Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

METHOD AND ALGORITHM FOR MODELING OF DIRECT ELECTRICAL ENERGY CONVERTER

Proshin I.A. 1 Salmov E.N. 1
1 Penza State Technological University
Статья содержит оригинальное исследование по моделированию непосредственного преобразователя электрической энергии (НПЭ). Решена задача исключения использования множества различных структур и большого числа параметров при моделировании НПЭ. Рассмотрено моделирование формирования выходного напряжения с помощью программной среды Mathcad. В качестве результатов приведены графики изменения переключающей функции начальной фазы и выходного напряжения и тока НПЭ. Результаты компьютерного эксперимента подтвердили адекватность предложенного подхода при моделировании НПЭ. Актуальность статьи подтверждается необходимостью эффективного подхода к исследованию НПЭ, широко используемых как в однодвигательных, так и многодвигательных вентильно-электромеханических системах. Новизна исследований заключается в разработке метода моделирования и алгоритма формирования выходного напряжения НПЭ на базе описания, включающего вектор синусоидального напряжения с дискретно управляемой начальной фазой.
This article contains original research on modeling the direct electrical energy converter (DEC). The problem of avoiding the use of a variety of different structures, and a large number of parameters in modeling of DEC is solved. The modeling of generating of the output voltage using a software system Mathcad was considered. The curves of the switching function of the initial phase and the output voltage and current of DEC are shown as the results. The results of computer simulation confirm the adequacy of the proposed approach in modeling of DEC. The relevance of the article is confirmed by the need for an effective approach to the study of DEC that is widely used as a single-drive and multi-drive as gate-electromechanical systems. The novelty of the research is the developing a modeling method and algorithm of generating an output voltage of DEC based on the description, including sinusoidal voltage vector with discrete controlled initial phase.
methods
modeling
algorithm
direct electrical energy converter

Непосредственные преобразователи электрической энергии (НПЭ) находят широкое применение для управления механическими параметрами электромеханических преобразователей (скорость и момент), мощностью в технических объектах (освещение, тепловые процессы), напряжениями и токами (гальванотехника), потоками реактивной мощности, для определения качественных показателей электрических машин [1 – 7]. Решение актуальной задачи математического моделирования НПЭ на базе существующих подходов затруднено факторами, связанными с использованием множества различных структур и большим числом задаваемых параметров. Такие подходы с моделированием каждого переключающего элемента (ПЭ) требуют задания множества возможных состояний каждого из ПЭ. Количество структур зависит от структуры силовой части и от алгоритма управления. В работе рассмотрены математическое моделирование НПЭ и алгоритм моделирования выходного напряжения, основанные на использовании предложенного авторами метода, который заключается в представлении выходного напряжения НПЭ в виде единственного гармонического колебания с дискретно управляемой начальной фазой [2].

На рис. 1 представлена структура преобразования параметров электрической энергии (напряжения U, частоты ω, фазового сдвига φ и количества фаз входного m и выходного n напряжения).

Рис. 1. Структура непосредственного преобразования параметров электрической энергии

При непрерывном режиме работы число возможных состояний НПЭ определяется выражением:

(1)

где:

m – число входных фаз;

n – число выходных фаз;

k – минимально возможное число фаз выходного напряжения.

Система входных напряжений, поступающих на вход НПЭ, включает m фаз

Ui(ωВХt) = Um sin(ωВХt – φi), (2)

где:

Ui(ωВХt) – мгновенное значение входного напряжения;

Um – амплитудное значение входного напряжения;

ωВХ – круговая частота;

φi – фазовый сдвиг.

К выходу НПЭ с раздельным управлением в каждый момент времени подключается только одна из множества ЭДС, поступающих на вход. На выходе НПЭ формируется напряжение с амплитудным и мгновенным значениями Um2 и Ui(ωВЫХt), фазовым сдвигом φi, количеством фаз n и круговой частотой ωВЫХ.

Зададим гармоническое колебание с дискретно управляемой начальной фазой:

(3)

Следующая система уравнений задаёт процедуру непосредственного преобразования электрической энергии n‑фазного НПЭ с раздельным управлением:

(4)

Возможные способы управления НПЭ предлагается задать переключающими функциями:

;
, (5)

где:

l = 2·kf·π/Δϕ -1 = kf·m – 1;

kf = ωВХ/ωВЫХ – коэффициент преобразования частоты;

Ni – коэффициент, определяемый соотношением амплитуд различных полуволн выходного напряжения;

ni – коэффициент, определяющий фазовое положение полуволны входного напряжения в выходном напряжении.

Блок-схемы алгоритмов формирования кривых выходного напряжения НПЭ отражены на рис. 2 и рис. 3.

 а)

 б)

Рис. 2. Изменение переключающих функций а) начальной фазы
и б) амплитуды

Рис. 3. Основной цикл

На рис. 4 показан фрагмент листинга программы моделирования в системе Mathcad, содержащий определение начальных значений, закона изменения переключающих функций начальной фазы и амплитуды.

Рис. 4. Фрагмент листинга программы моделирования в системе Mathcad

Результаты моделирования НПЭ на основе математической модели (4) и предложенного алгоритма в среде Mathcad показаны на рис. 5. Для параметров системы приняты значения: входная частота f = 60 Гц, число фаз входного напряжения m = 9, фазовый угол включения тиристоров α = 0 эл. град. На рисунке представлены: XA – выходное напряжение в фазе А, YA – выходной ток в фазе А.

 а)

 б)

Рис. 5. Результаты моделирования: а) изменение переключающей функции начальной фазы, б) выходное напряжение и ток НПЭ в фазе А (ток опережает напряжение на 90 эл. град.)

Предложены метод моделирования и алгоритм формирования выходного напряжения НПЭ на основе описания, отличающегося от известных наличием вектора синусоидального напряжения с дискретно управляемой начальной фазой и диагональной переключающей матрицы. Проведено математическое моделирование НПЭ. На базе алгоритма и метода математического моделирования возможно исследование многодвигательных многосвязных вентильно-электромеханических систем с НПЭ.

Рецензенты:

Данилов А.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой математики и математического моделирования, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза;

Косенок Ю.Н., д.т.н., доцент, начальник кафедры, Пензенский артиллерийский инженерный институт, г. Пенза.