XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и прочего оборудования. Имеется также раздел содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений.

Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет значительно упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков SimPowerSystems можно использовать блоки и остальных библиотек Simulink, а также функции самого MATLAB, что дает практически не ограниченные возможности для моделирования электротехнических систем.

Библиотека SimPowerSystems достаточно обширна. В том случае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности Simulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения.

Таким образом, SimPowerSystems в составе Simulink на настоящее время может считаться одним из лучших пакетов для моделирования электротехнических устройств и систем.

Целью моделирования является построение характеристик зависимости момента и угловой скорости вращения электродвигателя от времени при пуске, а также определение перерегулирования, разрегулирования и времени переходного процесса. Также необходимо будет выполнить сопоставление промоделированных параметров с расчётными значениями. Выполним моделирование на простой модели с прямым пуском асинхронного двигателя для проверки рассчитанных параметров.

Перед началом моделирования приведем справочные параметры выбранного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 4А315М4УЗ, которые понадобятся для расчета остальных недостающих обмоточных данных.

Таблица 1. Исходные данные двигателя рабочего органа комбайна

Наименование параметра	Значение
Марка электродвигателя	4А315М4УЗ
Высота оси вращения вала,	315 мм
Мощность,	200 кВт
Синхронная частота вращения,	1500 об/мин
Номинальная частота вращения,	1480 об/мин
Номинальное скольжение,	1,3 %
КПД,	0,94
Коэффициент мощности,	0,92
Номинальное напряжение,	1140 В
Отношение пускового тока к номинальному,	6,0
Отношение пускового момента к номинальному,	1,3
Отношение максимального момента к номинальному,	2,2
Момент инерции,	3,63 кгм2
Число пар полюсов,	2

Для моделирования двигателя произведем расчет недостающих обмоточных данных по методике профессора И.В. Черных.

1. Механические потери:

2. Приведенная мощность двигателя:

3. Номинальный ток двигателя:

4. Сопротивления обмотки статора двигателя:

5. Сопротивление обмотки ротора:

6. Приведенная индуктивность обмоток статора и ротора:

7. Индуктивность обмоток статора и ротора:

8. Взаимоиндукция между обмотками статора и ротора:

9. Проверка обмоточного коэффициента:

Модель представляет собой принципиальную схему, состоящую из источников напряжения, асинхронного двигателя, блока для измерения основных параметров двигателя, осциллографа для измерения тока, момента и скорости и графопостроителя для отображения механической характеристики двигателя.

Рис. 1. Модель прямого пуска асинхронного двигателя

Рассчитанные параметры двигателя подставляем в окно параметров блока асинхронного двигателя.

Рис. 2. Окно параметров асинхронного двигателя

Промоделировав, снимаем показатели напряжения, тока, угловой скорости и момента. Сравниваем рассчитанные параметры с результатами моделирования и делаем соответствующие выводы.

Рис. 3. Значения тока ротора

Рис. 4. Значения тока статора

На этих графиках показано значение тока при заданных параметрах двигателя. Данные значения имеют расхождения с расчётными данными.

Рис. 5. Скорость вращения ротора при прямом пуске

Данный график показывает нам параметры скорости вращения ротора (в об/мин) в зависимости от времени моделирования. Из графика видно, что время переходного процесса моделирования немного превышает 1 секунду, а перерегулирование отсутствует.

Рис. 6. Момент двигателя при прямом пуске

График момента отображает зависимость электромагнитного момента АД от времени моделирования. При пуске пусковой момент превышает допустимые значения (1,6*М_н). Рабочее значение момента составляет 2000 Н*м, что почти совпадает с расчетным значением.

На следующем графике показана зависимость угловой скорости ротора от электромагнитного момента асинхронного двигателя.

Рис. 7. Зависимость угловой скорости от момента двигателя

Этот график можно считать механической характеристикой асинхронного двигателя. Она имеет некоторые расхождения с расчётной естественной механической характеристикой электродвигателя рабочего органа комбайна.

В результате произведенного моделирования видно, что пусковой ток статора значительно превышает расчетное значение. Это говорит о нецелесообразности использования прямого пуска для такого мощного электродвигателя рабочего органа добычного комбайна, т.к. будет наблюдаться большой перегрев двигателя и чрезмерный расход электроэнергии. В целом по быстродействию и номинальной нагрузке выбранный двигатель полностью подходит для использования на добычном комбайне с учетом установки плавного пуска или системы управления типа ПЧ-АД, ТРН или УВ-АИН.

Список литературы:

1. Bebikhov Y.V., Semenov A.S., Semenova M.N., Pavlova S.N., Glazun M.A., Miftahova N.K. // E3S Web of Conferences. 2019. V. 124. С. 03015.

2. Bebikhov Yu.V., Semenov A.S., Yakushev I.A., Kugusheva N.N., Pavlova S.N., Glazun M.A. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 643. С. 012067.

3. Egorov A.N., Semenov A.S., Bebikhov Yu.V., Sigaenko A.A. // International Journal of Energy for a Clean Environment. 2019. Т. 20. № 2. С. 153-165.

4. Semenov A.S. // Международный журнал экспериментального образования. 2013. № 12. С. 65-66.

5. Volotkovskaya N.S., Kugusheva N.N., Semenov A.S., Yakushev I.A., Pavlova S.N., Kolosova O.V. // E3S Web of Conferences. 2019. V. 124. С. 04001.

6. Бебихов Ю.В., Егоров А.Н., Матул Г.А., Семёнов А.С., Харитонов Я.С. // Естественные и технические науки. 2018. № 8 (122). С. 228-234.

7. Бебихов Ю.В., Семёнов А.С., Семёнова М.Н., Якушев И.А. // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2019. Т. 7. № 3 (26). С. 12.

8. Бебихов Ю.В., Семёнов А.С., Семёнова М.Н., Якушев И.А. // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2019. № 4. С. 29-36.

9. Волотковская Н.С., Волотковский А.А., Семёнов А.С., Кинаш А.А. // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Экономика и право. 2019. № 6. С. 14-18.

10. Волотковская Н.С., Семенов А.С., Федоров О.В. // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2019. № 3 (78). С. 52-62.

11. Волотковская Н.С., Семёнов А.С., Федоров О.В. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 46-55.

12. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Федоров О.В. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2017. № 4 (119). С. 86-93.

13. Егоров А.Н., Семёнов А.С., Федоров О.В., Харитонов Я.С. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. Т. 10. № 2 (38). С. 60-72.

14. Егоров А.Н., Семенов А.С., Харитонов Я.С., Федоров О.В. // Горный журнал. 2019. № 2. С. 77-82.

15. Егорова А.А., Семёнов А.С., Петрова М.Н. // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 840.

16. Заголило С.А., Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 11-3. С. 333-336.

17. Матул Г.А., Семёнов А.С. // Естественные и технические науки. 2016. № 12 (102). С. 265-268.

18. Матул Г.А., Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 7. С. 32-36.

19. Рушкин Е.И., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 341-342.

20. Саввинов П.В., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 232.

21. Семёнов А.С. // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2014. Т. 11. № 1. С. 51-59.

22. Семёнов А.С. // Естественные и технические науки. 2013. № 4. С. 296-298.

23. Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 9-2. С. 29-34.

24. Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 5-3. С. 391-395.

25. Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 5. С. 122-128.

26. Семёнов А.С. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 11. С. 97-100.

27. Семёнов А.С. // Мир современной науки. 2013. № 1 (16). С. 12-15.

28. Семёнов А.С. // Наука в центральной России. 2012. № 2S. С. 23-27.

29. Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 232-236.

30. Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 9-3. С. 445-451.

31. Семёнов А.С., Бондарев В.А. // Фундаментальные исследования. 2016. № 4-1. С. 112-117.

32. Семёнов А.С., Бондарев В.А., Заголило С.А. // Фундаментальные исследования. 2017. № 9-1. С. 86-92.

33. Семенов А.С., Егоров А.Н. // Каротажник. 2018. № 11 (293). С. 85-99.

34. Семёнов А.С., Кугушева Н.Н., Хубиева В.М. // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-5. С. 1066-1070.

35. Семёнов А.С., Кугушева Н.Н., Хубиева В.М., Матул Г.А. // Естественные и технические науки. 2014. № 3 (71). С. 165-171.

36. Семёнов А.С., Самсонов А.В., Бебихов Ю.В., Матул Г.А. // Естественные и технические науки. 2015. № 6 (84). С. 446-450.

37. Семёнов А.С., Самсонов А.В., Матул Г.А., Черенков Н.С., Заголило С.А., Мартынова А.Б. // Естественные и технические науки. 2015. № 10 (88). С. 331-334.

38. Семёнов А.С., Харитонов Я.С., Егоров А.Н. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. № 2 (121). С. 123-131.

39. Семёнов А.С., Хубиева В.М., Петрова М.Н. // Фундаментальные исследования. 2015. № 10-3. С. 523-528.

40. Семёнов А.С., Якушев И.А., Егоров А.Н. // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 8. С. 56-64.

41. Федоров О.В., Семёнов А.С., Егоров А.Н., Хубиева В.М. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 9-10. С. 91-97.

42. Шипулин В.С., Семёнов А.С. // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-2. С. 344-347.

Код для цитирования: Скопировать