Электропривод Буровой Лебедки 0200 000000 023ПЗ

4 Моделирование системы преобразователь-двигатель-лебедка

4.1 Модель двигателя постоянного тока

 

На рисунке 4.1 схематически показан двигатель постоянного тока  
с независимым возбуждением. Уравнения, которыми описываются электромагнитные и электромеханические процессы в этом двигателе, имеют вид:

 

 (4.1)

 (4.2)

 (4.3)

 (4.4)

 (4.5)

 (4.6)

 

Рисунок 4.1 – ДПТ с независимым возбуждением

В уравнениях (4.1) – (4.6) индексом «В» отмечены переменные  
и параметры, относящиеся к обмотке возбуждения, индексом «Я» – переменные и параметры, относящиеся к якорю, коэффициенты k_Ф, k_E, k_M являются конструктивными постоянными.

Уравнениям (4.1) – (4.6) соответствует модель, представленная  
на рисунке 4.2.

На рисунке 4.3 представлена механическая характеристика, полученная на имитационной модели Модель имеет два входа управления: U_a – управление по цепи якоря, U_f – управление по цепи возбуждения и один вход  
по возмущению M_н – возмущение по моменту нагрузки. Блок «Transfer Fcn» моделирует цепь возбуждения (постоянная времени цепи Т – 0,02 с). Блоки «Product» и «Product1» реализуют умножение в соответствии с уравнениями (4.1) и (4.2). Блоки «Sum», «Gain» и «Integrator» реализуют уравнение (4.3).

Рисунок 4.2 – Имитационная модель ДПТ НВ

Рисунок 4.3 – Механическая динамическая характеристика, полученная в результате моделирования

На рисунке 4.4 представлены результаты моделирования двигателя, управляемого по цепи якоря.

Рисунок 4.4 – Изменения скорости и момента однозонном регулировании

Управление по цепи возбуждения подается немного раньше  
(на 4–5 постоянного времени цепи возбуждения) для того, чтобы к моменту подачи управляющего и возмущающего воздействия поток в машине установился. Напряжение на обмотку возбуждения подается в начальный момент времени моделирования. Напряжение на обмотку якоря подается спустя 2 с от момента начала моделирования. Момент нагрузки изменяется спустя 5 с после начала моделирования. Напряжение на обмотке возбуждения подается равным единице. Напряжение на обмотке якоря подается равным 0,8 о.е. Момент сопротивления равен 0,2 о.е. Время моделирования составляет 10 с.  
Все эти параметры заложены в блоках, моделирующих соответственно напряжение обмотки возбуждения, якоря и момент нагрузки.

В приводах постоянного тока с двигателем с независимым возбуждением используется двухзонное регулирование. В этом случае двигатель управляется и по цепи возбуждения и по цепи якоря. Обычно эти управления разнесены.  
По цепи якоря при постоянном потоке возбуждения управление осуществляется при значительных моментах на валу, а управление по цепи возбуждения – при малых моментах.

На  рисунке 4.5 представлены результаты при двухзонном регулировании двигателя, когда при малых моментах необходимо получить скорость большую скорости идеального холостого хода. Для этого в реальных системах уменьшают поток двигателя. Условия моделирования при двухзонном регулировании такие же как и при однозонном регулировании с тем лишь отличием, что момент сопротивления равен 0,1 о.e, а напряжение на обмотке возбуждения равно 0,5 о.е.

При моделировании электроприводов  в среде Matlab, в частности, графическом приложении Simulink, приведенной выше моделью ДПТ  
не пользуются, так как она достаточна громоздка. В Simulink Library существует готовая модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Пиктограмма модели представлена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.5 – Изменение скорости и момента при двухзонном регулировании

Рисунок 4.6 – Пиктограмма модели ДПТ НВ в Simulink

 

Порты модели «А+» и «А-» являются выводами обмотки якоря машины,  
а порты «F+» и «F-» представляют собой выводы обмотки возбуждения. Порт TL предназначен для подачи момента сопротивления движению. На выходном порту m формируется векторный сигнал, состоящий из четырех элементов: скорости, тока якоря, тока возбуждения и электромагнитного момента машины.

Схема модели машины постоянного тока представлена на рисунке 4.7, Параметры блока задающие модель «DC machine», указаны в приложении А):

Рисунок 4.7 – Визуальная модель машины постоянного тока

Цепь якоря машины представлена последовательно включенными элементами «R_a» – активное сопротивление якорной цепи, «L_a» - индуктивность якорной цепи и «E_FCEM» – ЭДС обмотки якоря (управляемый источник напряжения). Величина ЭДС обмотки якоря вычисляется  
по выражению

 

 

где E – ЭДС обмотки якоря,

ω – скорость вращения вала электродвигателя,

К_E – коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС.

 

Коэффициент пропорциональности между  скоростью и ЭДС зависит  
от величины тока обмотки возбуждения машины

 

 

где L_af – взаимоиндуктивность между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения,

I_f – ток обмотки возбуждения машины.

Фильтр возбуждения машины представлена на схеме элементами  
«R_a» и «L_a - активное сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения.

Механическая часть модели вычисляет  скорость вращения вала машины  
в соответствии с уравнением

 

 

где Т_e – электромагнитный момент машины,

В – коэффициент вязкого трения,

T_L – коэффициент сухого трения.

 

Механическая часть модели представлена интегратором и усилителем  
с коэффициентом передачи 1/J, а также соответствующими сумматорами  
и умножителем.

Величина электромагнитного момента  машины вычисляется  
в соответствии с выражением

 

 

где I_а – ток якоря,

К_T – коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом и током якоря. По величине коэффициент К_T равен К_E.

 

Параметры блока, моделирующего ДПТ  НВ:

• armature resistance and inductance Ra (ohms) La (H) – активное сопротивление Ra, Ом и индуктивность цепи якоря La, Гн;
• field resistance and inductance Rf (ohms) Lf (H) – активное сопротивление Rf, Ом и индуктивность цепи возбуждения Lf, Гн;
• field-armature mutual inductance Laf (H) – взаимная индуктивность между цепью якоря и цепью возбуждения двигателя Laf, Гн;
• total inertia J (kg*m2) – момент инерции двигателя J, кг·м²;
• viscous friction coefficient Bm (N*m*s) – коэффициент вязкого трения 
  Bm, Н·м·с;
• coulomb friction torque Tf (N*m) – реактивный момент сопротивления 
  Tf, Н·м;
• Initial speed (rad/s) – начальная угловая скорость вала двигателя, рад/с.

Параметры машины постоянного тока с независимым возбуждением можно определить на основе ее каталожных данных по следующим выражениям:

 

 (4.7)

 (4.8)

 (4.9)

 (4.10)

 (4.11)

 (4.12)

 (4.13)

 (4.14)

где I_В – ток обмотки возбуждения,

U_В – напряжение обмотки возбуждения,

R_В – активное сопротивление обмотки возбуждения,

L_В – индуктивность обмотки возбуждения,

I_ном.Я – номинальный ток обмотки якоря,

U_ном.Я – номинальное напряжение обмотки якоря,

R_ном.Я – активное сопротивление обмотки якоря,

M_ном. – номинальный момент,

P_ном. – номинальная мощность,

n_ном. – номинальная скорость вращения якоря,

ω_ном. – номинальная скорость вращения якоря

П_мех. – общие механические потери машины.

 

Индуктивность якорной цепи может  быть найдена по формуле:

 

 (4.15)

где С = 1÷2,5 для машин с компенсационной обмоткой,

C = 6 для некомпенсированных машин,

p – число пар полюсов.

 

4.2 Модель нагрузки на валу двигателя

 

Моделируется подъем 1 свечи колонны бурильных труб. Вес колонны максимален. Момент нагрузки дискретно уменьшается. Время установившегося процесса также дискретно уменьшается. В модели, для упрощения, момент нагрузки представлен в относительных единицах. Это позволяет  
в последующих исследованиях изменять момент нагрузки, добавляя к модели лишь блок усиления.

Рисунок 4.8 – Блок, моделирующий ступенчатое воздействие

Так как диаграмма изменения момента нагрузки представляет собой ступенчатый график, то основным звеном, которое используется  
в моделировании.

Рисунок 4.9 – Модель одной свечи

Рисунок 4.10 – Графическое изображение модели момента нагрузки

Примем время разгона 3 с, подъема свечи 10 с, торможения 3 с  
и приложим смоделированную статическую нагрузку подъема одной свечи  
к модели ДПТ-НВ, и получим переходные процессы ω(t) и M(t), на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Изменения скорости и момента при подъеме одной свечи

4.3. Модель тиристорного преобразователя

 

Следующая модель необходимая для  формирования модели электропривода, является модель тиристорного преобразователя, работающего на активно-индуктивную  нагрузку. Модель представлена на рисунке 4.12.

В данной модели блоками «AC Voltage Source», «AC Voltage Source 1»  
и «АС Voltage Source2» моделируется трехфазная сеть, питающая тиристорный преобразователь. Блоками «Series RLC Branch», «Series RLC Branch1» и «Series RLC Branch2» моделируется распределенные параметры сети (активно-индуктивное сопротивление сети). Блоком «Synchronized 6-Pulse Generator» моделируется система управления тиристорным преобразователем. На порты «АВ», «ВС» и «СА» подается междуфазное напряжение. На порт «alpha_deg» подается управляющее воздействие. С помощью этого воздействия возможен перевод тиристорного преобразователя в инверторный режим. Блоком «Thyristor Converter» моделируется сам тиристорный преобразователь.

Рисунок 4.12 – Визуальная модель тиристорного преобразователя, работающего на активно-индуктивную нагрузку

Параметры блока «Thyristor Converter» (Окно задания параметров тиристорного преобразователя указано в приложении А):

• number of bridge arms – число плеч моста. из списка (1, 2 или 3);
• port configuration — конфигурация портов. Параметр определяет какие зажимы порта будут входными, а какие – выходными. Значение параметра выбирается из списка: ABC as input terminals – зажимы А, В и С являются входными, ABC as output terminals – зажимы А, В и С являются выходными;
• snubber resistance Rs (Ohm) – сопротивление демпфирующей цепи  
  Rs, Ом;
• snubber capacitance Cs (F) – емкость демпфирующей цепи Cs, Ф;
• power Electronic device – вид полупроводниковых устройств моста. Значение параметра выбирается из списка:  diodes – диоды, thyristors – тиристоры, GTO/Diodes – полностью управляемые тиристоры,  шунтированные обратными диодами,. – MOSFET/Diodes – MOSFET – транзисторы, шунтированные обратными диодами, – IGBT/Diodes – IGBT-транзисторы, шунтированные обратными диодами, Ideal Switches – идеальные ключи;
• measurements – измеряемые переменные. Параметр позволяет выбрать, передаваемые в блок Multimeter, переменные, которые затем можно увидеть  
  с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка (none – нет переменных для отображения; device voltages – напряжения  
  на полупроводниковых устройствах; device currents – токи полупроводниковых устройств; UAB UBC UCA UDC voltages» – напряжения на зажимах моста; all voltages and currents – все напряжения и токи моста.)

Рисунок 4.13 – Изменение входного и выходных параметров

Полученные данные при моделировании  показаны на рисунке 3.17 (сверху вниз):

• изменение токов фаз А и В на входе преобразователя I, А;
• изменение тока на выходе преобразователя i, А;
• изменение напряжения на выходе преобразователя U, кВ;
• изменение мощности на выходе преобразователя P, кВт.