Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)

Контрольная работа

Тема: Исследование статических преобразователей в системе электропривода в программной среде ANSYS Simplorer

Студент

Лахменев С.С.

Руководитель

Прокофьев Г. И.

Санкт-Петербург - 2015

Оглавление

Введение

1. Статические преобразователи в системе электропривода

1.1 Анализ существующих статических преобразователей

1.2 Анализ программных средств для разработки и исследования статических преобразователей

2. Разработка и исследование моделей статических преобразователей частоты в ANSYS Simplorer

2.1 Двухуровневый автономный инвертор напряжения с резистивной нагрузкой

Список литературы

Введение

Анализ мирового опыта создания нового и модернизации действующего технологического оборудования показывает высокую динамику развития регулируемых электроприводов, компьютерных средств автоматизации, использования информационных средств. Она обусловлена стремлением к максимальному повышению производительности технологического оборудования и качества производимой продукции. Все ведущие электротехнические корпорации выпускают регулируемые электроприводы комплектно с компьютерными средствами автоматизации в виде гибко программируемых систем, предназначенных для широкого использования [1].

Для регулирования электроприводов необходимо использовать cтатический преобразователь частоты, который представляет собой электронное устройство, обеспечивающее плавное регулирование скорости трехфазных электродвигателей переменного тока путем преобразования фиксированных значений напряжения и частоты сети в изменяемые величины. Хотя принцип регулирования всегда оставался неизменным, в первоначальные преобразователи частоты было внесено много изменений, в частности применены тиристоры, которые в настоящее время управляются с помощью микропроцессора, и цифровые блоки [1].

Вследствие возрастающей степени автоматизации в промышленности, существует постоянная потребность в дополнительных средствах автоматического управления, и происходит непрерывное увеличение производственных скоростей и совершенствование методов в целях дальнейшего повышения эффективности промышленных предприятий [2].

В настоящее время электродвигатели являются важными стандартными промышленными изделиями. Они рассчитаны на работу с фиксированной скоростью, и в течение многих лет продолжается работа, направленная на оптимизацию регулирования их рабочей скорости. Однако не все преобразователи частоты могут подойти для конкретного двигателя. При неправильном выборе преобразователя частоты возможны большие потери электрической энергии, что будет вести к дополнительным затратам, а также быстрому износу электрической машины. В этом и состоит актуальная проблема в современном электроприводе. Для исследования данной проблемы необходимо рассматривать преобразователь в совместной системе с электрическим двигателем , для того чтобы посмотреть как будет вести себя электрический двигатель и его характеристики в зависимости от параметров преобразователя. Поэтому моделирование и исследование преобразователя необходимо совместно с электрическим двигателем, поскольку система электропривода является зависимой.

Для таких целей будем использовать программную среду ANSYS Simplorer, которая будет описана в следующих разделах.

1. Статические преобразователи в системе электропривода

1.1 Анализ существующих статических преобразователей

Статические выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и устройства другого типа, выполненные на полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах, транзисторах), широко применяются в электроэнергетике, на транспорте, в коммунальном хозяйстве, в добывающей и перерабатывающей промышленности. Такие преобразователи позволяют связать в единую систему источники электроэнергии с различными частотами, подключить к источникам электродвигатели и другие нагрузки, обеспечить регулирование заданных параметров систем. Преобразователи, оснащенные современными микропроцессорными средствами, дают возможность реализовать самые разнообразные алгоритмы управления объектами. Их применение позволяет повысить степень автоматизации систем, реализовать энергосберегающие технологии, внедрить новые технологии, повысить надежность оборудования, увеличить срок его службы.

С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологии, а также благодаря снижению их стоимости. Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними [1].

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

1) Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключенной к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.

2) Промежуточная цепь одного из трех типов:

· преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.

· стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.

· преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.

3) Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя [3].

В качестве объекта исследования возьмем тяговый электропривод трамвайного вагона, который питается от сети постоянного тока, например, напряжением 580 . Поэтому в качестве преобразователя частоты удобнее будет в дальнейшем рассматривать автономный инвертор напряжения.

Автономные инверторы -- это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно получать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регулировать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно применение автономных инверторов в тяговых электроприводах электровозов, электропоездов, тепловозов, поскольку они питаются в основном от сети постоянного тока [3].

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автономные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими особенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из которых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надежной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных проблем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы и запираемые тиристоры). Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (одно операционные тиристоры), дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров [2].

Автономные инверторы в зависимости от схемного исполнения бывают двух видов:

· автономный инвертор напряжения (АИН)

· автономный инвертор тока (АИТ)

Дальнейший анализ системы электрического привода будем вести на основе автономного инвертора напряжения, поскольку тяговые привода электровозов, электропоездов, тепловозов питаются от сети постоянного тока, а использование двигателей постоянного тока является не экономично и не практично. Поэтому используются чаще всего асинхронные двигатели, которые питаются переменным напряжением. Именно поэтому в данной работе будем исследовать автономные инверторы напряжения, поскольку одной из основных их задач является преобразование постоянного напряжения в переменное [3].

1.2 Анализ программных средств для разработки и исследования статических преобразователей

Для моделирования и последующего анализа статических преобразователей существует ряд программных сред, отличающихся друг от друга конкретным назначением и методики решения поставленной задачи.

ANSYS® универсальная программа конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Она является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (CAE, ComputerAided Engineering) и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных, пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей). Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование - изготовление и испытания» [4].

В настоящее время программа ANSYS® представляет собой многоцелевой пакет проектирования и анализа, признанный во всем мире. Первая реализация программы значительно отличалась от последних ее версий и касалась только решения задач теплопередачи и прочности в линейной постановке. Как и большинство других программ того времени, она работала в пакетном режиме и лишь на мощных компьютерах [5].

Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы) позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель, созданная на персональном компьютере, может также использоваться на суперкомпьютере. Это обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач [5].

Множество различных программных инструментов и программных обеспечений существует для численного моделирования электромагнитных и тепловых процессов. Необходимо понимать разницу между различными продуктами, чтобы получить максимальную эффективность численного моделирования [7].

Для моделирования и исследования преобразователей хорошо подходит программный пакет ANSYS Simplorer, который подходит для моделирования электромеханических систем, в которых требуется проведение междисциплинарных расчетов и создающее полноценную электромеханическую лабораторию на рабочем столе компьютера [6].

Разработка мультидоменной системы является сложной задачей, требующей больших усилий. В такую систему входит множество нелинейных компонентов из различных областей физики: электрической, механической, тепловой и из области управления. Взаимодействие между областями делает однодоменные системы неэффективными [6].

ANSYS Simplorer -- системный инструмент, позволяющий параллельно использовать несколько стандартных техник моделирования (включает программы моделирования электрических цепей, блоксхем, VHDLAMS, конечный автомат, структурная схема, С/С++). Программа позволяет моделировать взаимодействие компонентов в разных инженерных областях [6].

Компонентами проектов ANSYS Simplorer могут быть модели, созданные в ANSYS Maxwell, ANSYS Q3D Extractor, ANSYS RMxprt, ANSYS PExprt. Модели, созданные в этих программах, конвертируются в формат ANSYS Simplorer. В сконвертированном виде эти модели представляют собой схемы замещения. Входы и выходы схемы замещения -- это концы обмоток и виртуальные концы с механическими параметрами (например, моментом, скоростью). К концам обмотки в ANSYS Simplorer подключается электрическая схема. К виртуальному выходу модели двигателя можно, например, подключить виртуальный источник момента нагрузки, который создает момент, изменяющийся во времени. В подобной схеме возможно, к примеру, смоделировать процесс пуска двигателя и получить его пусковую характеристику. Также могут быть использованы и другие приложения для решения поставленной задачи [5].

Программа Simulink - это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы.

Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени.

Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволят использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику [8].

Однако для решения поставленной задачи лучшим решением будет использование программной среды ANSYS Simplorer.

В настоящее время существует проблема взаимосвязи электрического двигателя и статического преобразователя в системе электропривода, т.е. проблема максимально эффективного использования преобразователя для выбранного электрического двигателя, уменьшение электрических потерь за счет правильного подбора преобразователя и т.д. Для решения данных проблем необходимо провести моделирование и анализ преобразователя в совместной системе с электрическим двигателем. Именно на решение этой проблемы направлена данная работа, т.е. моделирование преобразователя и его исследование, а также анализ влияния параметров электрических компонентов преобразователя(коммутирующих ключей, питающего напряжения и других параметров) на электрический двигатель и его характеристики.

Для моделирования и анализа статического преобразователя в системе электропривода был выбран программный пакет ANSYS Simplorer, который является программным продуктом, обеспечивающим гибкие и надежные способы для конечно элементного анализа. Особенностью выбранного продукта является файловая совместимость всех групп ANSYS®, что дает возможность сделать полный анализ всех внутренних процессов для создания максимальной эффективности работы.

В качестве статического преобразователя был выбран автономный инвертор напряжения для регулирования тяговым электроприводом трамвайного вагона.

2. Разработка и исследование моделей статических преобразователей частоты в ANSYS Simplorer

2.1 Двухуровневый автономный инвертор напряжения с резистивной нагрузкой

Для питания электрического привода (в нашем случае асинхронного двигателя) необходимо переменное трехфазное напряжение. Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение может осуществляться с помощью инвертора, выполненного на транзисторных модулях IGBT или на приборах IGCT. Одним из наиболее простых и распространенных статических преобразователей этого типа является автономный инвертор напряжения (АИН).В нашем случае он удобен тем, что тяговый привод питается от сети постоянного напряжения. Модель трехфазного двухуровневого АИН на транзисторных модулях IGBT приведена на рис. 1. преобразователь сеть инвертор напряжение

Рис. 1 Схема трехфазного двухуровневого АИН

Питание инвертора осуществляется от источника постоянного напряжения. Трехфазный мостовой инвертор содержит шесть транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Транзисторы подключены к положительному и отрицательному полюсам конденсатора, а также к фазам нагрузки. Трехфазная нагрузка представлена активными сопротивлениями R1,R2,R3.

В качестве параметров преобразователя возьмем реальные параметры тягового электропривода:

· Источник питания E2 имеет напряжение 580 В.

· Емкость С1 равна 1мкФ.

· Сопротивления в нагрузке равны 1 Ом

При анализе данной схемы предполагается, что вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии они замы-кают накоротко участки электрических цепей, в закрытом состоянии разрывают их. Другое допущение - каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, работают в противофазе, если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Отсутствуют ситуации, в которых оба транзистора одной фазы закрыты или оба открыты. В схеме Рис. 1 с помощью транзисторов и обратных диодов фазы нагрузки подключаются или к положительному или к отрицательному полюсу конденсатора или замыкаются накоротко. За счет изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Схема управления АИН и последовательность включения ключей представлена на рис. 2.

Рис. 2 Схема управления ключами

Схема управления содержит 6 переходных состояний транзисторов. В первом состоянии открыты 1, 3,5 транзисторы; во втором- 2,3,6; в третьем- 2,3,5; в четвертом- 2,4,5; в пятом- 1,4,5; в шестом- 1,4,6.

Для управления включениями ключей также необхоимы 2 сигнала: сигнал управления (синус) и опорный сигнал ( пила). Идет сравнение сигнала управления с опорным сигналом. В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Когда значение сигнала управления (синуса) находится выше нуля, то при равенстве значений сигналов транзистор находится во включенном состоянии. Если ниже, то в выключенном состоянии. Если увеличить частоту опорного сигнала, то транзисторы будет включаться и выключаться быстрее (изменится скважность выходного сигнала).

Данная схема работает в режиме синусоидальной ШИМ, поскольку напряжения управления синусоидальное и его амплитуда не превышает амплитуду опорного напряжения.

Параметры опорного сигнала:

- амплитуда: 1

- частота: 2кГц

Параметры сигнала управления:

- амплитуда: 0.8

- частота: 50 Гц

В результате моделирования АИН получим следующее выходное напряжение (Рис. 3).

Из данной выходной характеристики видно, что на выходе АИН получилось трехфазное переменное напряжение, которое и необхоимо было получить на выходе. Отсюда можно сделать вывод, что данная модель АИН работает адекватно и пригодна для дальнейшего анализа.

Однако выходное напряжени двухуровневого АИН является не точным, поэтому стоит также рассмотреть трехуровневый АИН, напряжение на выходе которого более точное.

Рис. 3 Фазное напряжение

2.2 Трехуровневый автономный инвертор напряжения с резистивной нагрузкой

Раздел посвящен построению и исследованию модели трехфазного двухуровневого АИН, работающего на резистивную нагрузку.

В трехфазных трехуровневых автономных инверторах напряжения в каждом плече моста используются два транзистора или тиристора, включенных последовательно. Напряжения между последовательно включенными полупроводниковыми приборами делятся приблизительно поровну с помощью последовательно соединенных конденсаторов в звене постоянного тока, а также при использовании дополнительных диодов, с помощью которых точка соединения друг с другом конденсаторов объединяется с точками соединения друг с другом полупроводниковых приборов в каждом плече моста.

Расчетная схема преобразования с трехфазным трехуровневым инвертором напряжения, питающимся от источника постоянного напряжения, представлена на рис. 4.

Рис. 4 Схема трехуровнего АИН

В рассматриваемой схеме для формирования напряжений трехфазной нагрузки используются три уровня напряжения - нулевой уровень, напряжение на одном конденсаторе и напряжение на двух последовательно соединенных конденсаторах. В связи с этим рассматриваемую схему называют трехуровневой.

Основные преимущества трехуровневых автономных инверторов напряжения по сравнению с двухуровневыми преобразователями:

? повышенное напряжение преобразователя на входе и выходе при использовании сравнительно низковольтных элементов (транзисторных модулей, конденсаторов);

? повышенная единичная мощность преобразователя;

? меньшие искажения напряжения и тока нагрузки при работе в режиме синусоидальной ШИМ;

? меньшие динамические потери энергии в вентилях преобразователя при работе в режиме синусоидальной ШИМ.

Параметры схемы аналогичны параметрам в предыдущей схеме.

Схема управления представлена на рис. 5.

Рис. 5 Схема управления ключами

Схема управления соддержит 12 перехоных состояний: в первом открыты транзисторы 2,3,5,6,11,12; во втором- 1,2,5,6,11,12; в третьем- 1,2,6,7,11,12; в четвертом- 1,2,7,8,11,12; в пятом- 1,2,7,8,10,11; в шестом- 1,2,7,8,9,10; в седьмом- 2,3,7,8,9,10; в восьмом- 3,4,7,8,9,10

Список литературы

1. Басов К. А. ANSYS® и LMS Virtual Lab. Геометрическое моделирование - М.:ДМК Пресс, 2006 - С.240. - ISBN 5-94074-301-3

2. Nemkov, V.: Role of Computer Simulation In Induction Heating Technique. Proceedings of Int. Induction Heating Seminar, Padua (Italy), 13-15 May, 1998, pp. 301-308 140 Bibliography

3. Онищенко Г. Б. Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений.: Издательский центр «Академия*, 2006. -- 288 с.

4. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / [Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.] ; под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. - М. : Издательский центра "Академия", 2006. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru