Modelování a simulace podsynchronní kaskády Elektrické stroje, přístroje a pohony Katedra elektrických pohonů a výkonové elektroniky Modelování a simulace podsynchronní kaskády Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Ivo Neborák, CSc. Řešitel: Bohumil Maliňák

Zadání diplomové práce Popište princip činnosti podsynchronní kaskády. Sestavení matematického modelu podsynchronní kaskády. Sestavení simulačního modelu podsynchronní kaskády. Ověření vlastností pohonu s podsynchronní kaskádu pomocí simulace.

Principiální schéma podsynchronní kaskády Obr. 1 – Schéma podsynchronní kaskády Obr. 2 – Mechanické charakteristiky

Dimenzování měničů v rotoru Pro dimenzování je nutno použít následující vztahy: Pro můstkové spojení je maximální stejnosměrné napětí:  Napětí střídače při úhlu a = 150°: Pro napětí střídače platí též: Sekundární napětí transformátoru volíme tak, aby pro napětí a rozsah regulace bylo nastaveno odpovídající protinapětí: Měnič je dimenzován na spodní hranici regulačního rozsahu smax.U20. K dosažení této rychlosti jsou většinou paralelně připojeny spouštěcí odpory. Pozn.: Odpory mohou být i ve stejnosměrném meziobvodu.

Matematický model podsynchronní kaskády Zjednodušení: pro asynchronní motor: Stroj je symetrický, vinutí je symetricky rozloženo po obvodu stroje, vzduchová mezera konstantní. Nulový vodič není připojen. Ztráty v železe zanedbány. Odpory a indukčnosti ve všech fázích stejné a konstantní. Činný odpor a indukčnost napájecího zařízení se při řešení přechodných dějů obvykle zanedbávají. pro měniče v rotoru Měniče jsou uvažovány jako celek. Ideální polovodičové prvky s ideální komutací. Neuvažování vlivu vyhlazovací tlumivky ve stejnosměrném meziobvodu. Napájení měničů bráno jako indukované napětí asynchronního motoru.

Matematický model podsynchronní kaskády Model asynchronního motoru byl sestaven na základě rovnic ve stavovém prostoru:

Matematický model podsynchronní kaskády Pro měniče v rotoru bylo potřeba vytvořit modifikaci modelu asynchronního motoru. Postup byl následující: Bylo potřeba snímat indukované napětí rotoru. To pak synchronizovat s řídícím napětím, kterým je řízeno protinapětí na výstupu. Takto synchronizované napětí přivádět zpět do modelu asynchronního motoru s kladnou zpětnou vazbou jako napětí vnucované do rotoru.

Matematický model podsynchronní kaskády Obr. 1 – Blokové schéma asynchronního motoru s parametry měničů v rotoru

Simulační schéma podsynchronní kaskády Je použit 3-f asynchronní motor s kroužkovou vazbou P112-M04 o parametrech: Pn = 2,7 kW; nn = 1360 ot./min.; p = 2; fn = 50 Hz; Mn = 19 Nm; U20 = 108 V; Jm = 0,013 kgm2. Pro regulaci jsou použity PI regulátory o parametrech: KRI = 0,1; TRI = 100 ms; omezeni = -6,67 V; 0 V KRw = 3; TRw = 500 ms; omezeni = ± 50 A Parametry experimentálně nastaveny. Obr. 1 – Regulační struktura podsynchronní kaskády

Simulační schéma podsynchronní kaskády Obr. 2 – Simulační model struktury podsynchronní kaskády

Simulační výsledky V MATLABu jsem nasimuloval podsynchronní kaskádu podle uvedeného simulačního modelu. Provedl jsem experimentální nastavení parametrů regulačního obvodu podsynchronní kaskády. V následující části jsou pak uvedeny jednotlivé průběhy, ze kterých jsem si ověřil vlastnosti pohonu s podsynchronní kaskádou.

Průběhy pro regulační rozsah 1:2 t [s] t [s] Obr. 1 – Průběh proudu is [A] pro žádanou rychlost wž = 157 rad/s Obr. 2 – Průběh proudu is [A] pro žádanou rychlost wž = 120 rad/s t [s] t [s] Obr. 3 – Průběh proudu is [A] pro žádanou rychlost wž = 90 rad/s Obr. 4 – Průběh proudu is [A] pro žádanou rychlost wž = 80 rad/s

Průběhy pro regulační rozsah 1:2 t [s] t [s] Obr. 1 – Průběh proudu ir [A] pro žádanou rychlost wž = 157 rad/s Obr. 2 – Průběh proudu ir [A] pro žádanou rychlost wž = 120 rad/s t [s] t [s] Obr. 3 – Průběh proudu ir [A] pro žádanou rychlost wž = 90 rad/s Obr. 4 – Průběh proudu ir [A] pro žádanou rychlost wž = 80 rad/s

Průběhy pro regulační rozsah 1:2 t [s] t [s] Obr. 1 – Průběh rychlosti wm [rad/s] pro žádanou rychlost wž = 157 rad/s Obr. 2 – Průběh rychlosti wm [rad/s] pro žádanou rychlost wž = 120 rad/s t [s] t [s] Obr. 3 – Průběh rychlosti wm [rad/s] pro žádanou rychlost wž = 90 rad/s Obr. 4 – Průběh rychlosti wm [rad/s] pro žádanou rychlost wž = 80 rad/s

Průběhy pro regulační rozsah 1:2 t [s] t [s] Obr. 1 – Průběh momentu M [N.m] pro žádanou rychlost wž = 157 rad/s Obr. 2 – Průběh momentu M [N.m] pro žádanou rychlost wž = 120 rad/s t [s] t [s] Obr. 3 – Průběh momentu M [N.m] pro žádanou rychlost wž = 90 rad/s Obr. 4 – Průběh momentu M [N.m] pro žádanou rychlost wž = 80 rad/s

Průběhy pro regulační rozsah 1:2 t [s] t [s] Obr. 1 – Průběh úhlu řízení ař [rad] pro žádanou rychlost wž = 157 rad/s Obr. 2 – Průběh úhlu řízení ař [rad] pro žádanou rychlost wž = 120 rad/s t [s] t [s] Obr. 3 – Průběh úhlu řízení ař [rad] pro žádanou rychlost wž = 90 rad/s Obr. 4 – Průběh úhlu řízení ař [rad] pro žádanou rychlost wž = 80 rad/s

Závěr Podsynchronní kaskáda využívá stávající třífázový asynchronní motor s kroužkovou kotvou. K rotoru připojena sestava měniče, která je napájena transformátorem. Pro přepínání mezi regulačními rozsahy je nutno připojit transformátor s určitým typovým výkonem – pro nižší rozsah vyšší typový výkon transformátoru. Při stejném momentu pohonu sledujeme změnu rychlosti od jmenovitých otáček do nejnižších možných při daném regulačním rozsahu. Provedl jsem ověření vlastností pohonu s podsynchronní kaskádou, tyto vlastnosti odpovídají vlastnostem teoretickým.

Děkuji za pozornost