Модель электропривода с питанием от инвертора
goltsevМодель электропривода переменного тока с питанием от инвертора
В данной статье рассмотрим функциональность Engee, для построения моделей электропривода из физических блоков (не используя блоки с переменной Лапласа и математические блоки). В качестве нагрузки для инвертора, выбрано параллельное включение резистора и асинхронного двигателя, асинхронный двигатель вращает маховик через понижающий редуктор, на каждом этапе проводятся измерения угловых скоростей. Исследуемую схему можно условно разбить на части: постоянное напряжение (источник постоянного напряжения), переменное напряжение (инвертор, трансформатор, асинхронный двигатель), механическое вращение (ротор двигателя, редуктор, маховик). Построение схемы начну с настройки инвертора, для его настройки не буду сразу подключать всю запланированную нагрузку, вместо этого будет использоваться чисто активная нагрузка, это ускорит процесс моделирования и сделает минимальными переходные процессы в схеме.
Работа инвертора на питание резистивной нагрузки
Рисунок 1 - схема инвертора с активной нагрузкой
Для оценки значений ожидаемых токов, напряжений и коэффициента трансформации написан следующий скрипт.
Up = 12 ## напряжение источника питания
U1 = Up*2 # напряжение на выходе инвертора
Uout = 220 # напряжение на трансформаторе
K = Uout/U1 # коэффициент трансформации
Rn = 20 # сопротивление нагрузки
In0 = Uout/Rn # ток нагрузки
Pn = In0*Uout # мощность нагрузки
I1 = Pn/U1 # ток инвертора
Моделирование инвертора с резистивной нагрузкой
Построим графики напряжений с двух сторон трансформатора, при работе инвертора на активную нагрузку.
plot(invertor_in_current_s.time, invertor_in_current_s.value)
title!("Ток источника постоянного напряжения")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(invertor_out_current_s.time, invertor_out_current_s.value)
title!("Ток инвертора")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(invertor_out_voltage_s.time, invertor_out_voltage_s.value)
title!("Напряжение инвертора")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("U, [В]")
plot(n_current_s.time, n_current_s.value)
title!("Ток резистивной нагрузки")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(n_voltage_s.time, n_voltage_s.value)
title!("Напряжение резистиной нагрузки")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("U, [В]")
Работа инвертора на питание электропривода
После отладки схемы инвертора при работе на активную нагрузку подключу к схеме асинхронный двигатель с редуктором и вращающемся маховиком
.png)
Рисунок 2 - схема исследуемого электропривода
Для обеспечения работы инвертора, требуются управляющие сигналы для транзисторов; существуют различные способы управления транзисторами: в частности управляющие сигналы могут быть равны у диагональных транзисторов (тогда сигнал будет напряжение инвертора будет переключаться от положительного к отрицательному, и наоборот минуя среднюю точку). В данной статье между всеми управляющими сигналами присутствует сдвиг фазы равный 1/4 периода, поэтому в синтезированном напряжении присутствует средняя точка, что видно на графиках токов и напряжений.
.png)
Рисунок 3 - электрическая составляющая электропривода
Настройки генераторов импульсов для напряжения частотой 50 Гц, показаны на рисунке 4, для данной формы синтезированной синусоиды используется 4 источника управляющих импульсов.
.png)
Рисунок 4 - Параметры генераторов прямоугольных импульсов для управления инвертором
.png)
Рисунок 5 - механическая часть электропривода
Также на схеме присутствует трансформатор, в рамках математической модели инвертора необходимости в трансформаторе нет так как регулируя напряжение источника постоянной ЭДС можно добиться любых выходных напряжений инвертора. Но на практике источником постоянного напряжения является аккумулятор (например, свинцовый аккумулятор напряжением 12В или литиевый напряжением 3,7*N вольт), и в таком случае диапазон выходных напряжений инвертора ограничен. Нагрузка переменного напряжения как правило предназначена для более высоких напряжений (220в для бытовой сети частотой 50Гц или 115В 400Гц для питания авиационных приборов). Для приведения в соответствия выходного напряжения инвертора и требуемого напряжения питания для приборов необходимо использовать повышающий трансформатор. Число обмоток данного трансформатора будет зависеть пропорционально от входных и выходных напряжений.
.png)
Рисунок 6 - Пропорция описывающая связь напряжений и числа витков
Число витков вторичной обмотки вычисляется исходя из мощности нагрузки, чтобы сопротивление обмотки позволяло отдать требуемый ток, число витков первичной обмотки вычисляется как:
N1 = (U1*N2)
Результат моделирования схемы электропривода
plot(invertor_in_current.time, invertor_in_current.value)
title!("Ток источника постоянного напряжения")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(invertor_out_current.time, invertor_out_current.value)
title!("Ток инвертора")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(invertor_out_voltage.time, invertor_out_voltage.value)
title!("Напряжение инвертора")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("U, [В]")
plot(n_current.time, n_current.value)
title!("Ток нагрузки (асинхронного двигателя)")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("I, [A]")
plot(n_voltage.time, n_voltage.value)
title!("Напряжение нагрузки (асинхронного двигателя)")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("U, [В]")
plot(w1.time, w1.value)
title!("Угловая скорость асинхронного двигателя")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("1/с")
plot(w2.time, w2.value)
title!("Угловая скорость редуктора")
xlabel!("t, [c]")
ylabel!("1/с")
В результате построения данных схем, выяснено, что Engee позволяет провести имитационное моделирование по аналогии с Simulink. По сравнению с Simulink схема Engee более простая, так как не содержит блоков s-ts, осуществляющих преобразование типов которое необходимо для измерения параметров электропривода (ток, напряжение, угловая скорость).