5. Symulacja falownikowych układów napędowych pracujących w wyspowym systemie fotowoltaicznym
Do analizy rozpatrywanych układów zastosowano program komputerowy Tcad, który jest zalecany do tego typu symulacji, gdzie współpracują zarówno części energoelektroniczne, elektroniczne jak i części typowo elektryczne. System fotowoltaiczny jest dość skomplikowanym układem, dlatego też symulację części wykonawczej dokonano oddzielnie. Za część wykonawczą należy tu rozumieć zarówno układy energoelektroniczne jak i napędowe współpracujące ze sobą w danym systemie. W rozdziale tym dokonano analizy pracy wyżej wymienionych układów, które są komponentem systemu, zasilającego rozpatrywaną fermę hodowlaną. Opisy i schematy do poszczególnych części zawarte są w rozdziale 4. pkt. 4.2.4. Symulacja w szczególności dotyczy dwóch typów napędów: napędu grupowego wentylatorów oraz pojedynczego napędu dowolnego urządzenia na fermie wymagającego dokładnej regulacji prędkości obrotowej.
5.1. Wstęp i opis do programu TCad.
Pakiet TCad 6.2 jest przeznaczony do analizy układów przekształtnikowych, a w szczególności napędowych. Prace nad pakietem trwają od 1985 roku, kiedy to opracowano wersję 3.0, ulepszaną aż do uzyskania wersji 4.22. System CAD pracujący pod MS Windows ma możliwość prowadzenia obliczeń pod MS DOS, MS Windows lub UNIX V. Opierając się na typowej strukturze systemów przekształtnikowych dokonano podziału funkcjonalnego pakietu na część elektryczną i pomocniczą. Przyjęto, że tylko część elektryczna będzie obliczana w sposób typowy dla układów elektrycznych, natomiast część pomocnicza musi składać się z podstawowych bloków, z tak określonym sposobem pracy, by był możliwy zapis jej stanu poprzez proste stosowanie funkcji przetwarzania. W efekcie praca części elektrycznej jest obliczana w oparciu o parametry elementów i ich stan początkowy, z wykorzystaniem metody potencjałów węzłowych i całkowania numerycznego wg. algorytmu interpolacyjnego Geara I rzędu wstecz, a część pomocnicza jest obliczana w sposób rekurencyjny. W skład części elektrycznej (głównej) wchodzą: źródła napięcia i prądu, elementy bierne, łączniki i maszyny elektryczne wraz z ich obciążeniem - źródłem momentu oporowego (czy napędowego przy pracy pradnicowej). Część pomocnicza to czujniki, bloki części sterującej. Większość z bloków części pomocniczej pozwala na sterowanie zaworami, a każdy z nich może sterować źródłami napięcia i prądu lub wartością momentu obciążenia maszyny elektrycznej.
Części składowe pakietu to:
· edytor graficzny TCadSchem ,
· moduły symulacyjne programu wiodącego TCad ,
· postprocesor przebiegów TCadGraf ,
· moduł analizy częstotliwościowej przebiegów TCadHar ,
· konwerter plików schematów na tekstowe pliki topologiczne Sch2Txt ,
· konwerter plików przebiegów na pliki tekstowe Wnk2Txt ,
· konwerter plików harmonicznych na pliki przebiegów Har2Wnk ,
· konwerter plików tekstowych na pliki przebiegów Txt2Wnk ,
· pliki pomocy dla TCad i TCadGraf oraz skoroszyt sporządzony dla Microsoft Excel 4.0 ,
Program ten został zakupiony przez Katedrę Napędów Elektrycznych w 1996r. , numer licencji: 951017/1/05
5.2. Analiza symulacyjna pracy układu napędowego grupy wentylatorów zasilanego z baterii fotowoltaicznej
Przy zasilaniu różnych rodzajów odbiorników z baterii fotowoltaicznej, wytwarzane tam napięcie podawane jest poprzez układy pośredniczące na szyny prądu stałego. Natomiast poszczególne odbiorniki zasilane są oddzielnie w zależności od wymagań i potrzeb. W przypadku kiedy wymagana jest duża liczba silników o jednakowo sterowanej prędkości obrotowej, do zasilania napędu stosowany jest falownik niezależny z regulowanym napięciem obwodu prądu stałego. Regulacja tego napięcia odbywa się przy pomocy przekształtnika impulsowego. Opis i szczegółowy schemat części energoelektronicznej badanego układu znajduje się w pkt. 4.2.4. Rys. 4.13. Natomiast schemat symulacyjny pojedynczego napędu przedstawia poniższy rysunek.
L2
ST
D2
M
PV
C2
T2
w
wz
~
Rys. 5.1. Schemat symulacyjny pojedynczego napędu prądu przemiennego zasilanego z pola PV
oznaczenia:
ST - analogowy układ sterujący prędkością kątową,
PV - pole PV (w symulacji założono, że układ napędowy zasilany jest z szyn prądu stałego, gdzie panuje cały czas stałe napięcie ),
M - silnik klatkowy ( model matematyczny maszyny indukcyjnej klatkowej pobrany z biblioteki programu TCad),
LOAD - obciążenie typu wentylatorowego,
Pomimo, że wyniki symulacji zostały przedstawione dla pojedynczego układu napędowego (silnik podłączony jest do obwodu prądu przemiennego), to można je odnieść do całej grupy napędowej. Wyniki podano tematycznie w zależności od rozpatrywanej wielkości:
napięcia i prądy
Do uzwojeń silników zasilanych z falownika napięcia - niezależnie od charakteru obciążenia i sposobu połączeń - jest doprowadzone napięcie międzyfazowe , które ma postać prostokątnych bloków o amplitudzie równej wartości napięcia w obwodzie prądu stałego. Poszczególne bloki napięcia są przesunięte względem siebie o 2p/3.
U
Rys. 5.2. Przebieg czasowy napięcia międzyfazowego U23 na wyjściu z falownika
Napięcie to można przedstawić w postaci szeregu
, k = 1+ 6g
g = 0, 1, 2, ....
gdzie Uk oznacza każdą harmoniczną napięcia , Ud stałe napięcie zasilania
Przy zasilaniu dowolnego odbiornika z falownika napięcia przebieg prądu fazowego jest zbliżony do sinusoidy, zależy on od kształtu napięcia, oraz od właściwości obwodu obciążenia (R, L). Współczynnik mocy obciążenia falownika jest określony przez przesunięcie fazowe sinusoidalnych fal podstawowych prądu względem napięcia (Rys. 5.3.)
U [V]
b
a
c
Rys. 5.3. Napięcia i prądy silnika klatkowego zasilanego z falownika napięcia o prostokątnej fali napięcia wyjściowego:
a) prąd fazowy przy obciążeniu wentylatorowym silnika; b) prąd fazowy przy pracy jałowej; c) napięcie międzyfazowe U23
W celu wygładzenia pulsacji prądu oraz ograniczenia wpływu wyższych harmonicznych na pracę silnika, zastosowano układ regulacji napięcia wejściowego falownika. Układ ten spełnia obie przydzielone mu funkcje z dużą efektywnością. Ograniczenie pulsacji prądu jest lepsze dla małych częstotliwości i niskich napięć zasilających. Na rysunku 5.4. porównano wyniki symulacji dla wymienionych wyżej warunków. Natomiast na następnym rysunku 5.5. przedstawiono obecność amplitud wyższych harmonicznych w prądzie fazowym silnika przy zastosowaniu wymienionego układu i bez niego, przy częstotliwości podstawowej harmonicznej 50 Hz. Dodatkową zaletą tego układu jest zmniejszanie oddziaływania harmonicznych prądu pobieranego przez falownik na ogniwo PV lub akumulator (Rys. 5.6.). Jest to bardzo ważna zaleta tego układu, ponieważ wpływa ona na żywotność ogniw słonecznych i baterii chemicznej. Przy zwiększaniu czasu impulsowania tranzystora T2 napięcie wejściowe falownika bardziej się wygładza co wpływa na polepszenie dynamiki układu i stabilizację prędkości kątowej (Rys. 5.7.).
prądy fazowe silnika przy różnej konfiguracji układu pośredniczącego
In [%]
a)
2
1
i[t]
b)
Rys. 5.4. Przebiegi prądu fazowego silnika z obciążeniem wentylatorowym dla różnych częstotliwości zasilania: a) 50 Hz ; b) 25 Hz
Oznaczenia :
1 - prąd fazowy i3 przy obecności układu regulacji napięcia,
2 - prąd fazowy i3 przy bezpośrednim podłączeniu falownika do źródła napięcia,
wyższe harmoniczne napięcia wyjściowego falownika
a )
Rys. 5.5. Widmo harmonicznych falownika napięcia dla pracy silnikowej: a) bezpośrednie podłączenie falownika do źródła napięcia; b) obecność zasilacza impulsowego
harmoniczne pobierane przez źródło napięcia stałego
Rys. 5.6. Widmo harmonicznych pobieranych przez ogniwo PV lub akumulator: a) bezpośrednie zasilanie falownika z szyn prądu stałego; b) układ przy obecności zasilacza impulsowego
wpływ częstotliwości impulsowania na napięcie wejściowe falownika
Rys. 5.7. Przebiegi napięcia zasilającego falownik: a) T imp = 0.001s; b) T imp = 0.01s
moment i prędkość obrotowa układu napędowego
czynniki wpływające na moment rozruchowy
Mn [%]
4
3
Rys. 5.8. Moment rozruchowy silnika klatkowego przy obciążeniu wentylatorowym:
a) rozruch silnika przy pełnym zasilaniu; b) rozruch przy obniżonym napięciu o częstotliwości podstawowej harmonicznej 25 Hz
oznaczenia :
1 - rozruch silnika bez obciążenia, fs = 50 Hz,
2 - rozruch silnika z obciążeniem, fs = 50 Hz,
3 - rozruch silnika z obciążeniem , fs = 25 Hz,
4 - rozruch silnika z obciążeniem, bez członu zasilacza impulsowego, fs = 25 Hz,
Przy zasilaniu silnika napięciem o kształcie prostokątnym moment wykazuje pulsacje o częstotliwości 6fs (gdzie fs częstotliwość zasilania stojana).
W chwili rozruchu pulsacje te są jednak wytłumione przez indukcyjności występujące w obwodzie, jednakże amplituda zmian momentu jest duża. Dlatego też przy rozruchu silnika przy pełnym zasilaniu, moment przyjmuje wartości ujemne, co oznacza ,że wirnik może wykonać ruch wsteczny. Przy obniżonej częstotliwości napięcia zasilającego rozruch układu napędowego jest już prawidłowy co jest zobrazowane na Rys. 5.8.b krzywa nr.3.
W stanie ustalonym moment rozwijany przez maszynę można przedstawić, po rozwinięciu w szereg Fouriera, następująco:
Me = Mśr + max cos nwst ; n = 6g
gdzie: Mmaxn - wartość maksymalna n-tej harmonicznej ; ws - pulsacja podstawowej harmonicznej napięcia zasilającego; Mśr - wartość średnia momentu
Jednakże pulsacje prędkości kątowej maszyny spowodowane momentem o amplitudzie Mmaxn maleją z kwadratem pulsacji zasilania ws oraz proporcjonalnie do rzędu harmonicznej momentu n [5],co jest również zgodne z wynikami symulacji (Rys. 5.9. i 5.10.). Pulsacja momentu zwiększa się ze wzrostem czasu impulsowania tranzystora T2, ale amplituda tych pulsacji wyraźnie maleje (Rys. 5.9.b)
moment elektromagnetyczny układu napędowego w stanie ustalonym
Rys. 5.9. Przebieg momentu układu napędowego w stanie ustalonym: a) praca jałowa -2 , praca silnikowa - 1 ; b) przebiegi przy różnej częstotliwości impulsowania tranzystora T2
Prędkość kątowa dla różnych napięć zasilających
W[rad/s]
...
rajmundos9