1 / 24

B. P. BRNJADA  “Elektrodistribucija-Bar” Bar BAR CRNA GORA

Modelovanje asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom u Matlabu-Simulinku; mogućnosti modelovanja rada kod primjene na konverziju energije vjetra i malih vodotokova. B. P. BRNJADA  “Elektrodistribucija-Bar” Bar BAR CRNA GORA

hester
Download Presentation

B. P. BRNJADA  “Elektrodistribucija-Bar” Bar BAR CRNA GORA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Modelovanje asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom u Matlabu-Simulinku; mogućnosti modelovanja rada kod primjene na konverziju energije vjetra i malih vodotokova B. P. BRNJADA “Elektrodistribucija-Bar” Bar BAR CRNA GORA  ED Bar , JNA 10 ; stan Bar, R Lekića D-12, III/31; bmv.company@cg.yu i bbrnjada2008@yahoo.com

  2. Abstrakt • U radu su date osnove matematičkog modela asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom (WRIG), sa dvostranim napajanjem i to sa strane statora i sa strane rotora istovremeno (DFIG). Naponske jednačine su razvijene u opštem d-q referentnom sistemu u matričnoj formi, korištenjem prostornog vektora. U ovaj skup je uključeni su sistem naponskih i sistem mehaničkih jednačina, koji se sastoji od jednačina kretanja rotora i jednačina elektromagnetnog momenta. Takođe su date i jednačine za transformaciju veličina izmađu referentnih sistema, za izračunavanje snaga kao i za izračunavanje snaga i momenta vjetroturbine. Jednačine su razvijene u apsolutnim vrednostima posmatranih veličina. • Modelovanje je uradjeno u Matlabu-Simulinku. Kod modelovanja se imao u vidu modularni princip, tj podjelu modela na veći broj podblokova koji se kasnije kombinuju u jedinstveni blok koji čini asinhroni motor/generator. Matrična forma redukuje broj jednačina i pojednostavljuje veze izmedju pojedinih elemenata. • Ovako definisan model motora/generatora se koristi za razvoj modela dvostrano i jednostrano napajanog generatora promjenljive brzine, pogonjenog vjetroturbinom ili hidroturbinom. • Model asinhronog motora/generatora je analiziran na praktičnom primjeru asinhronog motora/generatora sa KS rotorom.

  3. 1. Uvod • Modelovanju asinhronih motora/generatora od ključnog je značaja za proučavanje mogućnosti iskorištenja promjenljivog karaktera vjetra, brzine i snage. • Pristup modelovanju mašine na osnovu d-q jednačina posmatranih pojedinačno je u osnovi dobar, ali dosta komplikovan. Zato se u ovom radu pošlo od činjenice da dvije odgovarajuće veličine po d i q osi (u simetričnom sistemu) definišu prostorni vektor koji se može prikazati pomoću odgovarajuće vektor-kolone. Na taj način je broj jednačina el. kola sveden sa četiri na dvije što značajno pojednostavljuje problem modelovanja. • Radi daljeg pojednostavljenja svaka od jednačina modelovana je zasebno i čini poseban submodel. Svi ovakvi submodeli se medjusobno povezuju i zajedno čine Matlab-Simulink model mašine. • Napajanje ovakvog modela mašine je moguće sa strane statora i sa strane rotora ili sa obije strane istovremeno. Model , koji je razvijen u sinhronom referentnom sistemu, omogućava da se napajanje vrši „jednosmjernim strujama“ koje se kasnije transformišu u svoj originalni sistem pomoću transformacija „d-q u “ kao i „ u abc“ koje su razvijene u istom bloku..

  4. 2.Matematički model asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom (jednačine masine) • .Kada se pristupi modelovanju asinhrone mašine, imajući u vidu prije svega generatorski režim rada, prvo nam pada u oči činjenica da se energija isporučuje bilo el. mreži u slučaju zajedničkog rada više generatora, bilo izolovanoj grupi potrošača u slučaju „ostrvskog“ rada posmatranog generatora. • U prvom slučaju frekvencija i napon su regulisani samom „krutom“ mrežom dok su u drugom slučaju regulisani posebnim uredjajima. • Ono što je važno je da se , kod simetričnog rada, bez spoljašnjih poremećaja i napon i frekvencija mogu smatrati konstantnim. • Ovo je razlog da se kao referentan usvoji sinhroni sistem koji rotira sinhronom brzinom a da se pravac napona poklopi sa „d“ osom. U sinhronom referentnom sistemu jednačine stanja el. kola asinhrone mašine ( [1],[2],[3]), dopunjene naponima napajanja rotora, i prevedene u matričnu formu, date su sa (1) i (2) .

  5. 2. Matematički model asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom(jednačine ulančenih i rasipnih flukseva i mehaničke jednačine Dok su veze direktnih i poprečnih komponenti struja i ulančenih flukseva (magnetskih obuhvatanja) date sa A veze mehaničkih i električnih veličina date su sa:

  6. 2. Matematički model asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom(jednačine ulančenih i rasipnih flukseva i mehaničke jednačine • U jednačinama (1) do (7) Lm (H) je medjusobna induktivnost, Lls (H) je rasipna induktivnost statora,Rs (om) otpor statora, Llr (H) je rasipna induktivnost rotora, Rr (om) otpor rotora, J (kgm2) je moment inercije ukupnog sistema, p-broj polova mašine, wrel=(p/2)wrmeh • Treba istaći da je bazna frekvencija pogodno odabrana da se olakša izračunavanje drugih veličina prije svega svedenih (baznih) ulančenih flukseva ( magnetska obuhvatanja) i da olakša kasniju normalizaciju jednačina . Pri tome , predstavlja tzv svedene,bazne vrednosti ulančenog fluksa. • Takođe treba istaći da se navedene jednačine zasnivaju na magnetskim obuhvatanjima (ulančenim fluksevima). Odnos ulančenih flukseva statora i rotora i medjusobnog dat je matričnom relacijom (3) a odgovarajuće reaktanse su:

  7. 2. Matematički model asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom(transformacije abc u “alfa-beta-0” i “d-q-0” i inverzno) Ugao: predstavlja položaj sistema koji rotira sinhronom brzinom u odnosu na stator, dok ugao predstavlja položaj rotora u odnosu na početak u slučaju kada se rotor kreće promjenljivom brzinom i ima početni ugao “Teta_0” . Zato u slučaju rotorskih veličina pri prelasku iz dq u”alfa-beta” koordinatni sistem koristimo sinhronu i stvarnu brzinu rotora, a u slučaju statora stavljamo da je “Teta=0” tj da je brzina wr=0.

  8. 2. Matematički model asinhronog motora/generatora sa namotanim rotorom Osim prethodno navedenih zanimljive su i jednačine koje daju aktivnu snagu. Pomoću d-q komponenata može se dobiti aktivna snaga statora ili rotora. Kada se u jednačinu (10) zamijeni relacija za napon i to za stator (1) a za rotor (2) dobijamo aktivnu snagu raščlanjenu po njenim elementima što se vidi iz jednačine za snagu Ps+r=Ps+Pr=Pgub+Pem+Pelmagn koja je prikazana članovima (11), (12) i (13). Tako se aktivne snage i statora i rotora sastoje: -iz članova koji predstavljaju gubitke u aktivnim otpornostima jednačina (11), -članova koji se javlja pri pri promjenama radnih stanja kada dolazi do povećenja energije polja mašine (12), -i treći član je elektromagnetska snaga ukupne mašine koja se formira interakcijom između statora i rotora a određuje se prema jednačini (13).

  9. 3. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku -Za modelovanje u Matlabu_Simulinku korištena je lit [2], [4]. Na osnovu jednačina od (1) do (7) razvijen je blok 3ph_IG_M i podblokovi u njegovom sastavu. -Komunikacija sa ovim blokom tj. unose potrebnih parametara motora vrši se preko maske bloka lijevim dvoklikom. -Ovaj blok razbijen je na podblokove koji predstavljaju odgovarajuće jednačine u formi kako su prethodno napisane. -Kada se ovaj model, razvijen na osnovu matričnih jednačina, uporedi sa nekim drugim modelima razvijenim na osnovu algebarskih jednačina uočava se jednostavnost ovog modela -Uočava se, takođe, matrica M koja vrši zakretanje flukseva a takođe i krajevi sa izvodima dFdqs/dt i dFdqr/dt koji služe kod promjena režima rada za dobijanje promjene energije polja mašine.

  10. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku(medjusobni i sopstveni fluks) Vektori medjusobnog fluksa kao i vektori struja statora i rotora modelovani su na sl 3, sl 4, sl 5respektivno.

  11. 3. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku -Elektromagnetni moment modelovan je na sl 6 na osnovu jednačine (6) koja sadrži veličine statora kao varijable. -Jednačina kretanja rotora (7) modelovana je na sl 7 i osim uobičajenih ulaza kao što su elektromagnetni Te i momenat opterećenjaTL ima još i -mogućnost zadavanja početne brzinewr_meh_0 . J je moment inercije ukupnog sistema. Izlazi su mehanička i električna ugaona brzina.

  12. 3. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku(transformacija koordinata) Za transformaciju veličina iz sinhronorotirajućegsistema na stator i rotor koriste se relacije (8) i (9) u oba slučaja, stim što se za transformacijurotorskih veličina koristi stvarna rotorska brzina dok kod transformacije statorskih veličina stavljamo ωr_el=0. Matlab-Simulink model ovetransformacije dat je na sl (8/9).

  13. 3. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku(aktivna snaga na jednom pristupu) -Jednačinom (10) koja jemodelovana na sl 10, date su snaga koje iz mrežeuzimaju bilo stator bilo rotor. -Ukupna aktivna snaga statorai rotora data je kao zbir njihovih snaga. Gubici aktivnihsnaga statora i rortora dati su sa (11) a modelovani su nasl 11. -Promjene snage i energije polja koja se javlja kodpromjene radnog režima mašine data je sa (12) amehanička snaga mašine sa (13). -Članovi označeni sa(11) i (12) modelovani su prema slikama koje suoznačene istim tim brojevima dok je mehanička snaga (13)dobijena kao proizvod elektromagnetnog momenta i mehaničke ugaone brzine.

  14. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku(ukupni model)

  15. Modelovanje asinhronog motora/generatora u Matlabu-Simulinku(eksploatacija modela) • Ovako modelovana asinhrona mašina može se napojiti naponima preko statora i rotora. • Usvojeno je da se napojni napon statora poklapa sa direktnom osom sinhronog referentnog sistema tako da je vds =Um a vqs = 0 . Brzina referentnog sistema se zadaje pomoću posebnog bloka u čiju masku se unosi sinhrona frekvencija fs i broj polova p posmatrane mašine a naizlazu dobija električna i mehanička sinhrona brzina. Takodje postojiblok za unos početnebrzine mašine. • Sve potrebne veličine, ukupno osam vektora sapo dva elementa i šest skalarnih veličina , su koncentrisane na zajedničku sabirnicu. Sa nje se veličine potrebne za proračun selektuju pomoću Matlab-Simulink „selector_blokova • Model omogućava ispitivanje osobina masine sa kratkospojenim i namotanim rotorom u motorskom i generatorskom radu

  16. 4. Modelovanje pogona pomoću vjetroturbine Za modelovanje pogona asinhronog generatora pomoću vjetroturbine koristimo jednačine date u [4]. Vjetroturbina počinje sa radom kod tzv. „početne brzine“ (cut-in speed), dok najvišu snagu postiže kod nazivne brzine i to je nazivna snaga. Između ove dvije brzine ugao zakreta krila vjetroturbine jeβ = 0 a koeficijent snage Cp ima najveću moguću vrednost. Porastom brzine vjetra iznad nazivne brzine stupa u dejstvo regulacija, smanjenje snage turbine pomoću zakretanja krila turbine (porast β ↑ ) i na taj način smanjenjem koeficijenta snage Cp održava se snaga konstantnom. Kada brzina vjetra predje brzinu koja predstavlja granicu mehaničke izdržljivosti za vjetroturbinu (cut-out speed) obustavlja se rad turbine. Svakako i da odziv hidrauličnog mehanizma koji reguliše ugao zakreta krila vjetroturbine nije trenutan već je reda više sekundi a modeluje se pomoću diferencijalne jednačine prvog reda ali to ovdje neće biti razmatran0 Jednačine za snagu vjetroturbine i koeficijent snage zavisno od tzv. ugla zakreta krilavjetroturbine i tzv „tip-speed ratio“ su:

  17. 4. Modelovanje pogona pomoću vjetroturbine U jednačinama od (14) do (17) oznake imaju sledeća značenja ρ gustina vazduha; D prečnik površine zahvaćene krilima vjetroturbine; V∞ brzina vjetra ; Cp(β ,λi) koeficijent snage ; ω r ugaona brzina rotacije vjetroturbine ; β ugao zakretanja krila vjetroturbine (pitch angle) Analogno pogonu dobijenom pomoću vjetroturbine može se dobiti i pogonski momenat pomoću hidroturbine samo što je pogonski medijum i konstrukcija turbine drugačija.

  18. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom • Primjer: • Kao primjer pogona mašine poslužiće nam asinhrona mašina sa kratkospojenim rotoromsledećih karakteristika: • Snaga Pn=2.2 (kW), • broj polova p=4, • nazivna brzina nn=1440 (o/min)=150.796 (rad/sec), • sinhrona brzina n0=157.0796 (rad/sec), • otpornost statora Rs=3.1 ( Ω ). • rasipna induktivnost statora Lls=0.012801 (H) , • otpornost rotora Rr=2.86 ( Ω ), • rasipna induktivnost rotora Llr=0.013801 (H), • međusobna induktivnost Lm=0.225832 (H), • frekvencija f=50 Hz), • moment inercije same asinhrone mašine J=0.005 (kgm2 ) bez pogonjene masine • Vršna vrednost faznog napona koji služi za napajanje d-q modela motora je Ufm=310.2687 (V). • Mehanički moment na osovinimotora jednak je 0.0 (Nm) tokom 0.8 (s) zatim slijedi motorski rad +15 (Nm) od 0.6 (s), pa zatimgeneratorski rad -15 (Nm) od 0.6 (s). • Zamjenom navedenih podataka u model dobijamo karakteristike motora.

  19. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom

  20. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom

  21. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom(moment inercije vjetroturbine i mehanizma je višestruko većiod momenta inercije samog IM/G)

  22. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom

  23. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom

  24. 5. Primjer pogona asinhronog motora/generatora sa kratkospojenim rotorom

More Related