УДК 621.313.333.001.57	В.П. Mалахов, д.т.н, В.С. Петрушин, Д.Н. Кельбас, к.т.н, С.В. Рябинин
РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В ПРИВОДЕ ТПН–АД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ PSPICE
Розглянуто використання в моделі асинхронного електропривода з фазним керуванням моделі тиристорного перетворювача напруги, отриманої за допомогою програми PSPICE. Експериментальними результатами підтверджено підвищення точності розрахунків енергетичних показників двигуна при використанні цієї програми.	Рассмотрено применение в модели асинхронного электропривода с фазовым управлением модели тиристорного преобразователя напряжения, полученной с помощью программы PSPICE. Экспериментальными результатами подтверждено повышение точности расчетов энергетических показателей двигателей при использовании этой программы.	The application of the thyristor voltage converter PSPICE model in the phase control asynchronous electric drive mathematical model is considered. The asynchronous electric drive mathematical model obtained with the help of the electronic circuits simulation program PSPICE. The experimental results confirm theoretical re&search accuracy rises if the simulation program PSPICE is used.

Одним из наиболее простых регулируемых асинхронных электроприводов является привод с фазовым управлением. Использование в нем относительно недорогого тиристорного преобразователя напряжения (ТПН) определяет его невысокую стоимость. Такой электропривод используется преимущественно для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей (АД). Вместе с тем он может быть применен для регулирования в определенном диапазоне нагрузок вентиляторного типа.

Для анализа работы асинхронного двигателя в электроприводе с фазовым управлением ТПН–АД разработана математическая модель привода, состоящая из моделей преобразователя, двигателя и характеристики нагрузочного механизма. Математическая модель короткозамкнутого асинхронного двигателя рассмотрена в [2]. Модель тиристорного преобразователя напряжения должна обеспечить определение гармониче&ских составляющих напряжения, подаваемого на двигатель, которые при регулировании из–меняются по величине.

Применение математических моделей разного уровня детализации позволяет проводить расчёты с разными вычислительными затратами и степенью достоверности результатов. Предлагается использовать математические модели полупроводниковых преобразователей, учитывающие реальные свойства нелинейных ключевых элементов, фактически применяемых в рассчитываемой системе, основанные на существующих пакетах моделирования электронных схем. Подавляющее большинство современных профессиональных пакетов (PSPICE, Micro–CAP, Electronic Workbench, OrCAD Suite и др.) используют модели электронных компонентов в формате пакета программ PSPICE. Крупнейшие производители электронных компонентов от диодов до мощных

IGBT транзисторов предлагают математические модели в формате PSPICE. Насчитывается более 50000 библиотечных моделей компонентов информационной и силовой электроники ведущих фирм производителей (International Rectifier, Texas Instruments, National Semiconductor и др.). Фирма OrCAD осуществляет поддержку в сети Internet моделей электронных компонентов. По данным фирмы OrCAD ежеквартально база данных моделей пополняется более чем 1000 моделями новых компонентов.

Для выполнения имитационного математического моделирования используется программа PSPICE из пакета OrCAD 9.0. При моделировании применяются модели тиристоров, учитывающие 11 различных динамических и статических параметров ключей. Полученная модель преобразователя (рис.1) достаточно просто совмещается с разработанной моделью всего привода ТПН–АД, а удобный графический интерфейс PSPICE позволяет наблюдать формы электрических величин на различных участках схемы. Эквивалентные комплексные сопротивления двигателя (Rekv и Xekv) меняются для каждой нагрузочной точки в связи с изменениями нагрузки на валу и параметров схем замещения.

Форма фазного напряжения двигателя при угле открытия тиристора a=50^o (получено с использованием PSPICE) имеет вид, показанный на рис.2. Там же показан гармонический состав фазного напряжения на обмотке двигателя. Для каждой рабочей точки моделью определяются гармонические составляющие напряжения, которые впоследствии подаются в программный модуль расчёта рабочих характеристик двигателя. Другим типом является традиционная модель преобразователя, которая составлена на основании математических выражений для расчета гармоник [1,3]. При их выводе использовалось общепринятое допущение об идеальности вентильных элементов преобразователя.

В зависимости от соотношения угла нагрузки _экв и угла открытия вентилей a возможно несколько режимов работы преобразователя напряжения: a_экв – синусоидальный (величина выходного напряжения ТПН равна напряжению сети, регулирования напряжения нет, высшие гармонические (ВГ) в кривой напряжения отсутствуют); _экв< a < a_zp – дограничный; a>a_zp – сверхграничный; где a_zp – граничный угол открытия тиристоров, разделяющий режимы. В последних двух режимах осуществляется регулирование напряжения, которое в своем составе имеет высшие гармонические составляющие.

Величина граничного угла a_zp , определяющего переход от дограничного режима к сверхграничному, может быть найдена из уравнения

Для точного определения _экв, а соответственно и a_zp, необходимо в зависимости от нагрузки вести постоянный пересчет параметров схемы замещения АД с учетом насыщения магнитопровода и вытеснения токов в обмотках, что осуществляется математической моделью двигателя. Задача определения величин гармоник напряжения, питающего АД при фазовом управлении, связана с решением трансцендентных уравнений, с помощью которых находятся углы проводимости тока ' либо углы запаздывания . Дограничный режим характеризуется чередованием участков трехфазной и двухфазной проводимостей. Угол запаздывания определяется из трансцендентного уравнения [2]:

Сверхграничный режим характеризуется чередованием бестоковых участков и участков двухфазной проводимости. Трансцендентное уравнение для определения угла проводимости вентиля ' в этом режиме имеет вид:

Мгновенные значения напряжений на нагрузке складываются из гармонических составляющих

Математические выражения для косинусных a_v и синусных b_v коэффициентов гармонических составляющих напряжения различны для дограничного и сверхграничного режимов и приведены в [1].

Зависимости энергетических показателей двигателя (КПД и коэффициента мощности ) от скорости получены с использованием двух вышеописанных моделей ТПН и экспериментальным путём (рис.3). На валу двигателя 4АХ80А6УЗ, питаемого тиристорным преобразователем напряжения типа ТСУ–2–кл, находится нагрузка с вентиляторной характеристикой .

Сопоставление характеристик, полученных расчётным путём и экспериментальными исследованиями, показывает, что применение модели ТПН, использующей программу моделирования электронных схем PSPICE вместо традиционной математической модели преобразователя, позволяет снизить погрешность определения рассматриваемых величин в среднем с 4–5% до 2–3%.

Список использованной литературы

1.Козлитин Л.С. Работа трехфазного тиристорного регулятора напряжения на активно–индуктивную нагрузку // Тр. Моск. энерг. ин–та. – 1966. Ч.1. – С. 277–287.

2.Лысенко С.И., Петрушин В.С., Слободниченко Б.И. Учет изменения параметров схем замещения асинхронных электродвигателей при фазовом регулировании // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. научн.–техн. сб.– 1997.– Вып.49.– С.48–53.

3. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода // Л.П Пет–ров, О.А Андрющенко, В.И. Капинос и др. –М.: Энергоатомиздат,1986. –200 с.