Компьютерное моделирование трехфазных регулируемых асинхронных электроприводов при изменении питающего напряжения

Электропривод и системы управления

УДК 621.314

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

В.Н. Крысанов, А.Б. Кирилов

В данной статье рассматривается компьютерное моделирование трехфазных регулируемых асинхронных электроприводов при изменении питающего напряжения

Ключевые слова: компьютерное моделирование, асинхронный двигатель, отклонение напряжения, несинусоидальность напряжения, высшие гармоники, трехмерный график

Основные показатели качества электроэнергии связаны с такими параметрами, как отклонение частоты и напряжения, колебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения. Эти параметры оказывают ощутимое влияние на работу основных потребителей электроэнергии - асинхронных двигателей (АД). Рассмотрим влияние отклонения напряжения на параметры двигателя.

На надежность и долговечность работы электродвигателей в значительной степени влияет их тепловой режим. Для АД влияние отклонения напряжения на их тепловой режим зависит и от загрузки двигателей. Работа электродвигателей при пониженном напряжении приводит к перегреву изоляции и может явиться причиной выхода их из строя. Дело в том, что при снижении напряжения в пределах нормы токи ротора и статора увеличиваются в среднем соответственно на 14 и 10 %.

При значительной загрузке АД отклонения напряжения приводят к существенному уменьшению его срока службы. При увеличении тока двигателя происходит более интенсивное старение изоляции. При отрицательных отклонениях напряжения на зажимах двигателя в 10 % и номинальной загрузке АД срок его службы сокращается вдвое.

Вращающий момент АД пропорционален квадрату напряжения на его выводах. При снижении напряжения уменьшается вращающий момент и частота вращения ротора двигателя, так как увеличивается его скольжение. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на выводах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже номинального. При значительном снижении напряжения на выводах двигателей, работающих с полной нагрузкой, момент сопротивления механизма может превысить вращающий момент, что приведет к «опрокидыванию» двигателя, т.е. к его остановке. Снижение напряжения ухудшает усло-

Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: sovteh2000@mail.ru

Кирилов Андрей Бориславов - ВГТУ, e-mail: студент, e-mail: andrei7even@gmail.com

вия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент.

В случае снижения напряжения на зажимах двигателя реактивная мощность намагничивания уменьшается на 2-3 % при снижении напряжения на 1 %, при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя (можно считать, что при и = -10 %, ток двигателя возрастет на 10 % от номинального значения), что вызывает перегрев изоляции.

Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь активной мощности в элементах электрической сети.

Для оценки влияния отклонения напряжения на характеристики двигателя в среде ЫАТЬАБ БтиИпк была создана трехфазная модель АД АИР225М2, мощность которого равна Р = 55 кВт, синхронная частота вращения п = 3000 об/мин, скольжение = 2 %, КПД п = 93 %, коэффициент мощности евщ = 0,9. Сопротивление обмоток учитывалось, для чего был произведен уточненный расчет схемы замещения.

В созданной модели запуск АД происходит на холостом ходу. Через 2 секунды вводится номинальный момент Мн = 175,07 Н-м. Еще через 2 понижается или повышается питающее напряжение. Полученные данные записываются в рабочую область ЫАТЬЛБ, а затем анализируются. Автоматически строится динамическая механическая характеристика. Стандартный блок АД библиотеки SimPowerSystems позволяет получить графики электромагнитного момента двигателя, скорости ротора, графики напряжений и токов ротора и статора [1,2].

При снижении напряжения на 10 % скорость ротора уменьшается на 3,5 %, ток ротора увеличивается на 19 %, статора - на 14 %, значительно уменьшается критический момент Мкр/Мн = 1,1. При снижении напряжения на 20 % двигатель останавливается, т. к. критический момент становится меньше номинального М,^Мн = 0,93.

При увеличении напряжения на 10 % скорость ротора увеличивается на 2,2 %, ток ротора умень-

шается на 16,6 %, статора - на 16,9 %. Дальнейшее изменение характеристик изображено на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость основных параметров АД от отклонения напряжения

Таким образом, колебания уровней напряжения приводят к значительному ущербу, поэтому ГОСТ Р 51137-98 устанавливает отклонения напряжения питающей сети от номинального значения до ±10 %.

Обеспечить эти требования можно двумя способами: снижением потерь напряжения и регулированием напряжения.

В центре питания регулирование напряжения осуществляется с помощью трансформаторов, оснащенных устройством автоматического регулирования коэффициента трансформации в зависимости от величины нагрузки. Напряжение также может регулироваться на промежуточных трансформаторных подстанциях с помощью трансформаторов, оснащенных устройством переключения отпаек на обмотках с различными коэффициентами трансформации

В предыдущих исследованиях [3,4] анализировалось влияние несинусоидальности питающего напряжения на энергетические характеристики однофазной модели АД. Существуют оптимальные по критерию «цена - качество» регуляторы напряжения, а именно тиристорно-трансформаторные регулятора напряжения (ТТРН), для АД типовой нагрузки с ограниченным диапазоном регулирования. Генерирование таким регулятором высших гармоник приводит к необходимости учета их отрицательного влияния. С помощью полученных в статье методов расчета гармонической составляющей стало возможно точное определение диапазона регулирования системы, при котором целесообразно ее применение. Так же было показана необходимость точных расчетов всех параметров системы, влияющих на корректировку напряжения сети при ее отклонении, а именно при использовании ТТРН - угла нагрузки ф, угла отпирания тиристоров а и

коэффициента нелинейных искажений (КНИ), учитывающего генерации высших гармоник.

В статье исследуется влияние одновременного изменения всех трех параметров. На основании полученных результатов будет построен трехмерный график, позволяющий детальнее проанализировать зависимость изменения одного параметра при изменении двух других.

Расчет проводился в среде MATLAB Simulink. Были построены специальные блоки, полностью автоматизирующие вычисления [5,6]. Результаты записывались в рабочую область MATLAB, из которой копировались в Microsoft Office Excel для построения графика в удобном для анализа виде.

Для проведения расчетов был взят трансформатор серии ТСЗ-10/0,66-УХЛ-4 мощностью 10 кВА, первичное и вторичное напряжение обмоток которого 380 В и 38 В соответственно. Параметры нагрузки соответствуют АД АИР225М2, сопротивление обмоток при расчетах не учитывалось. Тиристоры стандартные, предоставленные библиотекой SimPowerSystems.

ТТРН может работать в ассиметричном и симметричном режимах управления. Если углы отпирания первой группы тиристоров равны, то это симметричное управление. В таком случае отсутствуют гармоники кратные двум.

При симметричном управлении, 10-ти процентном диапазоне регулирования, вариации угла нагрузки ф 0^60° и угла отпирания тиристоров а 0^180° КНИ не превышает 9-11 % для фазного напряжения. Для линейного напряжения данные параметры не выходят за пределы 1-2 %. Это связано с тем, что обычно обмотки силового трансформатора замыкаются в треугольник, и таким образом происходит компенсация всех гармоник кратных трем.

Полученные трехмерные графики зависимости КНИ фазного и линейного напряжения от а, ф

представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.

Рис. 2. Трехмерный график зависимости КНИ фазного напряжения от а, ф

Рис. 3. Трехмерный график зависимости КНИ линейного напряжения от а, ф

Согласно ГОСТу Р 54149-2010 нормальное значение КНИ синусоидальности кривой напряжения в сети 0,4 кВ составляет 8 %, а допустимое - 12 %. Следовательно работа данного устройства при заявленных выше параметрах не искажает форму кривой напряжения выше нормального для линейного напряжения и допустимого для фазного.

На основании вышеприведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Анализ существующих условий работы асинхронных электроприводов приводит к необхо-

димости учета влияния таких параметров, как отклонение частоты и напряжения, колебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения.

2. Учет влияния этих параметров возможен с помощью компьютерного моделирования трехфазных регулируемых асинхронных электроприводов при изменении питающего напряжения.

3. Проведенные расчеты позволяют определить область применения ТТРН для наиболее распространенного диапазона регулирования (стаби-

лизации питающего напряжения) с учетом требований ГОСТов. Так при 10-ти процентном диапазоне регулирования работа устройства полностью соответствует ГОСТу Р 54149-2010.

4. При отсутствии устройств регулирования (стабилизации) питающего напряжения варьирование основных параметров АД происходит в пределах ю = 95-104 %, 1р = 66-138 %, 1ст = 67-133 % при отклонении напряжения и = 80-130 %. При наличии устройств стабилизации с заданными ограничениями по диапазону регулирования и углу нагрузки данные отклонения отсутствуют, таким образом обеспечивается работа АД в оптимальном режиме с точки зрения производительности и КПД.

Литература

1. Черных И.В. 81тРо%'ег$уз1етз: Моделирование электротехнических устройств и систем в ЗтиНпк.

Интернет-ресурс. Режим доступа:

http://matlab.exponenta.ru/simpower/book1/index.php.

2. Фурсов В.Б. Моделирование электропривода: учеб. пособие. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". - 2008. - 105 с.

3. Крысанов, В.Н. Исследование влияния несинусоидальности питающего напряжения на энергетические характеристики асинхронного двигателя [Текст] / В. Н. Крысанов, А. Б. Кирилов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2014. - № 2.

4. Крысанов, В.Н. Устройства питания для интеллектуальных автоматизированных систем [Текст] / В. Н. Крысанов, К. С. Гамбург // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - № 1. - С. 29-33.

5. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. - СПб.: КОРОНА принт, - 2003. - 256 с.

6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, - 2001. - 320 с.

Воронежский государственный технический университет

COMPUTER SIMULATION OF THREE-PHASE ADJUSTABLE INDUCTION ELECTRIC DRIVES AT CHANGING OF POWER VOLTAGE

V.N. Krysanov, A.B. Kirilov

In this article the questions computer simulation of three-phase adjustable induction electric drives at changing of power voltage are considered

Key words: computer simulation, induction motor, voltage deviation, nonsinusoidality of power voltage, harmonics, three-dimensional graph