Асинхронний електропривод зі спрощенним дволанковим безпосереднім перетворювачем частоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ЗІ СПРОЩЕННИМ ДВОЛАНКОВИМ БЕЗПОСЕРЕДНІМ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ ЧАСТОТИ

Спеціальність: Електротехнічні комплекси та системи

Антонов Микола Леонідович

Одеса, 2010 рік



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час самим масово застосовуваним електродвигуном є короткозамкнений асинхронний двигун, що має простоту конструкції, дешевизну й підвищену експлуатаційну надійність, а також - поліпшені регулювальні властивості при частотному керуванні. Однак сучасним частотно-регульованим асинхронним електроприводам (ЧРАЕП), що створюються у переважній більшості на основі автономного інвертора напруги (АІН) із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) і нереверсивного діодного або реверсивного тиристорного перетворювачів постійного струму, властиві недоліки, пов'язані з наявністю в ланці постійного струму перетворювача електролітичного конденсатора збільшеної ємності.

Це знижує експлуатаційну надійність й ускладнює технічну реалізацію електропривода через необхідність установки додаткових пристроїв для заряду цього конденсатора при початковому включенні електропривода або після провалів напруги мережі. Інший недолік ЧРАЕП з АІН-ШІМ викликаний невисокою якістю його електромагнітної сумісності з мережею живлення, що обумовлено активно-індуктивним характером споживання й несинусоїдальною формою струму мережі цього електроприводу. Усунення зазначених недоліків приведе до підвищення експлуатаційної надійності й енергоефективності регульованих електроприводів змінного струму.

В останні роки в Україні й за кордоном приділяється велика увага розробці нових перспективних видів безпосередніх перетворювачів частоти (ПЧ), які дозволяють уникнути відзначених вище недоліків ЧРАЕП з АІН-ШІМ. Одним з таких найбільш привабливих ПЧ є спрощений дволанковий безпосередній перетворювач частоти (СДБПЧ), що має ряд таких істотних переваг: відносну технічну простоту (містить у своєму складі всього дванадцять повністю керованих напівпровідникових силових ключів, які шунтовані зворотними діодами), здатний здійснювати рекуперацію енергії в мережу живлення, підвищену експлуатаційну надійність (оскільки не містить у своєму складі електролітичного конденсатора), а також не вимагає установки додаткових пристроїв для заряду конденсаторів. Створення автоматизованих електроприводів (ЕП) на основі СДБПЧ та короткозамкненого асинхронного двигуна актуально, затребувано практикою й дотепер не здійснювалося. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором при виконанні наступних державних науково-технічних програм, спрямованих на створення й впровадження високоефективних ЧРАЕП змінного струму при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до тем. плану наукових досліджень Запорізького національного технічного університету за темами:

- ДБ №02016 від 01 січня 2006 року по темі: "Енергозберігаюче керування в системах автоматизованого електропривода й удосконалювання оплати електроспоживачів за реактивну енергію" (номер 0106U000363);

- ДБ №02018 від 01 січня 2008 року по темі: "Розробка й дослідження нових ефективних видів електропривода й енергозберігаючої перетворювальної техніки" (номер держреєстрації 0108U000274).

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування ЧРАЕП шляхом його створення на основі СДБПЧ з оптимальним за швидкодією векторним регулюванням статорного струму й високою якістю електромагнітної сумісності з мережею живлення.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі основні задачі:

- аналіз існуючого стану векторних систем автоматичного керування й відомих досліджень електромеханічних процесів для ЧРАЕП, створених на основі перетворювачів частоти із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), а також відомих підходів до поліпшення електромагнітної сумісності електроприводів з мережею живлення;

- розробка для ЧРАЕП зі СДБПЧ оптимального за швидкодією способу регулювання статорним струмом двигуна в динамічних режимах й оптимального за мінімумом частоти інвертора (при заданій амплітуді пульсацій статорного струму двигуна) у сталих режимах;

- розробка математичного опису й цифрової імітаційної моделі ЧРАЕП зі СДБПЧ, призначених для дослідження електромагнітних й електромеханічних процесів;

- якісна й кількісна оцінка електромагнітних та електромеханічних процесів у ЧРАЕП зі СДБПЧ, досягнутих в системах підпорядкованого регулювання потокозчеплення, швидкості та положення із запропонованими способами регулювання статорного струму двигуна;

- вибір ефективної схеми пасивного фільтра мережі й розрахунок його параметрів, що дозволяють поліпшити електромагнітну сумісність ЧРАЕП на основі СДБПЧ із трифазною промисловою мережею, кількісна оцінка коефіцієнта потужності мережі й гармонійного складу струмів мережі даного електропривода, отриманих із застосуванням зазначеного пасивного фільтра мережі;

- розробка безпечного (яке виключає виходи з ладу силових ключів перетворювача) керування розглянутим ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалах напруги мережі, що забезпечує автоматичне повторне включення електропривода при відновленні напруги мережі;

- підтвердження достовірності отриманих наукових результатів за допомогою математичного моделювання, експериментальних досліджень макетного зразку, промислового впровадження.

Об'єктом досліджень є електромагнітні й електромеханічні процеси в ЧРАЕП зі СДБПЧ.

Предметом досліджень є: автоматичне керування ЧРАЕП зі СДБПЧ у робочих режимах і при провалі напруги мережі й показники якості електромагнітної сумісності цього електропривода із трифазною промисловою мережею, які враховують спільний вплив перетворювача частоти, асинхронного двигуна, фільтра мережі й системи автоматичного керування.

Методи досліджень. Методи узагальнених векторів й операторного зображення, еквівалентних джерел і математичного моделювання використовуються для аналізу електромагнітних й електромеханічних процесів ЧРАЕП зі СДБПЧ, методи прогнозуючого, полеорієнтованого й підпорядкованого регулювання застосовуються при розробці структури й розрахунку регуляторів САК електроприводом, метод лінійного програмування Гауса - при оптимізації керування статорним струмом, метод експериментального дослідження - для підтвердження адекватності розроблених математичної й цифрової імітаційної моделей реальному ЧРАЕП зі СДБПЧ, а також для оцінки достовірності отриманих у роботі наукових результатів.

Наукова новизна одержаних результатів.

У результаті проведення досліджень отримані нові наукові результати:

1. Аналітичні залежності, що свідчать про те, що на міжкомутаційному інтервалі СДБПЧ модуль узагальненого вектора приросту статорного струму АД змінюється в часі практично за лінійним законом, а напрямок узагальненого вектора приросту статорного струму збігається на міжкомутаційному інтервалі з напрямком результуючого узагальненого вектора напруги;

2. Прогнозуюче релейно-векторне регулювання статорного струму АД при живленні від СДБПЧ, що полягає в оптимальному за швидкодією векторному регулюванні статорного струму в динамічних режимах роботи й гранично можливому зниженні частоти перемикання силових ключів інвертора в сталих режимах ЕП, при якому враховується необхідність безструмового перемикання силових ключів активного випрямляча;

3. Залежність частоти перемикання силових ключів інвертора від ширини струмових «коридорів», на основі якої здійснюється підтримка в заданих межах розмахів пульсацій електромагнітного моменту ЕП;

4. Кількісна і якісна оцінки процесів регулювання координат ЕП, які дозволяють отримати в аналітичному виді залежності;

5. Керування ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалах напруги мережі, засноване на примусовому відключенні контактора мережі й подачі керуючих імпульсів, які відповідають штатному режиму роботи перетворювача, на силові ключі активного випрямляча й інвертора, усуває надструми й перенапруги на зазначених ключах.

Практичне значення одержаних результатів:

- за допомогою запропонованого прогнозуючого релейно-векторного регулювання статорного струму в ЧРАЕП зі СДБПЧ за рахунок мінімізації часу регулювання активної проекції статорного струму двигуна в динамічних режимах і мінімізації частоти переключення силових ключів інвертора (без збільшення амплітуди модуляційної складової статорного струму) при сталих режимах роботи досягається підвищена швидкодія регулювання швидкості та положення привода, а також знижуються модуляційні втрати потужності в перетворювачі частоти й двигуні;

- засновані на підпорядкованному регулюванні структури САК швидкістю й положенням ЧРАЕП зі СДБПЧ дозволили одержати високу нормовану якість (близьке до властивого для безперервних систем регулювання) статичних характеристик й електромеханічних перехідних процесів даного привода в робочих режимах;

- запропоноване керування ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалах напруги мережі дозволяє виключити аварійні ситуації (які спричинять за собою виходи з ладу силових ключів перетворювача) й забезпечити автоматичне повторне включення зазначеного електропривода після відновлення напруги мережі;

- визначена для ЧРАЕП зі СДБПЧ ефективна схема пасивного фільтра мережі й запропонована методика розрахунку її параметрів, які дозволили забезпечити ємнісний характер струму мережі цього електропривода (при загальному коефіцієнті гармонік статорного струму, що дорівнює 0,05-0,025), а при доповненні фільтра корегувальною індуктивністю - досягти коефіцієнта потужності мережі, що дорівнює 0,95-0,99 у робочих режимах.

Особистий внесок здобувача. Роботи 1, 2, які присвячені зниженню частоти комутації силових ключів інвертора в сталих режимах ЧРАЕП зі СДБПЧ, розрахунку параметрів схеми пасивного фільтра й дослідженню з її використанням електромагнітної сумісності ЕП з мережею живлення, опубліковані автором одноосібно. Особистий внесок автора в роботах, виконаних у співавторстві, полягає в наступному: для 3, 14 - у розробці цифрової моделі СДБПЧ, навантаженого на АД, і дослідженні електромагнітних процесів, що протікають при цьому у двигуні, для 4, 6, 10 - у розробці імітаційних моделей систем регулювання швидкості й положення, результатах дослідження ЧРАЕП зі СДБПЧ у динамічних і сталих режимах, для 5 - у розробці й дослідженні модифікованого оптимального за швидкодією прогнозуючого релейно-векторного регулювання (ПРВР) статорного струму в ЧРАЕП зі СДБПЧ, для 7, 11 - в розробці керування ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалі напруги мережі й результатах дослідження його функціонування в цьому режимі, для 8 - у виборі ефективної схеми пасивного фільтра мережі й розробці методики розрахунку її параметрів, для 9 - у розробці методики розрахунку регуляторів і дослідженні якості регулювання положення в ЧРАЕП зі СДБПЧ, для 12, 13, 15 - у розробці й дослідженні вдосконаленого оптимального за швидкодією ПРВР.

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних конференціях: присвяченої пам'яті заслуженого працівника вищої школи України О.М. Коритіна (м. Одеса, 2004 р.), XIII науково-технічної конференції "Електроприводи змінного струму" (м. Єкатеринбург, Росія, 2005 р.), науково-технічних конференціях "Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації" (м. Кременчук, 2005 р., 2007 р. й 2008 р.), науково-технічної конференції «Проблеми сучасної електротехніки ПСЕ-2006» (м. Київ, 2006 р.), науково-технічних конференціях: "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика" (м. Одеса, 2006 р., пмт. Миколаївка, 2007 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 друкованих наукових працях, які входять у перелік спеціальних видань ВАК України (або прирівняні до них) й захищені патентом України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновку й додатків. Загальний обсяг роботи складає 287 сторінок, у тому числі 139 сторінок основного тексту, 100 рисунків, 26 таблиць, перелік використаних джерел (166 найменувань) і 9 додатків на 54 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й основні задачі дослідження, наведена загальна характеристика роботи й основні положення й результати, що виносяться на захист.

У першому розділі на основі вітчизняної й закордонної науково-технічної літератури виконано аналіз існуючого стану ПЧ, автоматичного керування й досліджень електромеханічних процесів (ЕМП) та електромагнітної сумісності з мережею живлення для ЧРАЕП із ШІМ.

Рис. 1. - Функціональна схема ЧРАЕП зі СДБПЧ:

У другому розділі обрані раціональні методи дослідження, розроблені математичний опис та імітаційна модель СДБПЧ, навантаженого на короткозамкнений асинхронний двигун (АД) і виконаного (згідно схеми розглянутого ЕП на рис. 1) на IGBT-транзисторах V1-V12, які шунтовані зворотними діодами. Зазначений математичний опис заснований на: загальноприйнятому ідеалізованому представленні АД, наступному співвідношенні для знаходження вихідної напруги активного випрямляча (АВ):

Та представленні узагальненого вектора вихідної напруги трифазного автономного інвертора напруги (АІН) згідно табл. (у функції m-ої комбінації відкритих і закритих силових ключів інвертора, де m = 1, 2,…7).

При цьому у рівнянні (1), табл. і на рис. 1 використовуються наступні позначення: Uф max й Uф min - відповідно максимальне й мінімальне поточні значення вхідних фазних напруг АВ, Um і Um - проекції узагальненого вектора вихідної напруги АІН (відповідного m-ої комбінації його силових ключів) на осі нерухомої ортогональної координатної системи (ОКС), UфА, UфВ, UфС - напруги трифазної мережі живлення, К - контактор мережі, ФМ - фільтр мережі, БДНМ - блок датчиків напруги мережі, СКАВ - система керування активним випрямлячем, СКІ - система керування інвертором. Розроблені математичний опис й імітаційна модель враховують часову дискретність роботи силових ключів АВ й АІН, несинусоїдальну форму вихідних напруг і струмів СДБПЧ. Також ними враховується запропонований спосіб керування силовими ключами АВ, що полягає в тім, що: по-перше, у будь-який момент часу відкриті два ключі - по одному в катодній й анодній групах АВ відповідно (у тих фазах, для яких поточне значення вхідної фазної напруги АВ максимально й мінімально), по-друге, перед переключенням силових ключів АВ (планованим до здійснення в моменти часу порівняння двох його вхідних фазних напруг) попередньо (від сигналу Qв на виході СКАВ) задається короткочасно (протягом 50-100 мкс) комбінація m = 7 силових ключів АІН (яка забезпечує рівність нулю вхідного струму інвертора). У свою чергу, наступне безструмове переключення силових ключів АВ служить для виключення перенапруг на силових ключах АВ й АІН (що виникають при відсутності конденсатора в ланці постійного струму СДБПЧ), а також - для зменшення модуляційних втрат потужності в АВ. Проведене співставлення результатів імітаційного моделювання стаціонарних режимів СДБПЧ, навантаженого на АД (типу 4А132S6У3 потужністю 5,5 кВт), з експериментально отриманими результатами свідчить про їхній добрий збіг між собою: з похибкою для напруг і струмів - менш 5%, для швидкості - менш 1%.

Завдяки рішенню операторним методом рівняння для статорного кола АД, який живиться від СДБПЧ, отримане аналітичне співвідношення для прогнозованого (при m-ої комбінації силових ключів АІН) приросту узагальненого вектора статорного струму на поточному міжкомутаційному інтервалі інвертора:



В даному співвідношенні використовуються наступні позначення:

Прогнозований (при m-ої комбінації силових ключів) результуючий вектор напруги, і - значення узагальнених векторів відповідно вихідної напруги СДБПЧ, статорного струму й ЕРС ротора АД на початку міжкомутаційного інтервалу (при t' = 0), L і k - сумарна індуктивність розсіювання двигуна й коефіцієнт зв'язку ротора відповідно, t' - час, відлічуваний від початку поточного міжкомутаційного інтервалу інвертора.

Рис. 2. - Векторна діаграма АД:

Рис. 3. - СВРС з модифікованим регулюванням:

Векторною діаграмою на рис. 2 ілюструється знаходження напрямку вектора приросту статорного струму АД (у вигляді колінеарного вектора результуючому вектору напруги), що покладено в основу подальшого прогнозуючого релейно-векторного регулювання статорного струму в ЧРАЕП зі СДБПЧ. У третьому розділі на основі отриманого співвідношення (2) розроблені й досліджені два різновиди системи векторного регулювання струму (СВРС) із прогнозуючим релейним керуванням для ЧРАЕП зі СДБПЧ. Перша з них (з модифікованим оптимальним за швидкодією регулюванням статорного струму) наведена на рис. 3 і містить: обчислювач відхилень (ОВ) проекцій статорного струму, обчислювач вихідної напруги (ОВН) перетворювача частоти, обчислювач результуючої напруги (ОРН), блок оптимального керування (БОК), прямі координатні перетворювачі (КП1 і КП2), блок релейних елементів (БРЕ), блок завдання комбінації (БЗК) силових ключів інвертора. На цьому рисунку використовуються наступні позначення:, - задані значення відповідно намагнічуваної й активної проекцій статорного струму АД, Isx, Isy - фактичні значення відповідно намагнічуваної й активної проекцій статорного струму двигуна (тобто - проекції узагальненого вектора статорного струму на осі обертової ОКС «х-у», пов'язаною речовинною віссю «х» з узагальненим вектором потокозчеплення ротора двигуна), Is, Is - проекції узагальненого вектора статорного струму на осі нерухомої ОКС, cos і sin - гармонійні функції від аргументу узагальненого вектора потокозчеплення ротора АД.

За допомогою обчислювача ОВ знаходяться відхилення Isx, Isy між заданими, і фактичними Isx, Isy проекціями статорного струму:

залежно від значень яких: зберігають комбінацію силових ключів АІН попередньою (якщо |Isx|, hx, |Isy|, hy), або змінюють комбінацію силових ключів на нову (що задається блоком БОК через БЗК), якщо |Isx|, hx або |Isy|, hy, де hx та hy - ширини струмових «коридорів» (які складають 2-5% від номінального струму АД). За допомогою ОВН розраховуються зі співвідношень у табл. 1 прогнозовані значення проекцій Um і Um узагальненого вектора вихідної напруги АІН, через які із залежностей:

Обчислювач ОРН визначає проекції Um, Um результуючого вектора напруги на осі нерухомої ОКС, де, - проекції на осі тієї ж координатної системи узагальненого вектора ЕРС ротора двигуна. За допомогою КП2 визначаються проекції Umх, Umy результуючого вектора напруги на осі обертової ОКС «х-у». Це надходять на вхід блоку БОК.

Рис. 4. - Векторна діаграма для модифікованого регулювання:

За допомогою БРЕ формуються гістерезисні функції fx, fy (із границями петлі, відповідно рівними ±hx й ±hy) залежно від значень відхилень Isx й Isy. Блок керування БОК знаходить максимальне значення функціоналу F1(m*):



Яке відповідає оптимальній комбінації m* силових ключів АІН, що забезпечує модифіковане (тобто відповідно до векторної діаграми на рис. 4 у заданих для намагнічуваної проекції статорного струму «коридорах»: -hx, Isx, +hx) оптимальне за швидкодією регулювання активної складової статорного струму (або електромагнітного моменту) двигуна. На рис. 4 використовуються наступні позначення:, - прогнозовані результуючі вектори напруги, що відповідають умовам (6), - інші результуючі вектори напруги, PS1S2, S11, Q - годограф руху узагальненого вектора статорного струму при відпрацьовуванні активної проекції струму.

Другий запропонований різновид СВРС реалізує вдосконалене оптимальне за швидкодією регулювання статорного струму, що, по-перше, повністю ідентично розглянутому раніше модифікованому регулюванню - у динамічних режимах роботи ЧРАЕП зі СДБПЧ і, по-друге, відрізняється в сталих режимах роботи забезпеченням мінімально можливої частоти перемикання силових ключів АІН (при заданих незмінних значеннях hx й hy струмових «коридорів»).

Останнє досягається тим, що на границі сталого й динамічного режимів роботи розраховується функціонал F2(m):

Що прогнозує тривалість міжкомутаційних інтервалів інвертора в наступаючому сталому режимі роботи електропривода, для якого визначається його максимальне значення F2(m*), та max й відповідне йому значення m* комбінації силових ключів АІН. Зазначене значення m* комбінації задають для силових ключів інвертора в сталих режимах роботи ЧРАЕП, чим забезпечується мінімально можлива частота переключення силових ключів АІН у цих режимах.

Рис. 5. - Векторна діаграма для вдосконаленого регулювання:

У співвідношеннях (7) використовуються наступні позначення: Isx0, Isy0 й Umx0, Umy0 - значення відхилень проекцій статорного струму й прогнозовані значення проекцій результуючого вектора напруги в момент часу (що відповідає точці М на рис. 5) переходу з динамічного режиму в сталий режим роботи (для останнього режиму на рис. 5 відповідає область в середині прямокутника ABCD).

На даному рисунку ломана лінія MNS ілюструє рух узагальненого вектора статорного струму в сталому режимі.

За допомогою імітаційної моделі й експериментальної установки досліджені електромагнітні процеси відпрацьовування східчастого завдання активної проекції статорного струму АД при різних швидкостях двигуна, які відповідають одно- і двократному (від номінального) значенню зазначеної проекції струму і її різним полярностям.



Рис. 6. - Відпрацювання активної проекції статорного струму АД для: модифікованого та вдосконаленого регулювання:

На рис. 6 показані дані процеси відпрацьовування позитивної полярності двократного значення активної проекції статорного струму при швидкості, що дорівнює 0,5 від номінальної (а - для модифікованого, б - для вдосконаленого регулювання статорного струму), де: і М - модуль статорного струму й електромагнітний момент АД, - фазні статорні струми двигуна. Виконані (для значень: 0,5А) дослідження свідчать, по-перше, про рівну швидкодію відпрацьовування статорного струму й електромагнітного моменту АД в динамічних режимах при обох запропонованих способах ПРВР статорного струму, які характеризуються (у порівнянні з відомими ЕП постійного й змінного струму) зменшеними в (2-10) раз часом відпрацьовування. По-друге, - про зменшення в (1,4-9) раз частоти переключення силових ключів інвертора при використанні вдосконаленого регулювання, внаслідок чого останній спосіб рекомендований до подальшого застосування в ЧРАЕП зі СДБПЧ. По-третє, проведені дослідження свідчать про приблизно обернено пропорційну залежність частоти переключення fп силових ключів АІН від ширини hx та hy струмових «коридорів» при запропонованих способах ПРВР, що ілюструється (для швидкості двигуна 4А132S6У3, що дорівнює 0,5 від номінальної, і при номінальному навантаженні) графіками на рис. 7, де: kг - загальний коефіцієнт гармонік фазного статорного струму АД, криві 1 й 2 відповідають модифікованому й удосконаленому способам ПРВР.



Рис. 7. - Залежності kг й fп від ширини h:

У четвертому розділі розроблені структури САК для ЧРАЕП зі СДБПЧ при прогнозуючому релейно-векторному регулюванні струму, для них виконані дослідження отриманих ЕМП і статичних характеристик цього ЕП.

Рис. 8. - Структури САК для ЧРАЕП зі СДБПЧ:

Розроблені структури САК з одно- та двозонним регулюванням швидкості й регулюванням положення, ілюструються загальною функціональною схемою, що наведена на рис. 8 (у якій показані стани перемикачів S1 й S2 відповідають однозонному регулюванню швидкості).



Рис. 9. - Електромеханічні процеси для одно- та двозонного регулювання:

При цьому двозонне регулювання швидкості задається зміною стану перемикача S2, а регулювання положення - зміною стану перемикача S1. САК на рис. 8 містить зовнішні контури регулювання: положення (з регулятором положення РП), швидкості (з регулятором швидкості РШ) і потокозчеплення (з регулятором потокозчеплення РПЗ) або ЕРС ротора (з регулятором ЕРС РЕ).

До складу САК входять: обчислювач ОВН вихідної напруги АВ, блоки датчиків струму БДС й напруги БДН двигуна, блок ідентифікації параметрів режиму (проекцій статорного струму Is, Is й ЕРС ротора kEr, kEr, гармонійних функцій cos і sin, модулів потокозчеплення r й ЕРС Er ротора, швидкості) двигуна, датчик ДП положення ротора АД.

На основі виконаних досліджень застосована апроксимація передатних функцій замкнутих внутрішніх релейних контурів регулювання намагнічуваної Isx й активної Isy проекцій статорного струму безперервними інерційними ланками виду:

яка використовується при подальшому розрахунку передатних функцій зовнішніх регуляторів САК, де kт - передатний коефіцієнт БДС за струмом, T - еквівалентна постійна часу контурів регулювання намагнічуваної та активної проекції статорного струму.

При цьому встановлено, що значення постійної T доцільно розраховувати (для запропонованих модифікованого й удосконаленого прогнозуючого регулювання) рівним зворотному значенню усередненої частоти переключення силових ключів АІН при зупиненому АД:

З урахуванням цього виконано розрахунок регуляторів розглянутих САК для настроювань: контуру потокозчеплення (або ЕРС) - на модульний оптимум (МО), а контуру швидкості - на МО або симетричний оптимум (СО). При регулюванні положення забезпечувалися настроювання позиційного електропривода: при малих переміщеннях - на критичне демпфірування, при середніх й великих переміщеннях - з оптимальною швидкодією, а слідкуючого електропривода - на МО або СО.

На імітаційній моделі й експериментальній установці ЧРАЕП зі СДБПЧ для даних САК проведені дослідження ЕМП у різних режимах: розгону, набросу й скидання номінального навантаження, реверса й гальмування (до повної зупинки), які показані (при настроюванні контуру швидкості на СО): для однозонного регулювання - на рис. 9 (при часі t < 0,38 с.), а для двозонного - на тому ж рисунку при t ? 0,38 с. При цьому при двозонному регулюванні: у першій зоні (при швидкості, що не перевищує номінальної) - підтримувалося потокозчеплення ротора АД номінальним, а в другій зоні (для швидкості вище номінальної) - підтримувався номінальним модуль ЕРС ротора двигуна. На рис. 9 використовуються позначення: Isa, Isb, Isc - фазні статорні струми АД, r, r - проекції узагальненого вектора потокозчеплення ротора двигуна на осі нерухомої ОКС.

Рис. 10. - Дослідження смуги пропускання за швидкістю:

Для гармонічної форми змінної складової сигналу завдання * швид-кості (з розмахом м*) виконане дослідження смуги пропускання за швидкістю для ЧРАЕП зі СДБПЧ, результати якого наведені на рис. 10 (у вигляді відносної величини м/м* як функції постійної складової сигналу завдання швидкості d*), де м - розмах фактичної змінної складової швидкості заданої частоти, н - номінальне значення швидкості двигуна, крива 1 - для 100 Гц, крива 2 - для 200 Гц, крива 3 - для d* = 0, крива 4 - для d* = 0,8н. Встановлено, що статичні механічні характеристики ЧРАЕП зі СДБПЧ (для САК з одно- і двозонним регулюванням) являють собою сімейства похилих (при настроюванні контуру швидкості на МО) або паралельних горизонтальних (при настроюванні на СО) прямих. Отримано співвідношення для розрахунку складових сталої похибки за швидкістю в ЧРАЕП зі СДБПЧ із настроюванням контуру швидкості на МО: за керуванням при лінійній зміні сигналу завдання швидкості:

Та при збуреннях за навантаженням:

Де:

Tфс - стала часу фільтра в колі зворотного зв'язку за швидкістю.

Рис. 11. - Електромеханічні процеси при позиційному регулюванні:

При настроюванні контуру швидкості на СО зазначені складові похибки за швидкістю дорівнюють нулю, а при додатковій установці в колі завдання на швидкість фільтру (зі сталою часу, що дорівнює 4T або навіть Tфс) похибка за швидкістю при лінійній зміні сигналу завдання * розраховується у вигляді:



На імітаційній моделі розраховані ЕМП для позиційного (показані на рис. 11 при відпрацьовуванні великих переміщень) і слідкуючого (з настроюванням контуру положення на СО) ЧРАЕП зі СДБПЧ.

Рис. 12. - Електромеханічні процеси при слідкуючому регулюванні для: лінійного та гармонійного завдання:

Останні показані на рис. 12 при відпрацьовуванні лінійно (а) і гармонічно із частотою 10 Гц (б) змінного сигналу завдання положення. Для слідкуючого ЧРАЕП зі СДБПЧ при настроюванні контуру положення на МО отримані співвідношення для обчислення сталих значень складових похибок при відпрацьовуванні положення: за керуванням:



Та за збуренням:

Де:

Tп й Tфп - відповідно еквівалентна мала стала часу контуру регулювання положення й постійна часу фільтра у зворотному зв'язку за положенням.

Для слідкуючого ЧРАЕП зі СДБПЧ при настроюванні на СО відповідні похибки за керуванням (при лінійному завданні) й за збуренням дорівнюють нулю. У п'ятому розділі досліджені для ЧРАЕП зі СДБПЧ наступні аспекти електромагнітної сумісності з мережею живлення: коефіцієнт потужності мережі й гармонійний склад фазних струмів мережі.

А також - запропоноване й досліджене керування зазначеним електроприводом при провалах напруги мережі.

Рис. 13. - Схема фільтра мережі:

За результатами проведених досліджень визначена для ЧРАЕП зі СДБПЧ ефективна схема пасивного фільтра мережі, яка показана на рис. 13 й містить у своєму складі трифазні: LC-фільтр, резонансні фільтри L5C5 й L7C7 (відповідно для 5-ої й 7-ої гармонік), коригувальну індуктивність L1. Розроблено методику розрахунку параметрів для зазначеного фільтра (у тому числі додаткових резисторів R5 й R7, установлюваних у резонансних фільтрах для виключення високочастотних коливань струмів мережі). На імітаційній моделі й експериментальному зразку ЧРАЕП зі СДБПЧ проведені дослідження запропонованої схеми фільтра.

Як показали ці дослідження, у робочому діапазоні швидкостей і навантажень двигуна 4А132S6У3 коефіцієнт потужності мережі складає не менш 0,95, а загальний коефіцієнт гармонік струму мережі не перевищує 25%. Установлено, що якщо зі схеми фільтра на рис. 13 виключити коригувальну індуктивність L1, то ЧРАЕП зі СДБПЧ при використанні розглянутого фільтра стає компенсатором реактивної потужності для сусідніх електроспоживачів з індуктивним характером навантаження (забезпечуючи компенсацію 1,2-1,4 кВАр на 1 кВт стосовно установленої потужності приводного двигуна).

Рис. 14. - Алгоритм керування при АПВ:

Розроблено ефективне керування ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалах нап-руги мережі (що ілюструється блок-схемою на рис. 14), для якого досліджені ЕМП, що відбуваються при провалі напруги мережі у зазначеному ЕП.

Вони показані при тривалості провалу, рівному 0,9 с., на рис. 15, де UфА, ІфА й Ud - фазні напруга й струм мережі, вихідна напруга АВ відповідно.



Рис. 15. - Електромеханічні процеси при провалі напруги живлення:

Встановлено, що розроблене керування дозволяє в цьому режимі виключити виникнення перенапруг і надструмів через силові ключі СДБПЧ (цим запобігти їх виходам з ладу), а також забезпечити автоматичне повторне включення (АПВ) зазначеного ЕП при відновленні напруги мережі. Установлено, що при довжині провалів напруги мережі більше 0,9 с. вихід після АПВ на заданий режим роботи для ЧРАЕП зі СДБПЧ відбувається швидше (внаслідок більш швидкого заряду конденсаторів фільтра мережі), ніж для ЧРАЕП з АІН-ШІМ (що містить збільшеної ємності конденсатор у колі постійного струму).



ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз відомих векторних систем автоматичного керування ЧРАЕП із ШІМ, а також відомих способів і технічних пристроїв для поліпшення електромагнітної сумісності таких електроприводів із промисловою трифазною мережею живлення виявив неможливість їхнього застосування в існуючому виді для ЧРАЕП зі СДБПЧ;

2. Розроблені математичний опис й імітаційна модель ЧРАЕП зі СДБПЧ враховують дискретний характер зміни й несинусоїдальну форму вихідних напруг і струмів перетворювача частоти й дозволяють розрахувати електромеханічні процеси в розглянутому електроприводі з відносними похибками (у порівнянні з експериментом), які не перевищують: 5% - для статорних напруг і струмів, 1% - для швидкості двигуна;

3. Отримані аналітичні розрахункові залежності для приросту узагальненого вектора статорного струму АД й мінімально можливого часу відпрацьовування цього струму при живленні від СДБПЧ дозволяють реалізувати й кількісно оцінити запропоноване оптимальне за швидкодією регулювання статорного струму двигуна для зазначеного типу перетворювача;

4. За рахунок оптимального за швидкодією регулювання статорного струму двигуна в динамічних режимах і завдання в сталих режимах мінімально можливої частоти перемикання силових ключів інвертора при незмінному значенні амплітуди модуляційної складової статорного струму забезпечуються граничні динамічні властивості ЧРАЕП з СДБПЧ й одночасно зменшуються комутаційні втрати потужності в ПЧ і АД;

5. Засновані на принципі підпорядкованого регулювання й запропонованому оптимальному за швидкодією прогнозуючому релейно-векторному регулюванні статорного струму двигуна структури САК швидкістю й положенням ЧРАЕП зі СДБПЧ забезпечують нормовані електромеханічні процеси при одно- або двозонному регулюванні швидкості з діапазоном регулювання не менш 1:100 вниз від номінальної й смугою пропускання за швидкістю не менше 200 Гц, вони також дозволяють створити на основі ЧРАЕП зі СДБПЧ позиційний й слідкуючі електроприводи, які не гірше за швидкодією й точністю, ніж існуючі швидкодіючі ЕП постійного струму або змінного струму з АІН-ШІМ;

6. Вибір ефективної схеми пасивного фільтра й розрахунок за допомогою розробленої методики його параметрів дозволяють забезпечити ємнісний характер споживаного струму з мережі розглянутим ЕП з питомим показником компенсації 1,2-1,4 кВАр на 1 кВт встановленої потужності приводного двигуна. Шляхом доповнення схеми фільтра коригувальною індуктивністю може забезпечуватися підтримка незмінно високим (рівним 0,95-0,99 при індуктивному характері струму мережі) значення коефіцієнта потужності мережі ЧРАЕП зі СДБПЧ у робочому діапазоні зміни швидкості й навантаження привода;

7. Розроблений спосіб керування для ЧРАЕП зі СДБПЧ при провалах напруги мережі виключає аварійні ситуації, які можуть спричинити виходи з ладу силових ключів перетворювача частоти в цих режимах, а також забезпечує наступне автоматичне повторне включення електропривода при швидкодіючому його виході на заданий режим роботи;

8. Достовірність наукових результатів підтверджена проведеними експериментальними дослідженнями на макетному зразку ЧРАЕП зі СДБПЧ потужністю 5,5 кВт. При цьому відносне відхилення між розрахунковими й експериментальними даними не перевищує: 5-8% - для статорних струмів і напруг, 1-2% - для швидкості двигуна (менші значення відхилень відповідають статичним, а більші - динамічним режимам);

9. У порівнянні з існуючими асинхронними ЕП з АІН-ШІМ розроблений ЧРАЕП зі СДБПЧ, маючи приблизно однакові масогабаритні й вартісні показники, характеризується граничним за швидкодією регулюванням статорного струму з мінімізацією частоти перемикання силових ключів інвертора в сталих режимах й ємнісним характером струму мережі. Область застосування ЧРАЕП зі СДБПЧ, що рекомендується, - загальпромислові електроприводи широкого призначення, що працюють у мережах електропостачання з індуктивним характером загального навантаження, де за рахунок компенсуючих властивостей розроблений електропривод знижує втрати в мережах електропостачання й зменшує кошти (приблизно на 350 грн. у рік на 1 кВт встановленої потужності двигуна) за споживані з мережі активну й реактивну електроенергію;

10. Результати дисертаційної роботи впроваджені у ВАТ НДІ «Перетворювач» (м. Запоріжжя) при розробці конструкторської документації на дослідний зразок ЧРАЕП зі СДБПЧ (напругою 0,4 кВ, потужністю 5,5 кВт) і можуть бути використані науково-дослідними й проектними організаціями, що займаються розробкою нових видів ЧРАЕП;

11. Виконаний комплекс теоретичних й експериментальних досліджень дозволив розвити теорію й практику частотно-регульованого асинхронного електропривода шляхом його створення на основі спрощеного дволанкового безпосереднього перетворювача частоти.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Антонов Н.Л. Прогнозирующее релейно-векторное регулирование статорного тока в асинхронном электроприводе с упрощенным двухзвенным непосредственным преобразователем частоты / Н.Л. Антонов // Електротехніка та електроенергетика. - 2008. - №1. - С. 37-48.

2. Антонов Н.Л. Улучшение коэффициента мощности асинхронного электропривода с упрощенным ДНПЧ-ШИМ / Н.Л. Антонов // Електротехніка та електроенергетика. - 2007. - №1. - С. 43-52.

3. Волков А.В. Анализ электромагнитных процессов в асинхронной машине, питаемой от двухзвенного непосредственного преобразователя частоты / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Електротехніка та електроенергетика. - 2005. - №2. - С. 54-59. автоматичний електромеханічний двигун

4. Волков А.В. Асинхронный электропривод с двухзвенным непосредственным преобразователем частоты / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Электроприводы переменного тока: Труды международной тринадцатой научно-технической конференции. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ. - 2005. - С. 129-132.

5. Волков А.В. Быстродействующее векторное регулирование статорного тока в асинхронных электроприводах с двухзвенным непосредственным преобразователем частоты / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2004. - Вип. 62. - С. 21-24.

6. Волков А.В. Высокодинамичный асинхронный электропривод с двухзвенным непосредственным преобразователем частоты / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Техн. електродинаміка: Тем. випуск. Проблеми сучасної електротехніки. - Київ. - 2006. - Ч. 4. - С 65-70.

7. Волков А.В. Динамика электропривода с двухзвенным непосредственным преобразователем частоты при провале сетевого напряжения / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - 2007. - Вип. 3(44), Ч. 2. - С. 27-29.

8. Волков А.В. Расчет параметров сетевого фильтра двухзвенного непосредственного преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2006. - Вип. 66. - С. 269-270.

9. Волков А.В. Регулирование положения в асинхронных электроприводах с релейным частотно-токовым управлением / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Электротехника. - 2006. - №11. - С. 23-35.

10. Волков А.В. Следящий асинхронный электропривод с двухзвенным непосредственным преобразователем частоты / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2005. - Вип. 3 (32). - С. 42-45.

11. Волков А.В. Управление асинхронными электроприводами с активным выпрямителем при провале сетевого напряжения / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - 2008. - Вип. 3 (50). - Ч. 2. - С. 18-23.

12. Волков А.В. Усовершенствованное оптимальное по быстродействию векторное регулирование статорного тока асинхронного двигателя, питаемого от автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Електротехніка та електроенергетика. - 2009. - №1. - С. 16-27.

13. Волков А.В. Усовершенствованное релейное векторное регулирование статорного тока в асинхронном электроприводе с ДНПЧ-ШИМ / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія та практика. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2007. - С. 344-345.

14. Волков А.В. Цифровая модель непосредственного преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией, нагруженного на асинхронный двигатель / А.В. Волков, Н.Л. Антонов // Електротехника та електроенергетика. - 2003. - №2. - С. 67-71.

15. Пат. 44892 Україна, МПК (2006) H02P7/00, H02P21/00. Спосіб векторного регулювання струму на стороні змінного струму трифазного чотириквадрантного перетворювача / Волков О.В., Волков В.О., Антонов М.Л., заявник та патентовласник Запорізький національний технічний університет. - u200900025, заявл. 05.01.2009, опубл. 26.10.2009, Бюл. №20. - 19 с.

Размещено на Allbest.ru

...