Содержание
Привод трехфазного асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель обычно используется в промышленности, поскольку он надежен, прочен и недорог. Надежность является одним из существенных параметров, по которым выбирается двигатель, и в первую очередь в силу вступает асинхронный двигатель. Хорошо зарекомендовавший себя асинхронный двигатель дает хорошие результаты в различных режимах работы. Динамическое моделирование играет важную роль в оценке процесса проектирования модели, чтобы устранить ошибки проектирования в типичных типах конструкции и при тестировании системы привода двигателя. Асинхронный двигатель моделируется в синхронно вращающемся роторе, ориентированном на поток, который используется в качестве эталона.
1. Введение
Наиболее распространенным типом двигателя, используемого в промышленности, является асинхронный двигатель из-за его надежности, прочности и низкой стоимости. Первоначально использовался двигатель постоянного тока, так как он обеспечивает регулируемую скорость и крутящий момент.
Однако из-за наличия коммутатора требует постоянного обслуживания. Эта проблема была преодолена за счет использования асинхронного двигателя без коммутатора. Устранение коммутатора в асинхронном двигателе дешевле и шире в своем применении. Основная проблема с асинхронным двигателем — это трудоемкий контроль скорости. Достижения вскоре устранили эту проблему в силовых электронных преобразователях. Теперь для управления скоростью двигателя использовались инверторы. Использование инвертора устранило проблему управления скоростью, что привело к другой проблеме, связанной со стабильностью асинхронного двигателя с инверторным питанием.
Для проведения анализа асинхронного двигателя асинхронный двигатель моделируется в системе координат, которая вращается синхронно и ориентирована по потоку. Для бездатчикового векторного управления и схем управления асинхронным двигателем требуются отличные навыки хотя бы для некоторых данных асинхронного двигателя. Таким образом, необходимо было позаботиться об оценке параметров.
Из-за широкого использования асинхронных двигателей в различных отраслях промышленности моделирование и динамическое моделирование асинхронных двигателей имеют важное значение как для бизнеса, так и для научных кругов. Динамический и стационарный анализ асинхронного двигателя является сложной задачей. Преимущество динамического моделирования заключается в том, что оно помогает понять поведение асинхронного двигателя в динамическом режиме. Механические уравнения, используемые в динамическом моделировании, включают скорость, крутящий момент и время. Динамическое моделирование также можно использовать для моделирования дифференциальных напряжений, потоков и токов между статическим статором и вращающимся ротором. Обычно инвертор с датчиком скорости приводит в действие асинхронный двигатель. Однако этот датчик скорости может снизить надежность системы и увеличить инвестиционные затраты. Его реализация также сопряжена с трудностями. В нескольких исследованиях для преодоления этой проблемы используются асинхронные двигатели с приводами без датчиков скорости.
Были приняты во внимание различные устройства оценки скорости при отсутствии обратной связи, и их эффективность сравнивалась при изменении внутренних параметров и наличии внешних возмущений. Было обнаружено, что постановка MRAS лучше, чем вариант оценки скорости. Однако тот факт, что MRAS требует детальной модели системы привода и разницы скоростей между двумя двигателями, усугублял ее недостаток. Система не может достичь полной стабильности, если между двумя двигателями существует значительная разница в скорости [1] [2] . В свете этого было представлено новое безсенсорное устройство, основанное на адаптивном наблюдателе и модифицированной технологии управления развязкой. Однако из-за нестационарности оценки скорости в регенеративной зоне эта технология оказалась малопрактичной [3] .
В этом исследовании используются наблюдатели пониженного порядка для анализа оценок скорости и потока асинхронных двигателей без датчиков [4] [5] [6] .
Нет вариантов усиления, которые не обеспечивают стабильность. В этом исследовании также обсуждаются некоторые недавно обнаруженные особенности наблюдателя пониженного порядка в дополнение к вышеупомянутым. Исследователи работают над методом векторного управления для двух асинхронных двигателей, работающих параллельно. Этот подход, основанный на средних и разностях системных параметров, требует использования высокоскоростных цифровых процессоров [7] [8] . Дан анализ одного многоасинхронного двигателя с инвертированным питанием, работающего параллельно, на основе подхода преобразования Лапласа выходной модели к преобразованию Лапласа входной модели. Пришел к выводу, что система не может достичь устойчивости в сильно нагруженных условиях и может сохранять устойчивость только в условиях неравных нагрузок [9] [10] . Рабочие характеристики мощных асинхронных двигателей исследуются при постоянном напряжении с помощью метода частотного замкнутого контура без датчиков на основе широтно-импульсной модуляции с пространственным вектором (SVPWM) [11] [12] [13] .
Было предложено использовать преобразователь постоянного тока в переменный со звеном постоянного тока для привода асинхронного двигателя. Подход SVPWM помогает снизить потери вторичного переключения и значения тока. Учитывая, что коммутационная цепь активна в течение значительного времени, крайне важно уменьшить потери и значения тока на вторичном выключателе [14] .
Управление переключателями осуществляется методами мягкого и жесткого переключения с повышенной эффективностью. Четыре вспомогательных ключа используются для получения быстрых переходных процессов по сравнению с силовыми ключами. Асинхронный двигатель управляется квазирезонансным инвертором по схеме прямого управления моментом с модуляцией пространственного вектора. Напряжение источника фиксируется звеном постоянного тока [15] . Метод мягкого переключения используется для управления напряжением, крутящим моментом и скоростью [16] [17] . Мониторинг асинхронного двигателя — это процесс выявления развивающихся дефектов двигателя.
Во время работы асинхронный двигатель испытывает такие проблемы, как перенапряжение, превышение номинального тока, высокая температура, высокая номинальная скорость, мониторинг вибрации и т. д. Крайне важно установить осведомленность о реакции системы электропривода на режим отказа с точки зрения улучшенной конструкции системы, безопасности и беспристрастного контроля ошибок [18] [19] .
За последние несколько десятилетий наблюдалась эволюция асинхронных двигателей от двигателя со стабильной скоростью к двигателю с непредсказуемой скоростью и машине крутящего момента. Однако проблема управления двигателем постоянного тока при неисправностях [20] оставалась проблемой для его роста. Неотъемлемой и сложной темой для исследователей электротехники было исследование поведения асинхронных двигателей в нештатных режимах при наличии неисправностей и их диагностика (диагностика неисправностей). На промышленном предприятии внезапная непредвиденная поломка асинхронного двигателя из-за неисправности может нарушить высокий уровень производственного процесса.
Чтобы повысить качество и надежность, а также снизить стоимость производства, во многих отраслях промышленности для выполнения процесса автоматизации используется программируемый логический контроллер (ПЛК). Защитное реле, управляемое ПЛК, справляется с отказами, такими как обрыв фазы, превышение номинального тока, превышение номинального напряжения, без неравномерного смещения фаз питающего напряжения, без неравномерного смещения фаз токов и неконтролируемого повторного пуска [21] [22] .
Неисправности ротора и неисправности статора — это два типа неисправностей, существующих в электродвигателях. Наиболее распространенной из этих неисправностей является неисправность статора. Межвитковое замыкание в одной из катушек статора является основной причиной возникновения данного вида неисправности. Это короткое замыкание приводит к повышенному нагреву, что в конечном итоге приводит к замыканиям на землю и, наконец, к пробою статора. Неисправности ротора составляют лишь 20 % от общего числа неисправностей асинхронных двигателей, однако диагностика неисправностей ротора важна для промышленного применения [23] .
Протекание сильного тока в соседних стержнях асинхронного двигателя происходит из-за поломки стержней ротора и эксцентриситета воздушного зазора. Это в конечном итоге приводит к дальнейшим потенциальным поломкам и неисправностям статора. Для диагностики и устранения проблем, связанных с поломкой стержня ротора и эксцентриситетом воздушного зазора, в отраслях [24] широко используется MCSA (анализ характеристик тока двигателя). Применяя прогнозируемые параметры, асинхронные двигатели проектируются динамически. Таким образом, метод работы нацелен на повышение его эффективности от разработанного захвата для движения за счет использования многоуровневого инвертора вместо существующего инвертора источника напряжения, тем самым уменьшая пульсации крутящего момента и отклонение скорости при изменениях параметров. Система требует лучшего контроля, точности и более быстрой реакции на крутящий момент, а это было очень сложно из-за вычислений. Скорость двигателей можно определить с помощью генераторов, называемых тахогенераторами или энкодерами.
Это увеличит все расходы. Кроме того, была разработана передовая технология для управления двигателями без использования датчиков скорости.
Оценка параметров асинхронного двигателя с помощью испытаний на холостом ходу, испытаний на сопротивление при постоянном токе и испытаний с заблокированным ротором анализируется в моделировании, а также при настройке оборудования. Динамическое моделирование асинхронного двигателя с расчетными параметрами. Рассмотрено исследование производительности привода асинхронного двигателя параллельно с управлением по полю с использованием метода MRAS с регулятором скорости.
В промышленности часто используются приводы с регулируемой скоростью (ЧРП) для подключения асинхронных двигателей к сети электропитания. Однако использование преобразователей частоты часто приводит к пульсациям тока, что затрудняет поиск неисправности [25] . Для получения различных гармоник тока статора использовалось дискретное вейвлет-преобразование. Преимущество локального представления текущего сигнала как для исправного, так и для неисправного модуля обеспечивается DWT.
Кроме того, использование пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора для управления значениями KP и Ki дает изменяемые данные. Управление скоростью асинхронного двигателя проиллюстрировано на рис. Из всех вышеупомянутых методов быстрое преобразование Фурье реализовать проще всего. Единственным недостатком этого метода является то, что переходные сигналы, использующие частотно-временное представление, не могут быть им проанализированы.
Рисунок 1. Техника управления моторным приводом.
С другой стороны, STFT (кратковременное преобразование Фурье) полезно для анализа кратковременных сигналов с использованием частотно-временного описания, но его недостатком является то, что он может исследовать сигнал только со всеми частотами для стабильного размера окна. Это несовершенное частотное решение этого метода представляет собой переходный сигнал, использующий временную частоту [26] . Тем не менее, вейвлет-преобразование является мощным инструментом, помогающим в обнаружении неисправностей и диагностике двигателей за счет использования окна регулируемого размера.
Различные программные методы, а также методы, используемые для диагностики неисправностей, включают Matlab, LabVIEW, Pscad, Neutral Net и т. д. Искусственная нейронная сеть, нечеткая логика и модуляция пространственного вектора — это несколько интеллектуальных методов, которые были разработаны для обнаружения неисправностей и их раннего возникновения. а также избежать серьезных проблем [27] .
2. Моделирование и обсуждение результатов динамического моделирования трехфазного асинхронного двигателя
Значение параметров, а именно скорости, d-q тока, крутящего момента и трехфазного напряжения, получается из d-q представления двигателя переменного тока, с помощью Симулинк. Основная потребность в этой динамической модели в форме пространства состояний заключается в том, что она важна для выполнения анализа переходных процессов асинхронного двигателя или, в частности, для компьютерного моделирования с использованием MATLAB/SIMULINK. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором требует трех входных данных: скорость вращения ротора, трехфазное напряжение и основные частоты.
Когда исследователи подают эти три входа, на выходе получаются скорость вращения ротора, трехфазные токи и крутящий момент 9.0009 [28] [29] [30] . Основной предпосылкой модели d-q является преобразование всей трехфазной переменной в двухфазную вращающуюся систему отсчета. В результате конструкция машины переменного тока будет состоять из блоков, которые преобразуют трехфазное напряжение в систему d-q и токи обратно в три фазы. Кроме того, в динамической конструкции d-q асинхронного двигателя установлен вектор ориентированного на поле управления, которое считается значительным управлением приводом. Двигатель может быть смоделирован во вращающейся и неподвижной раме. Основными рассматриваемыми переменными являются уравнение пространства состояний машины в корпусе ротора с потокосцеплениями, показанными на рис. 9.0071 Рисунок 2 . Имитируемая модель легко разрабатывается, поскольку Simulink является программатором операций модели [31] [32] [33] [34] .
Рис. 2. ( a ) Подсистема динамического моделирования трехфазной асинхронной машины. ( b ) Моделирование динамического моделирования трехфазной асинхронной машины.
Параметры асинхронного двигателя, а именно, крутящий момент, скорость, ток ротора и статора, устанавливаются путем моделирования динамических моделей, как показано в Рисунок 2 . Моделирование потока, от abc до dq и нагрузки показано на рис. 3 , рис. 4 и рис. 5 соответственно.
Рис. 3. Зависимость потока от тока.
Рисунок 4. Преобразование ABC в dq.
Рис. 5. Нагрузка для динамического моделирования.
Результаты моделирования асинхронного двигателя приведены со следующими характеристиками: R s = 6,03 Ом, R r = 6,085 Ом, L м = 0,4893 Н, f б = 50 Гц, р = 4, J = 0,011787, В = 0,0027, L r = 0,5192 H, L с = 0,5192 r − L m , L sl = L s − L m , T s = 2 × 10 −6 N-M, T r = L r /R r .
Выходное напряжение трехфазного асинхронного двигателя изображено на рис. 6 с амплитудой 340 Вольт и током статора на рис. 7 .
Рис. 6. Выходное напряжение трехфазного асинхронного двигателя.
Рис. 7. Ток статора.
На рис. 8 представлены скорость и крутящий момент двигателя для различных моментов времени для асинхронного двигателя. В момент ровно 1,5 с отмечается скорость 1490 об/мин. После этого момента времени она остается постоянной на уровне 1490 об/мин. Следовательно, крутящий момент колеблется от значений от 2 до 85 Н-м до скорости 1490 об/мин. После этого крутящий момент остается равным 0. Следовательно, эта цифра помогает сделать вывод, что асинхронный двигатель может развивать скорость 1490 об/мин в стабильном состоянии. Здесь представлена d-q модель асинхронного двигателя, разработанная с использованием Simulink. Эта модель имеет различные применения и удобна для использования электрических машин, а курсы по силовой электронике могут использоваться в лабораториях в качестве исследовательского инструмента.
Метод блочной модели был изучен для построения модели двигателя. Это позволяет студентам решать вопросы, связанные с теорией систем отсчета. Усовершенствованная модель интуитивно понятна, проста в использовании и дает корпусу доступ ко всем параметрам двигателя для контроля и сравнения. Кроме того, эта модель может помочь в изучении динамического поведения асинхронного двигателя. В представленную модель можно добавлять новые подсистемы для реализации различных схем управления. Кроме того, представленная модель может быть объединена с различными топологиями инвертора и методами широтно-импульсной модуляции (ШИМ) после внесения в модель нескольких незначительных модификаций.
Рис. 8. Реакция скорости и крутящего момента асинхронного двигателя.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gif» valign=»top»>
powerparts.it
