В настоящее время во всех проектах электриче-ских машин и статических преобразователей, реа-лизуемых в АО «Технодинамика» T.: (903) 739-37-21, e-mail: Kalywya.ru. ‘Technodinamika’ JC.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
. Вопросы электромеханики Т. 15 1 . 2016 . 3 УДК 629.735 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭТАПЕ ПОВЕРОЧНОГО РАСЧ Ё ТА В.А. Калий Р ассмотрены два типа математических моделей, которые совместно применяются в настоящее время в АО «Технодинам и- ка» при выполнении опытно - конструкторских работ для имитационного моделирования преобразователей электрической энергии при проведении поверочных расч ё тов. Поверочные расчё ты могут выполняться как с помощью ст атических моделей, так и на основе динамических моделей, которые описываются системами дифференциальных уравнений. При проектировании электротехнических изделий на современном уровне применяются два основных типа динамического моделирования: «снизу вверх» (от частного к общему) и «сверху вниз» (от общего к частному) в итерационном цикле. У каждого типа м оделирования свои ограничения и свои преимущества. Поэтому совместное применение этих двух типов моделей в одном итерационном цикле позволяет свести к миним уму недостатки каждой из моделей и существенно повысить как точность от дельно взятого поверочного расчё та, так и точность проектирования изделия в целом. Р ассмотрены методы имитационного моделирования на примере опытно - конструкторской работы по созданию тр ансформаторно - выпрямительного устройства ТВУ - 9К для нов о- го самол ё та Ил - 112В. Ключевые слова: модель, система уравнений, выпрямительное устройство, преобразователь, система генерирования, чи с- ленные методы, трансформатор . Проектирование изделий машиностроения, включая электрические машины и статические преобразователи, состоит из нескольких взаим о- связанных этапов. К одному из таких этапов отн о- сится технический проект, который нормируется ГОСТ 2.120 - 2013. В то же время, разрабатываемая автором методология оптимального проектиров а- ния электрических машин предусматривает на данном этапе разработку полной 3 D модели изд е- лия и получения массива всех параметров изделия, однозначно его характеризу ющих и соответств у- ющих требованиям технического задания. Одним из внутренних этапов технического пр о- ектирования электрических машин и преобразов а- телей являются поверочные расчеты, которые в ы- полняются по совокупной геометрической и пар а- метрической модели, полученной в результате проектировочно го расчё та [1] . Поверочные расч ё- ты могут выполняться как на основе статических, так и динамическ их моделей, а также могут в ы- полняться в виде геометрической интерпретации для последующего моделирования работы с пом о- щью численных методов . Любая математическая м одель – это фактически первый этап натурных испытаний создаваемого объекта , однако л юбая математическая модель принципиально не полна, т. е. имеет ограничения. Так, например, в моделях , используемых для определения электромагнитных характеристик практически пренебре гают всеми процесс ами , кроме электромагнитных . В связи с этим для получения объективных параметров пр о- ектируемого изделия на этапе поверочн ых рас ч ё- тов наиболее целесообразно и спользовать нескол ь- ко математических моделей проектируемого изд е- лия для получения объективной информации до начала изготовления опытных образцов . Такой подход позволяет существенно сократить ресурсы проекта, необходимые для изготовления и испыт а- ний макетов . В настоящее время во всех проектах электрич е- ских машин и статических преобразователей , ре а- лизуемых в АО «Технодинамика» , применяется двухуровневое моделирование при проведении п о- верочных электромагнитных расч ё тов . В ходе пр о- ектирования применяются в итерационном цикле д ва основных типа динамического моделирования : «снизу вверх» (от частного к общему) и «сверху вниз» (от общего к частному). У каждого типа м о- делирования свои ограничения и свои преимущества . Тип модели «сверху вниз » подразумевает сл е- дующий подход – изначально созда ё тся более о б- щая модель системы в первом приближении, в к о- торую входит проектируемое изделие, затем п о- степенно увеличивается детализация отдельных элементов. Такие модели строятся в основном на основе систем дифференциальных уравнений с п о- стоянными коэффициентами, для решения которых наиболее подходит известная среда Matlab Si m- ulink [2 ] . Основные о граничени я здесь – знач и- тельные упрощения. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТР ОМЕХАНИКИ . Вопросы электромеханики Т. 15 1 . 2016 . 4 Рис. 1. Полная динамическая модель ТВУ - 9 в среде Matlab Simulink . Вопросы электромеханики Т. 15 1 . 2016 . 5 Область применения – изучение совокупности многих режимов работы проектируемого изделия в составе системы. Реализация подхода «сверху вниз» в среде Matlab Simuli nk [3 ] определяется в такой послед о- вательности: – описание объекта моделирования ( система ); – выбор режима работы объекта для моделир о- вания; – представление элементов их мат ематическими моделями ; – определение допустимых упрощений в пре д- ставлении элементов . Реализацию этого подхода рассмотрим на пр и- мере модели проектируемого в настоящее время трансформаторно - выпрямительного устройства (ТВУ) мощностью 9 кВт для системы генериров а- ния перспективного самолё та Ил - 112В. Выпрям и- тельное устройство ТВУ - 9К предназначено для преобразования электроэнергии переменного трёхфазного тока напряжением 115/200 В частотой 330 – 460 Гц в электроэнергию постоянного тока напряжением 27 В для питания приёмников во з- душного судна. Здесь изначально была разработана динамичес кая модель с идеальным источником и без соединительных шин и проводов, затем ид е- альный источник был замен ё н моделью синхро н- ного генератора (на основе системы уравнений Парка – Горева) и его фидера. На следующем этапе для наибольшего прибл и- жения к реально му объекту было осуществлено ещё одно усложнение моде ли, а именно, примен е- ны компоненты, описывающие уже реальные п а- раметры диодов и трансф орматорные связи вт о- ричной цепи (рис. 1). Моделирование «снизу вверх» реализуется п у- тем создания подробной модели одног о элемента системы, затем вокруг неё наращиваются менее детализированные модели прочих элементов. О с- новным ограничением является резко нарастающее количество необходимых ресурсов при увеличении числа элементов. Область применения – детальное изучение одног о конкретного режима работы с и- стемы либо её части. На примере ТВУ - 9 – геоме т- рическая модель трансформатора, работающ его на активную симметричную нагрузку, с добавление м блоков диодов, уравнительного реактора, фильтров и параметров цепи питания (рис . 2 ) . Ре ализация подхода «снизу вверх» на примере ANSYS [4 ] : – о писание объекта моделирования ( трансфо р- матор ); – разработка с хем ы силовой част и устройства для моделирования; – выбор о сновных режимов работы объекта для моделирования ; – адаптация м етод а к онечных э лементов и о п и- сание возмо жностей этой модели; – разработка с труктур ы обобщё нной модели объекта , состоящей из г еометриче ской модел и объекта и модел и электрической цепи . Между рассмотренными математическими м о- делями в обязательном порядке устана вливается итерационная связь, т. е. моделирование рабочих режимов о существляется только совместной их работой. При этом модель «снизу вверх» в кач е- стве входных параметров принимает результаты модели «сверху вниз», а р езультаты модели «снизу вверх» позволяю т детализировать модель «сверху вниз». Как правило , после опреде лё нного числа итераций результаты обоих типов моделей совпадают . Рис. 2. Геометрическая модель ТВУ - 9 В разработанных моделях силовая часть тран с- форматорно - выпрямительного устройства ТВУ - 9 состоит из трансформатора ТрТСПА - 10,5 - 200/22, сглаживающего реактора ДрТС - 195 - 16, двух в ы- прямительных мостов, а также входного и выхо д- ного фильтров. Расчётная частота питающего напряжения соответствует рабочей частоте 400 Гц. Переходные режимы рассч итаны при и з- менении сопротивления нагрузки, соответству ю- щем изменению мощности нагрузки от заданной номинальной мощности: 10% →160%, 160%→10% и 100% →150%, 150%→100%. Каждое изменение нагрузки происходит линейно за время 0,2 мс. . Вопросы электромеханики Т. 15 1 . 2016 . 6 Результаты расчёта по режимам № Доля высших гармоник во вхо д- ном напряжении, % Линейные токи вторичных обм о- ток (ВО1/ВО2), А Уравнительный ток реактора, А Средний ток диода (1 блок / 2 блок), А Среднее значение напряжения нагрузки, В Размах апериодической соста в- ляющей напряжения нагрузки, В Среднее значение потерь в ра с- чётной модели, Вт 1 2,0 133 / 134 2,4 55,4 / 55,0 27,2 1,22 966 2 2,3 181 / 182 2,8 75,4 / 74,8 26,6 1,16 1555 7 2,0 133 / 134 2,4 55,4 / 55,0 27,2 1,28 963 8 2,3 180 / 182 2,9 75,4 / 74,7 26,8 1,23 1475 13 2,6 133 / 135 2,6 55,9 / 55,1 27,1 1,23 960 14 3,5 179 / 181 3,2 75,7 / 74,6 26,4 1,07 1541 15 2,7 132 / 135 3,1 55,9 / 55,0 27,1 1,28 955 16 3,7 179 / 182 3,8 75,7 / 74,5 26,6 1,13 1462 Расчётные значения ЭДС генератора подобраны таким образом, чтобы напряжение на шинах пр и- соединения устройства соответствовало номинал ь- ному значению 115 В, при этом в зависимости от режима контролируются мощность или ток нагру з- ки, при необходимости осуществляется коррект и- ровка сопротивления нагрузки. Результаты мод е- лирования приведены в таблице. Расчётные параметры ТВУ - 9, полученные с п о- мощью совместного итерационного модел иров а- ния , соответствуют не только требованиям по о с- новным параметрам (напряжение, мощность), но и по нелинейным искажениям, предъявляемым к в ы- прямительным устройствам ГОСТ Р 54073 - 2010 ( коэффициент нелинейных искажений входного тока ≤ 35%, коэффициент нелинейных искажений входного напряжения ≤ 8%, амплитуд а пульсаций выходного напряжения ≤ 2 В). Полученные резул ь- таты позволили зафиксировать расч ё тные параме т- ры разрабатываемого устройства и приступить к этапу разработки 3 D модели изделия. При этом в зависимости от рассматриваемых процессов можно использовать результаты, полученные на той или иной модели. В заключение необходимо отметить, что прим е- нение двух математических моделей для провед е- ния имитационного моделирования режимов раб о- ты изделия позволило исключ ить изготовлени е м а- кетов проектируемо го изделия и существенно сн и- зить длительность его разработки . Литература 1 . Зонтов В. М., Куприн Б. В. Системы электроснабж е- ния летател ьных аппаратов: Учебник для вузов / В. М. Зонтов, Б. В. Куприн. – М. : ВВИА им . проф. Н. Е. Жуковского, 1988. – 396 с. 2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink . – М. : ДМК Пресс; СПб. : Питер, 2008. – 288 с. 3. Худяков В. Ф., Хабузов В. А. Моделирование исто ч- ников вторичного электропитания в среде MATLAB 7.x: учебн. пособие / В. Ф. Худяков, В. А. Хабузов. – СПб. : ГУАП, 2008. – 332 с. 4 . Зенкевич О. Мето д конечных элементов в технике / О. Зенкевич. – М. : Мир, 1975. – 318 с . Поступила в редакцию 1 6.06.2016 Валерий Алексеевич Калий , канд . техн . наук, главный конструктор депар тамента систем электроснабжения АО «Технодинамика» . T . ( 903 ) 739 - 37 - 21 , e - mail : Kal yw @ ya . ru . . Вопросы электромеханики Т. 15 1 . 2016 . 7 SIMULATION MODELING of ELECTRICAL ENENRGY CONVERTERS for DETERMINATION of THEIR PARAMETERS at the STAGE of CHECK ING CALCULATIONS V.A. Kalii In the article, two types of mathematical models, used now in combination in checking calculations by the engineers of ‘Technodinamica’ JC at the stage of R&D work for simulation modeling of electrical energy converters, have been consider ed. Checking calculations can be pe r- formed using static as well as dynamic mod els described by differential equation systems. Today, two basic types of dynamic modeling are used for developing of electrical products, i.e. ‘bottom - upwards’ (specific - to - general) and ‘top - down’ (general - to - specific) in iteration cycle. Each modeling ty pe has its own limitations and advantages. So the use of these two model types in one iteration cycl e enables to minimize disadvantages of each model and significantly improve accuracy of an individual checking calculation , as well as entire desig n accurac y of product. Methods for simulation modeling have been considered through the example of R&D work for de veloping of the transform er - rectifier TWU - 9K for the aircraft IL - 112V. Key words: model, equation system, rectifier, converter, generation system, numerical methods, transformer. List of References 1. Zontov V. M, Kuprin B. V. Electrical generating systems for aircraft: Learning guide for higher educational institutions / V.M. Zontov, B. V. Kuprin. – M. : Zhukovsky Air Force Engineering Academy , 1988. – 396 p. 2. Chernykh I. V. Electrical devises modeling using MATLAB , SimPowerSystems and Simulink . – М . : ДМК Пресс ; St. Petersburg : Питер , 2008. – 288 p. 3. Khudiakov V. F., Khabuzov V. A. Modeling of secondary power supplies using MATLAB7.x: Learning guide / V. F. Khudiakov, V. A. Khabuzov. – St. Petersburg : ГУАП [SUAI (State University of Aerospace Instrumentation)], 2008. – 332 p. 4. Zenkevich O. Finite - element method fo r engineering / O. Zenkevich. – М . : Мир , 1975. – 318 p. Valerii Alexeevich Kalii , Candidate of Technical Sciences (Ph. D.) . Chief Designer of Power Supply Systems Department . T.: ( 903 ) 739 - 37 - 21, e - mail: Kal yw @ ya .ru . ‘Technodinamika’ JC .

Приложенные файлы

  • pdf 10975360
    Размер файла: 822 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий