Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

SIMULATION OF TESTS OF A SYNCHRONOUS MOTOR WITH REGENERATIVE POWER BACK INTO THE POWER GRID

Subbotina V.A. 1 Tyulenеv M.E. 2, 3 Chabanov E.A. 3, 4
1 AO «Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company»
2 ZAO «NIPO»
3 Perm National Research Polytechnic University
4 Volga state university of water transport
When testing synchronous machines in order to determine their efficiency it is necessary to waste a large amount of mechanical or electrical energy obtained from the test device. At low powers of generation electricity generated by synchronous generator can be converted into heat. With increasing power of test devices such method of disposal of electricity becomes a costly and unwieldy. It becomes obvious desire in any way to accumulate or to return this energy, ie, transmit generated electricity back into the power grid for other consumers of power. Thus, there are excluded costs for electricity of these test consumers from the electricity supplier and there are solved the problem of electricity utilization obtained from the test machine. The article is devoted to modeling of testing synchronous motor with regenerative power back into the power grid by synchronous generator in the graphical environment of simulation of Simulink of interactive programming environment of MATLAB.
synchronous motor
synchronous generator
tests of electromechanical converters
regenerative power back into the power grid
1. Goldberg O.D. Ispytanija jelektricheskih mashin. Ucheb. dlja vuzov, 2-e red. M: Vysshaja shkola, 2000. 255 р.: il.
2. Subbotina V.A. Issledovanie puska sinhronnogo dvigatelja pri ponizhennom naprjazhenii v sisteme d-q / Subbotina V.A., Tjulenev M.E. // Materialy kraevoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Avtomatizirovannye sistemy upravlenija i informacionnye tehnologii», рр. 182–191, 21 maja 2014.
3. Sipajlov G.A. Jelektricheskie mashiny (specialnyj kurs). / Sipajlov G.A. i dr. // Ucheb. dlja vuzov po spec. «Jelektricheskie mashiny». 2-e izd., pererab. i dop. M.: Vysshaja shkola, 1987. 287 р.
4. Kopylov I.P. Proektirovanie jelektricheskih mashin. / Kopylov I.P., Klokov B.K., Morozkin V.P., Tokarev B.F. // 3-e izd., ispr. i dop. M.: Vyssh. shk. , 2002. 757 р., il.
5. Chernyh I.V. SIMULINK: sreda sozdanija inzhenernyh prilozhenij. Uchebno-spravoch-noe posobie. Pod obshh. red. k.t.n. V.G. Potemkina. M.: DIALOG-MIFI, 2003. 496 р.

Проведение испытаний электрических машин необходимо на всех этапах производственного процесса. Испытание – это проверка пригодности машины к определенной работе [1].

На испытательных стендах используются различные преобразовательные агрегаты для нагружения электрических машин. В данной работе получена модель стенда, нагрузочное устройство которого имеет промежуточную систему «генератор-двигатель» (рис. 1).

subb1.tif

Рис. 1. Схема испытательного стенда синхронного двигателя

В таком устройстве происходит рекуперация энергии, потребляемой двигателем из сети, обратно в сеть. Испытываемый синхронный двигатель (СД) нагружается с помощью генератора постоянного тока (ГПТ).

Для построения имитационной модели стенда необходимо математически описать электрические машины, входящие в состав устройства.

Для анализа используется математическое описание СД в единой системе координат d-q, связанной с ротором. Такая модель при постоянном насыщении магнитной цепи имеет постоянные коэффициенты индуктивностей, что значительно увеличивает быстродействие расчета и упрощает анализ [2].

sub01.wmf (1)

В системе (1) используются сверху вниз уравнения баланса напряжений статора (ud, uq), уравнения баланса напряжений ротора (обмотки возбуждения uf и успокоительной обмотки), уравнение движения, уравнение, описывающее угол нагрузки θ и формула вычисления электромагнитного момента m.

Значения токов находим из векторного уравнения

sub02.wmf, (2)

где потокосцепление, токи и индуктивности представлены в виде трех матриц:

sub03.wmf, sub04.wmf,

sub05.wmf.

Напряжение статора определяется проекциями изображающего вектора на координатные оси:

sub06.wmf, sub07.wmf. (3)

Для синхронной машины (СМ) входной величиной будет момент сопротивления mc, а выходной – скорость вращения ω. Параметры используются в системе относительных единиц. Синхронный генератор имеет аналогичную математическую модель, что и СД.

Для анализа используется математическое описание машины постоянного тока (МПТ) в естественной фазной системе координат. Уравнения МПТ строятся аналогично. Две машины мы объединили в один блок, поэтому система уравнений для МПТ имеет следующий вид:

sub09.wmf (4)

В системе (4) используются сверху вниз уравнения баланса напряжений обмотки возбуждения ГПТ и двигателя постоянного тока (ДПТ) (Uв1 и Uв2), уравнение баланса напряжения в контуре якоря, формулы вычисления электромагнитных моментов ГПТ и ДПТ (me1 и me2) [3].

Входной величиной здесь является скорость вращения ω, а выходной электромагнитный момент me. Параметры используются в системе физических единиц. Но для того чтобы можно было СМ и МПТ соединить между собой, входные и выходные величины переводятся с помощью базовых величин в нужную систему [4].

Базовая скорость вращения

sub10.wmf рад/с.

Базовый момент

sub11.wmf кН•м.

На рис. 2 представлена модель СД и рис. 3 – модель промежуточной системы генератор-двигатель.

subb2.tif

Рис. 2. Схема модели СД в MatLab

subb3.tif

Рис. 3. Схема модели промежуточной системы «генератор-двигатель»

subb4.tif

Рис. 4. Схема модели испытательного стенда СД в MatLab

Для получения модели стенда необходимо объединить полученные блоки машин в одну схему (рис. 4).

Модели получены с помощью имитационного моделирования в Simulink-модели программного пакета MATLAB [5].

Так как параметры машин используются в разных единицах измерения, то необходимы еще два блока, которые осуществляли бы переход из одной системы в другую. На рис. 4 это блоки «base speed» и «base torque». Для удобства каждая машина имеет свое окно параметров, которое открывается при нажатии на блок машины.

Данная модель позволяет получить различные графические зависимости. Для иллюстрации использования модели рассмотрим асинхронный пуск СД и нагрузочный режим.

В установившемся режиме в момент времени, равный t = 1000 о.е., плавно увеличиваем напряжение возбуждения на ГПТ. Тем самым плавно увеличивается угол нагрузки θ, ток статора I1, электромагнитный момент Mem (рис. 5). Как видно, при набросе нагрузки от нуля до номинальной скорость вращения остается неизменной.

subb5a.tif

а)

subb5b.tif

б)

subb5c.tif

в)

subb5d.tif

г)

Рис. 5. Осциллограммы: а – угол нагрузки; б – скорость СД; в – ток статора; г – электромагнитный момент

Также имитационная модель стенда позволяет получить не только временные диаграммы, но и графики одного параметра в функции другого. Например, динамическую механическую характеристику ω = f(Mem) (рис. 6, а). Она показывает связь между мгновенными значениями момента и скорости машины в процессе перехода из одного равновесного состояния в другое.

subb6a.tif

а)

subb6b.tif

б)

Рис. 6. Результаты математического моделирования: а – динамическая механическая характеристика СД; б – U-образная характеристика СМ

На рис. 6, а чётко виден колебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента.

На рис. 6, б представлена зависимость тока якоря от тока возбуждения I1 = f(If) при различных значениях мощностей. Току возбуждения If ≈ 1,3 о.е. соответствует режим работы при cos φ = 1. На графике видны минимальные значения тока возбуждения, для каждой характеристики они разные.

Таким образом, моделирование позволило проверить правильность работы стенда. Подтверждением тому являются полученные графики, не противоречащие теории. Полученную Simulink-модель можно использовать для испытаний СМ различных мощностей. Необходимо только подобрать СМ и МПТ соизмеримой мощности. Также отметим, что исследования не ограничиваются построением вышеизложенных графических зависимостей. Возможен анализ переходных процессов СД при пониженном напряжении сети, анализ переходных процессов и получение нагрузочных характеристик синхронного генератора (СГ) и т.д.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ № 13.832.2014/K «Разработка методологических основ адаптивного управления автономными и неавтономными газотурбинными электростанциями мощностью до 25 МВт».