Электромеханический комплекс научных
исследований
Прошин
Иван Александрович,
доктор технических наук, профессор,
Прошин
Дмитрий Иванович,
кандидат технических наук, доцент,
Прошина
Раиса Дмитриевна,
соискатель.
Пензенская государственная
технологическая академия.
Структура интегрированного электромеханического
комплекса (ИЭМК), представляющего собой многофункциональный объект исследований
(МФО), основывается на концепции интегрированных комплексов сетевых автоматизированных
лабораторий (ИКСАЛ) с использованием виртуально-физической среды (рис. 1).
Рис. 1.
Структура интегрированного электромеханического комплекса.
ИЭМК объединяет совокупность
технических, математических, программных и методических средств, обеспечивающих
научные исследования и профессиональную подготовку по направлению «Автоматизация
и управление» [1 – 3]. Базовые компоненты ИЭМК – модели: математические (ММ) и
физические. Физические модели включают в себя установки с машинами постоянного
тока (МПТ), асинхронными (АМ) и синхронными (СМ) машинами. Математические
модели (рис. 2) электромеханических систем строятся на базе теории обобщённого
электромеханического преобразователя (ЭМП) в двухфазных системах координат: 
, 
, 
, 
.
Рис. 2. Структура
УМО ИЭМК.
Математическое моделирование и
экспериментальные исследования вентильных (ВП) и электромеханических
преобразователей и систем на их основе – управляемых
вентильно-электромеханических систем (УВЭМС) проводится на основе универсальной
установки объединяющей системы «Г – МПТ», «Г – АМ», «Г – СМ», которые включают
в себя генератор постоянного тока и соответствующую машину. Предусмотрена
возможность объединения всех систем с установкой «Синхронный генератор –
распределённая электрическая сеть» (СГРС).
Базой математического
моделирования являются разработанные математические модели УВЭМС и программы на
их основе [2, 4] с использованием специализированных пакетов Mathcad, Matlab.
Математические модели
непосредственных преобразователей энергии (НПЭ) строятся на основе
разработанной концепции [1], суть которой состоит в представлении механизма
управления НПЭ как процесса дискретного управления начальной фазой
единственного гармонического колебания. Выходное напряжение 
каждой фазы НПЭ при
этом рассматривается как единственное гармоническое колебание с дискретно
управляемой начальной фазой. Дискретность изменения фазы 
определяется
эквивалентным количеством фаз входного напряжения 
, участвующих в формировании каждой фазы выходного
напряжения.
Все возможные способы управления
при этом задаются во времени 
переключающей функцией
амплитуды 
и фазы 
, а процедура преобразования электрической энергии n – фазного НПЭ при раздельном управлении
описывается моделью
, (1)
; 
;
.
На основе предложенной концепции
введено понятие вектора фазового состояния (фазосмещения) (ФС), определяющего
положение вектора выходного напряжения НПЭ на 
фазном симметричном ЭМП
. (2)
Для НПЭ с однократной модуляцией
(ОМ) переключающие функции в каждой фазе взаимосвязаны и равны:
; 
. (3)
Следовательно, задание всех
управляющих воздействий в этих НПЭ возможно заданием закона изменения одной ПФ
фазы. Выходное напряжение НПЭ представлено в виде произведения ПФ амплитуды, 
мерного вектора гармонического колебания 
и вектора ФС, т.е.
(4)
В случае трёхфазного выхода в
соответствии с предложенной концепцией НПЭ любой сложности, независимо от
количества фаз входного напряжения 
, принципов и способов управления, может быть задан
минимальным количеством структур, соответствующих количеству возможных
состояний тиристорного коммутатора: 
– ПЭ во всех фазах (А,
В, С) включены; 
– отключены ПЭ в фазе А; 
– отключены ПЭ в фазе В;
– отключены ПЭ в фазе С;
– отключены ПЭ в фазах А,
В, С. Введён оператор поворота
(5)
На базе теории обобщённого ЭМП,
предложенной концепции и ММ НПЭ, разработан математический аппарат решения
задач анализа, синтеза и моделирования управляемых ВЭМС с НПЭ. При представлении
ММ ЭМП в двухфазной системе координат
напряжения, синтезируемые НПЭ, также должны быть приведены к
общей системе координат.
При заданных значениях переменных
с учётом введённого
оператора поворота 
значения переменных 
в новой системе
координат могут быть вычислены так:
. (6)
При переключениях НПЭ имеет
мгновенную несимметрию. Следовательно, его моделирование целесообразно
проводить в трёхфазной системе координат, но это требует пересчёта значений
переменных из трёхфазной системы координат в двухфазную и обратно. Для
обобщённой записи такого перехода введены множители 
, равные единице при совмещении соответствующей фазы A, B или C с осью 
, и – нулю в противном случае. Введём матрицы перехода от
трёхфазной системы координат к двухфазной и обратно
; 
.
Тогда для перехода из трёхфазной
системы координат в двухфазную получим
. (7)
При обратном переходе значения
переменных в трёхфазной системе координат 
находятся из системы
уравнений
. (8)
Проведено обобщение и разработка
ММ управляемых ВЭМС на базе машин постоянного тока, синхронных и асинхронных
машин [2].
Задание переключающей функции 
для НПЭ с ОМ
определяется его характерной особенностью, состоящей в постоянстве шага
переключения переключающих элементов НПЭ. Моделирование этих систем
обеспечивается заданием цикла переключения 
и количества фаз
входного напряжения, участвующих в формировании каждой фазы выходного напряжения.
Мгновенное значение фазы входного гармонического колебания 
в момент коммутации
изменяется на величину дискретности изменения начальной фазы .
На рис. 3 – рис. 5 в качестве
примера приведены результаты моделирования с использованием (1) – (9) системы
“НПЭ – АМ” с ОМ.
Рис. 3. Переходная
характеристика момента и скорости (а), динамическая механическая характеристика
(б) системы «НПЭ – АМ» при ОМ 
(
) при 
Гц, двигатель АО2 – 31
– 4.
Взаимосвязь параметров НПЭ при
заданных количествах шагов 
на периоде 
входного -фазного напряжения и в цикле переключения
переключающей функции фазы с дискретностью 
определяется формулами
; 
; 
. (9)
Рис. 4.
Зависимости напряжения 
, тока
, потокосцепления 
от времени (),Гц, двигатель АО2 – 31 – 4.
Рис. 5. Годографы
напряжений 
и потокосцеплений 
статора (),Гц, двигатель АО2 – 31 – 4.
Для управления экспериментальной
установкой по исследованию УВЭМС на базе машины постоянного тока разработана
система управления.
Таким образом, совокупность
разработанных математических моделей, программных средств, экспериментальных
установок, методического обеспечения по исследованию ЭМП, вентильных
преобразователей и управляемых вентильно-электромеханических систем на их
основе образует интегрированный электромеханический комплекс – элемент ИКСАЛ,
обеспечивающий научные и учебные исследования УВЭМС.
На основе ИЭМК интегрируются в
единую систему курсы: «Введение в специальность», «Основы инженерного творчества»,
«Физика», «Электротехника», «Электромеханика», «Управляемые
вентильно-электромеханические системы», «Математические основы
управления», «Теория автоматического управления», «Технические средства
автоматизации», «Автоматизированный электропривод», «Моделирование систем
управления», «Переходные процессы в электрических системах», «Автоматизация
оперативных процессов в энергосистемах», «Автоматизированные системы учёта
энергии и мощности в энергосистемах», «Технические измерения и приборы» и многие
другие.
Создание интегрированного
электромеханического комплекса – многофункционального объекта ИКСАЛ направлено
на переход от специализированных лабораторий по отдельным дисциплинам к интегрированным
системам специальности или комплекса специальностей по всем видам научной и
учебной деятельности на всех уровнях профессиональной подготовки.
Литература
1. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1.
Управление непосредственными преобразователями электрической энергии. –
Пенза: ПТИ, 2002. – 333 с.
2. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 2.
Математическое моделирование вентильно-электромеханический систем. –
Пенза: ПТИ, 2003. – 306 с.
3. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 3.
Синтез управляемых вентильно-электромеханический систем. – Пенза: ПТИ,
2003. – 320 с.
4. Прошин И.А., Бурков В.В., Кутузов
Е.А. Усманов В.В. Программное средство «НПЭ – АД» для исследования вентильно-электромеханических
систем с асинхронным электродвигателем (Пакет расширения к системе Matlab 6.0). Заявка №2004610841. Зарегистрировано в
Реестре программ для ЭВМ 4-го июня 2004 года.
Поступила
в редакцию 24.12.2009 г.