Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МЕТОД И АЛГОРИТМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Прошин И.А. 1 Салмов Е.Н. 1
1 Пензенский государственный технологический университет
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.
методика
моделирование
алгоритм
непосредственный преобразователь электрической энергии
1. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1. Управление непосредственным преобразованием электрической энергии. – Пенза: ПТИ, 2003. – 333 с.
2. Прошин И.А, Прошин А.И., Мещеряков А.С. Математическая модель асинхронного двигателя с непосредственным преобразователем энергии в цепях статора // Наука производству, 1998, № 4. С. 13 – 15.
3. Прошин И.А. Теоретические основы моделирования управляемых вентильно-электромеханических систем с непосредственными преобразователями электрической энергии // Информационные технологии в проектировании и производстве, 2000, № 4. С. 65 – 70.
4. Прошин И.А., Прошин А.И., Обухов В.А., Мещеряков А.С. Математическая модель валогенераторной установки // Наука производству, 1998, № 12. С. 56-58.
5. Прошин И.А., Прошин А.И., Мещеряков А.С. Математическая модель электродинамического вибростенда // Наука производству, 1998, № 12. С. 59 – 61.
6. Прошин И.А., Мещеряков А.С. Двухдвигательный электропривод роликоопор // Техника машиностроения, 1996, № 2. С. 63 – 64.
7. Прошин, И.А., Сапунов Е.А. Моделирование привода динамического стенда авиационного тренажера // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.–2011. – Т.13 – №1(2). – С. 337-340.
8. Proshin I.A., Salmov E.N. Mathematical modeling of the direct electrical energy converter. European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences. The 2nd International scientific conference proceedings (Маy 12, 2014). Vienna: OR: «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH, 2014 – P. 47–52.
9. Прошин И.А., Вольников М.И., Салмов Е.Н. Алгоритм комбинированного управления и метод математического моделирования асинхронного электропривода. Нива Поволжья. Научно-теоретический и практический журнал для учёных и специалистов. Пенза: Изд. Пензенской ГСХА, 2014 – С. 102 –109.

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.


Библиографическая ссылка

Прошин И.А., Салмов Е.Н. МЕТОД И АЛГОРИТМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18543 (дата обращения: 27.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074