Комплекс виртуальных лабораторных работ по преобразовательной технике

резервирования может быть повышена за счет увеличения числа релейных элементов МРП и каналов «ТРН-ТЭН».

Таким образом, в предлагаемой системе управления достигается автоматическое включение ТЭН и повышается надежность работы технологической установки в целом. Это обусловлено тем, что Л1-Л3 обеспечивают «введение» ТРН1 -3 в прямой канал замкнутого контура МРП по логической функции «ИЛИ», характеризующей степень готовности (или аварийного состояния) элементов системы, первоначально находящихся вне этого замкнутого канала регулирования. В результате система приобретает свойства адаптации к аварийным отключениям не только элементов МРП, но и силового оборудования «ТРН-ТЭН». Реализация основных законов регулирования на основе МРП, например, интегральн6ого, пропорционально-интегрального и др. рассмотрены в работе [2].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Осипов О.И. Техническое диагностирование автоматизированного электропривода постоянного тока: Дис. докт. техн. наук.- Челябинск: ЧПИ, 1995.- 405 с.

2. Терещина О.Г. Электроприводы с параллельными каналами регулирования на основе многозонных интегрирующих развертывающих преобразователей. Дис. к.т.н., Челябинск: ЮУрГУ, 2007, - 235с.

3. Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР , 1988.- №1.-С.81-85.

4. А.с. № 1336039 СССР, 00607/12. Многозонный развертывающий преобразователь / Л.И. Цытович. - № 4058307/24; заявл. 19.02.86; опубл. 03.04.87, Бюл. №25.

УДК 621.314

М.В. Гельман, О.Г. Брылина, М.М. Дудкин

КОМПЛЕКС ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

На кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» Южно-Уральского государственного университета при изучении курса «Преобразовательная техника» используется автоматизированный лабораторный комплекс, разработанный совместно кафедрой и

ООО НПП «Учтех-Профи». Он охватывает практически все типы устройств преобразовательной техники. Достаточное количество стендов обеспечивает фронтальное проведение работ.

Безусловное преимущество физических моделей - обучение студентов работе с электротехническими устройствами. Однако физические модели имеют ряд недостатков:

1) при малых мощностях современных стендов практически невозможно обеспечить соотношения, справедливые для мощных преобразователей;

2) опасно изучать аварийные режимы;

3) невозможно обеспечить доступ к любому узлу схемы, ограничено число датчиков и каналов измерения;

4) трудно или невозможно развивать лабораторные работы;

5) ограничены возможности исследования при применении промышленного оборудования и т.п.

Полезно дополнить физическое моделирование виртуальным (имитационным) моделированием [1, 2, 3].

Поэтому на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» в рамках курсов «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» цикл лабораторных работ на физических стендах дополнен идущим параллельно циклом с использованием математических моделей, созданных в среде Ма^аЬ+ЭтиПпк [3-5].

Достоинства виртуального моделирования:

1) возможность исследования преобразователей с параметрами, соответствующими любой мощности, что обеспечивает возможность получения реальных характеристик;

2) возможность изменения параметров исследуемых систем в широких пределах, включая аварийные режимы работы;

3) доступность измерения параметров практически любого узла схемы;

4) простота реализации любых сложных измерений (спектрального состава, составляющих мощности, коэффициентов несинусоидальности, гармоник, КПД);

5) гибкая, легко изменяемая структура;

6) возможность индивидуализации обучения (большое число вариантов любой сложности);

7) простота и дешевизна развития лабораторных работ после начальных вложений.

Наличие физических моделей позволяет легко проверить адекватность виртуальных.

Лабораторный комплекс включает в себя работы посвященные исследованию: однофазных и трехфазных управляемых и неуправляемых выпрямителей, ведомых инверторов, реверсивных преобразователей,

преобразователей постоянного напряжения, автономных инверторов напряжения, преобразователей частоты, обратимых преобразователей напряжения (активных выпрямителей).

Проведение виртуальной лабораторной работы подразумевает наличие двух этапов:

1. Выполнение предварительного домашнего задания:

а) изучение теоретического материала по соответствующей теме курса;

б) расчет основных параметров изучаемой системы и построение характеристик (регулировочных, внешних или энергетических) по приближенным формулам, полученным при общепринятых допущениях [6].

2. Экспериментальное исследование на базе виртуальных моделей.

Таким образом, виртуальные работы значительно расширяют возможности исследования.

Например, существенные трудности при знакомстве с трехфазными автономными инверторами напряжения (АИН) вызывает изучение способов ШИМ, особенно самого применяемого на сегодняшний день -с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора. Соответствующая виртуальная лабораторная работа на базе одной силовой схемы трехфазного АИН, знакомит студентов c тремя способами импульсной модуляции [6]:

1 способ - с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания;

2 способ - с формированием фазных токов на основе релейного регулирования (ЧШИМ);

3 способ - с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора.

Структуры созданных моделей при различных способах импульсной модуляции отличаются, прежде всего, системами управления. На рис. 1 приведена модель для случая моделирования АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора (3 способ).

Вентильный блок УВ(кот), имитирует работу трехфазного моста (на базе ЮВТ-транзисторов, шунтированных встречными диодами). На основе применения понятия эквивалентных противо-ЭДС он позволяет учесть коммутационные потери в транзисторах без существенного увеличения времени расчета.

L

Ud.id.Pd

id. idi

IA

(JW.Urt(l).Ku

Pr.

KPD. Cw Fi

Lpt1)

Ü.A lHl)

- PD

«1. CM FI

DHpfay

-я

Lr4-;--| I ri;-

U0

CMFIrTdr.iU)

Рис. 1. Виртуальная модель для исследования трехфазного АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного

вектора и ШИМ

Основные параметры блоков входящих в состав АИН, представленного на рис. 1, а также для двух других способов формирования импульсной модуляции представлены в табл. 1.

В табл. 1 приняты следующие условные обозначения:

- параметры управления:

ц - коэффициент модуляции (0 < ц < 1); 1нес, кГц - несущая частота; AI - ширина токового коридора; Ilm, A - амплитуда тока на входе АИН;

- параметры силовой схемы:

Ed, B - ЭДС источника питания (IP);

R, Ом - внутреннее сопротивление источника питания (IP);

Cf, мкФ - емкость входного фильтра;

f, Гц - частота выходного напряжения;

Rh, Ом; Lh, Гн - параметры активно-индуктивной нагрузки.

Осцилограммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу АИН, полученные при трех описанных выше способах импульсной модуляции, приведены на рис. 2 - рис. 4. Для лучшего рассмотрения протекающих процессов, осциллограммы были сняты при пониженной несущей частоте (fmrnvi = 500 Гц) или расширенном токовом коридоре.

Основные параметры трехфазного АИН

Таблица 1

Способ правления 1 способ 2 способ 3 способ

Наименование^^

з § 0.9 - 0.9

I £ fнЕc,кГц 5 - 5

Д! - 0.01 -

с ^ 11т, А - 2.14 -

о Еа, В 200

¡5 I -0 ш О- X Р Ом 1

С^ мкФ 1000

н о f, Гц 50

(Рн, Ом 25

с Ьн, Гн 0.1

¡а,¡а1

11 тт _1_ ы # _ у ри иу И #1 \ щ

., 1 -м. ГШ 1 У 1 , и_АЕ 5, и_АВ Ш: 1) ЕНЯ ^ппг  ии

ыъ Л в и г ш и_А, и_А(1 МГт ии <4 И I- щ и:......1...._

¡А

Рис. 2. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания

¡а,¡а1

1 Г5 ;гг Л Л. Л

Рис. 3. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием фазных токов на основе релейного регулирования

¡С|, ¡С11

__I_1_I_11_I_11_I_5_

и_АВ, и_АВ

_I_I_I_I_I_I_I_I_

и_А, и_А

I -

Рис. 4. Осциллограммы работы трехфазного АИН с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора

На осциллограммах (рис. 2 - рис. 4) приняты следующие условные обозначения:

¡с1, ¡с11 - ток, потребляемый от источника питания и ток на входе АИН

после конденсатора (С1); иу - напряжение на вентиле;

и_АВ, и_АВ(1) - линейное напряжение и его 1-я гармоника;

и_А, и_А(1) - фазное напряжение и его 1-я гармоника; ¡А - ток фазы А.

Для возможности сравнения (численного) полученных результатов в табл. 2 приведены основные показания, снятые с дисплеев моделей АИН при трех способах импульсной модуляции.

Таблица 2

Результаты исследования АИН при 3 способах импульсной модуляции

—-^^Вид ШИМ * Параметры^ — 1 способ 2 способ 3 способ

ис, В 199.07 199.07 198.7

1С, А 0.91 0.93 1.28

РС, Вт 185.31 184.9 250.2

1п, А 1.516 1.506 1.781

1п(1), А 1.515 1.506 1.78

Ю 0.00737 0.00502 0.00582

ип!, В 113.19 155.001 138.2

ип!(1), В 105.32 104.702 123.8

Ки 0.83 1.05 0.6582

Рп, Вт 172.2 170.1 237.8

п 0.92 0.915 0.9466

СОБ ф 0.62 0.62 0.6227

пвкл 4997 7501 3295

В табл. 2 приняты следующие условные обозначения: Ш, В, И, А - напряжение и ток, потребляемый от источника питания; Рс1, Вт - мощность потребляемая от источника питания; 1п, А, 1п (1), А - действующее значение тока, протекающего через нагрузку, и его первой гармоники; К - результирующий коэффициент гармоник тока; ип1, В, 0п!(1), В - действующее значение линейного напряжения на нагрузке и его первой гармоники;

Ки - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; Рп, Вт - активная мощность на выходе АИН; П - коэффициент полезного действия АИН; Соб ф - косинус угла сдвига;

пВкл - количество включений транзистора (п_ук!, в соответствии с рис. 1).

На рис. 5 и рис. 6, приведены внешние и энергетические характеристики АИН, построенные с помощью графопостроителей при двух способах модуляции: АИН с формированием напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания (рис. 5) и с формированием фазных напряжений с помощью пространственного вектора (рис. 6).

Из табл. 2 видно, что при одинаковой несущей частоте самая низ-

кая частота коммутации транзисторов характерна для третьего способа управления работой АИН, следовательно, КПД в этом случае будет также максимальным.

0.6

01-.--.-] 0.5-'-'-'-

0 0.5 1 1.5 2 о 0.5 1 1.5 2 1п

Рис. 5. Внешние 1_1л

В соответствии с табл. 2 и рис. 5 у трехфазного АИН при формировании фазных напряжений с помощью пространственного вектора обеспечивается наибольшая величина выходного напряжения, наивысший КПД (из-за минимальной частоты коммутаций транзисторов) при высокой синусоидальности тока и минимальном содержании гармоник в напряжении.

Таким образом, полученные результаты, представленные в виде осциллограмм (рис. 2 - рис. 4), численных значений (табл. 2) и характеристик (рис. 5) наглядно убеждают студентов в преимуществах формирования фазных напряжений с помощью пространственного вектора, а также помогают осмыслить критерии сравнения.

В заключении следует отметить, что виртуальные лабораторные работы проводятся фронтально.

Как показала практика, проведение виртуальных лабораторных работ превращает общение преподавателя со студентами в творческий процесс, появляется возможность оперативного обмена мнениями и удобного общения сразу со всеми участниками группы (1015 человек). Виртуальное моделирование также дает возможность легко изменять ход работы, например, преподаватель или сами студенты ставят вопросы и отвечают на них, проведя эксперименты, если не могут ответить на них на основе своих знаний.

Возможность сочетания виртуальных лабораторных работ и лабораторных работ, выполняемых на физических стендах [4, 5], позволяет повысить качество обучения, а также развить интерес у учащихся.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

5. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2007. - 300с.

6. Герман-Галкин С.Г. МаАаЬ & 81ти!1пк. Проектирование механо-тронных систем на ПК. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.

7. Гельман М.В., Хроменков М.А. «Комплекс лабораторных работ по курсу Преобразовательная техника на основе компьютерного моделирования» // Электротехнические системы и комплексы: МежВУЗовский сборник научных трудов. Выпуск 6 / Под. Ред. А.С. Сарварова, К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 221 - 225.

8. Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2007. - Вып.7. №12(84). - С. 19-24.

9. Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. Совместное применение физического и виртуального моделирования при изучении устройств преобразовательной техники // Электромеханика. Известия вузов. вып. 5. Новочеркасск 2007. - С.62-65.

10. Электротехника: учеб. пособие для вузов: в 3 кн. Кн. II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. -711с.

УДК 62-83:621.313.333

Вечёркин М.В., Сарваров А.С., Елисеева Е.Е.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГНО ПУСКОВОГО УСТРОЙСТВА

В работе [1] показана возможность применения трансформаторно-тиристорного пускателя для плавного пуска высоковольтных асинхронных электроприводов.

Создание опытного образца высоковольтного пускателя требует предварительной оценки характеристик и возможностей устройства. Эффективным инструментом такой оценки является пакет МаАаЬ и его расширение 81тиНпк.

В этом пакете была создана модель системы «трансформаторно-тиристорный пускатель - двигатель», показанной на рис. 1.