разностными операторами на основании построенной сетки. Дифференциальные уравнения преобразуются в систему алгебраических относительно узловых величин.

При использовании метода конечных элементов объект делится на объемные или плоские элементы, распределение поля в которых аппроксимируется полиномами. Этот метод в отличие от метода конечных разностей способен учитывать сложные границы, но для решения задач этим методом требуется высокая мощность вычислительной техники [2].

К программам, способным моделировать электромагнитные системы с достаточно высокой степенью точности, относится прикладной пакет Infolytica. При моделировании не требуются разработки сложной математической модели, необходимо лишь построить графическую модель исследуемого объекта, установить значения токов в обмотках и задать свойства материалов, которые используются в рассматриваемой модели.

Одним из основных путей для снижения пульсаций электромагнитного момента ВИРГ является правильно настроенная система возбуждения. В зависимости от положения зубцов ротора профиль электромагнитной индукции изменяется периодически от минимума до максимума [3]. При согласованном положении зубцов ротора и зубцов возбуждаемой фазы статора индукция имеет максимальное значение и минимальное при рассогласованном. Идеализированный профиль индукции и его зависимость от угла положения ротора представлены на рис. 2.

5

Работа вентильной индукторно-реактивной машины в режиме генератора зависит от его системы управления возбуждением, которая во многом определяется своевременным переключением силовых электронных ключей. Необходимо точное определение углов возбуждения для обеспечения непрерывной работы генератора, а также для максимизации его эффективности.

Для проектирования системы управления применяются средства быстрого прототипирования, которые позволяют моделировать различные объекты, системы, а также алгоритмы их управления. Оперативное создание прототипов позволяет обеспечить быстрый и менее затратный метод исследования и испытания проекта еще на ранних стадиях разработки [4].

^

. г*. •

(К

Рис. 2. Зависимость электромагнитной индукции от угла положения

ротора ВИРГ

Для реализации модельно-ориентированного проектирования компания MathWorks предлагает такие основные продукты, как: MATLAB, Simulink, Real Time Workshop, Stateflow и др. MATLAB — это высокоуровневый язык и интерактивная среда для программирования, численных расчетов и визуализации результатов, с помощью которой можно анализировать, создавать и разрабатывать различные алгоритмы, модели и приложения. Simulink - это графическая среда имитационного моделирования, которая с помощью блок-диаграмм позволяет строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы. Библиотека Simulink содержит готовый блок вентильной индукторно-реактивной электрической машины. В данном блоке имеется возможность выбора конфигурации машины, значения сопротивления статора, значения инерции и начальной скорости. Помимо этого, параметр «специальная модель» позволяет использовать данные о кривых намагничивания железа, полученных в результате анализа методом конечных элементов [5]. Блочная схема ВИРГ представлена на рис. 3.

6

Рис. 3. Блочная схема вентильного индукторно-реактивного

генератора

Для получения более точных данных, необходимо использовать программное обеспечение, которое способно производить расчёты на трехмерных моделях. Комплекс прикладных программ Infolytica позволяет осуществлять моделирование и расчеты электромагнитных полей в двумерном и трехмерном пространстве, производить тепловой анализ для проектирования электромеханических систем, а также полноценный анализ переходных процессов с учетом шести степеней свободы (линейное, вращательное или произвольное движение).

Программное обеспечение Infolytica включает специальный пакет проектирования MotorSolve, с помощью которого упрощаются задачи проектирования электрических машин. Графическое окно программного пакета Infolytica MotorSolve представлено на рис.4. Программное обеспечение обладает понятным интуитивным интерфейсом, позволяет импортировать файлы расширения CAD, а также способно взаимодействовать с такими программными продуктами, как Matlab Simulink, MathCAD, MS Office и

д.р.

Экспортируемая модель в формат файлов Matlab Simulink при открытии приложением Simulink будет содержать готовый блок «SRM» с заполненными значениями основных характеристик и конфигурации машины.

Смоделированный ВИРГ имеет конфигурацию 6/8, следовательно, для его работы необходима четырехфазная система возбуждения.

Чтобы возбуждение осуществлялось в момент рассогласования зубьев, необходимо задать значения угла включения -15° и угла отключения 22.5°. График электромагнитного момента и скорости вращения модели ВИРГ, полученный в результате моделирования изображен на рис. 5.

7

Рис. 4. Графическое окно программного пакета Infolytica MotorSolve

«

eö

A H О

speed

0 100

1

200

О 0 05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.1 0.15 0 4 0.45 0.5

Время, с

Рис. 5. График электромагнитного момента и скорости вращения модели ВИРГ

Как видно из графика, модель вентильной индукторно-реактивной электрической машины работает в генераторном режиме, поскольку момент принимает положительные значения, а скорость отрицательные. Пульсации электромагнитного момента составляют ±2Н- м.

Совместное применение компьютерного моделирования и исследования электромагнитной цепи методом конечных элементов способно сэкономить время и ресурсы при исследовании сложных электротехнических систем, имеющих нелинейные характеристики. Эти методы исключают

8

риски создания нефункционирующего опытного образца. Использование вышеизложенных алгоритмов при моделировании ВИРГ позволит снизить пульсации электромагнитного момента, а также смоделировать систему управления возбуждением генератора на этапе проектирования.

Список литературы

1. Саввинов П. В., Семёнов А.С. Обзор вентильно-реактивных двигателей // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 342343.

2. Валетов Е.В. Методы конечных разностей и конечных элементов в задачах электромагнитной совместимости // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2011. № 6 (60). С. 75-78.

3. Галушко В.Н., Алферова Т.В., Бахур С.И., Алферов А.А. Моделирование вентильно-индукторных двигателей // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2014. № (58). С. 1-11.

4. Однокопылов Г.И., Розаев И.А. Моделирование вентильно-индукторного электропривода в аварийных режимах работы // Известия Томского политехнического университета. 2013. №3. С. 138 - 143.

5. Le-Huy H., Brunelle P. Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems // Electrimacs Conference 2005.

Каланчин Илья Юрьевич, асп., crim5@mail.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ener-gy@tsu. tula. ru,Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Иванов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., sibsiuprk@,gmail.com, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет

DEVELOPMENT OF SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR CONTROL SYSTEM WITH USING OF SOFTWARE PACKAGEMATLAB AND INFOLYTICA

I.Y. Kalanchin, M.V. Stepanov, A.S. Ivanov

Switched reluctance generators have simple construction, fault tolerance and also low cost. However there are electromagnetic torque ripples that bring tremors and vibrations which hinder to wide use of switched reluctance motor. Thanks computer technologies development that problems can be exclude on generator modeling stage. Analyze of switched reluctance machines perform by finite element method software and programs that allow to create models of objects and control systems for study of transition processes and main characteristics without development type creature.

Key words: switched reluctance generator, finite element method, magnetic circuit, inductance profile, modeling, Matlab, control strategy.

Kalanchin Ilya Yur 'evich, postgraduate, crim5@,mail.ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, the head of department, energy@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ivanov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, associated professor, sibsiuprk@,gmail. com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University

УДК 681.5.037.6

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РОБАСТНОЙ НЕЧЕТКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРОМ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

А.Г. Лопатин, Б.А. Брыков, Д.П. Вент

В статье рассматривается вопрос устойчивости робастной нечеткой системы управления химическим реактором периодического действия в процессе радикальной полимеризации. Показана нестационарность параметров ректора-полимеризатора и обоснована необходимость использования робастных систем управления им. По методу Попова В.М. была определена устойчивость робастной нечеткой системы управления.

Ключевые слова: полимеризация, нечеткая система управления, робастность, метод Попова, устойчивость.

Одним из типовых процессов в химической технологии является процесс полимеризации, наиболее часто рассматривается процесс радикальной полимеризации. Процесс радикальной полимеризации является экзотермическим, т.е. протекает с выделением большого количества теплоты. Это обусловлено наличием гель - эффекта [1, 2], наиболее ярко выраженного в ходе радикальной полимеризации метилметакрилата (ММА) -именно этот процесс предлагается к рассмотрению в статье. Объектом управления (ОУ) в данном случае является эмалированный реактор - полимеризатор периодического действия (рис. 1), оборудованный рубашкой для подвода тепла и охлаждения реакционной смеси, а также мешалкой, способной поддерживать постоянную скорость вращения.

10