РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
2.1 Исходные положения
В структуре частотно-регулируемого ЭП (рис.2.1) состояние асинхронной машины определяется процессами энергообмена между двигателем и полупроводниковым преобразователем с электрической стороны и между двигателем и нагрузкой с механической стороны. Эти процессы в конечном итоге влияют на энергообмен между питающей сетью и приводом в целом [49, 65, 122].
Рис.2.1. Функциональная схема регулируемого асинхронного ЭП
Связи между элементами ЭП имеют довольно сложный характер. Сетевое напряжение Uc c постоянными параметрами частотным преобразователем на базе АИТ преобразуется в регулируемый ток АД Is . Амплитуда потребляемого из сети тока Iс зависит от тока Is, а его фаза определяется напряжением на зажимах АД Us. В ЭП на базе АИТ параметром регулирования является величина статорного тока АД, а напряжение на двигателе Us зависит от частоты вращения двигателя ?p и нагрузочного момента Мс. Величина момента сопротивления на валу АД Мс определяется рабочим механизмом привода и в общем случае является функцией времени и частоты вращения ?p, т.е. Мс = f(t, ?p). Частота вращения ?p задается частотой тока Is. Частота и величина тока Is регулируется по определенным законам, в зависимости от предъявляемых к ЭП требований.
Необходимость всестороннего рассмотрения совместной работы всех силовых элементов в РЭП предопределяет использование при моделировании системного подхода [34, 74, 129, 130]. При таком подходе преобразователь частоты и механическая нагрузка должны быть представлены в виде математических моделей, которые входят в состав системных моделей электропривода. Сложный характер связей между объектами внутри системы электропривода и высокая степень взаимовлияния их друг на друга требуют применения системного подхода на стадии формирования комплексных математических моделей.
Современные полупроводниковые преобразовательные устройства представляют собой совокупность вентильных, емкостных и индуктивных элементов. Путем изменения по определенным алгоритмам состояния вентильных элементов (проводящее либо непроводящее) входное напряжение синусоидальной формы преобразуется в выходной сигнал прямоугольно-ступенчатой формы [11, 30, 112]. Задачей математического моделирования полупроводниковых преобразователей является получение информации о выходном сигнале с учетом существующих ограничений. В ПЧ на базе АИТ таким сигналом является ток на выходе инвертора [49, 65, 99, 126], а информацией ? гармонический состав и значения тока.
Несинусоидальность выходного тока АИТ предопределяет важность проведения гармонического анализа при моделировании ПЧ с целью получения необходимой информации о качественно-количественном составе тока питания двигателя во всех режимах работы привода для последующей оценки влияния высших гармоник на характеристики и показатели АД. Кроме того, ПЧ систем ЭП, через которые двигатель совместно с приводным механизмом подключается питающей к сети, представляют собой нелинейную нагрузку для системы электроснабжения и их работа существенно влияет на режимы сети и ухудшает качество электроэнергии. Это в полной мере относится и к ПЧ на базе АИТ, на сетевой стороне которых обычно применяются управляемые мостовые тиристорные выпрямители. При работе управляемого выпрямителя на индуктивный фильтр сетевой ток имеет гармонический состав, аналогичный составу тока на выходе ПЧ, что в сочетании с достаточно большой мощностью ПЧ может отрицательно сказаться на функционировании различных видов электрооборудования ?122?. В ряде случаев, когда питание ПЧ необходимо осуществлять непосредственно от сети постоянного тока либо аккумуляторных батарей, вместо выпрямителя используют широтно-импульсные регуляторы тока, работа которых также оказывает негативное влияние на смежные устройства.
Изменяя частоту и величину выходного тока АИТ по определенным законам, можно регулировать частоту вращения и момент АД. Чаще всего в ЭП с АИТ применяются законы, обеспечивающие постоянство отношения либо напряжения и частоты на выходе АИТ, либо тока и скольжения АД. Более целесообразным считается применение законов, при которых поддерживается постоянство различных магнитных потокосцеплений АД. Эффективность использования в ПЧ тех или иных законов в каждой конкретной ситуации определяется в основном характером и эксплуатационными требованиями приводного механизма [47, 49, 50, 65, 120, 137, 150, 152].
Среди методов моделирования полупроводниковых преобразовательных устройств следует выделить традиционное математическое моделирование и аналоговое физическое моделирование. Традиционное моделирование заключается в использовании аналитических выражений и зависимостей спектрального состава тока ПЧ от управляемых переменных (либо величины выходного сигнала). В аналитических выражениях должны быть учтены ограничения, которые имеют место в реальном объекте.
При аналоговом моделировании создается масштабная физическая модель исследуемого объекта с использованием элементной базы, аналогичной той, которая используется в реальных устройствах. По сути аналоговое моделирование представляет собой физический эксперимент, проводимый на модели объекта. Несмотря на высокую достоверность получаемых таким способом результатов, физическое моделирование не всегда эффективно по затратам материальных, временных и энергетических ресурсов. В этой связи использование специального программного обеспечения для моделирования силовых полупроводниковых устройств позволяет отказаться от создания физической модели объекта. Квазифизическое моделирование с помощью компьютерных программ-эмуляторов электронных схем (например в среде OrCAD-Pspice) имеет достаточно высокую достоверность получаемых результатов, а относительно небольшие затраты времени на моделирование позволяют применять их наравне с традиционными аналитическими моделями [3, 59, 62, 79, 107, 108].