Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти

Волков Олександр Васильович

Дніпропетровськ - 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі систем електропостачання Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) та у відкритому акціонерному товаристві "Український науково-дослідний інститут силової електроніки "Перетворювач" Міністерства промислової політики України (м. Запоріжжя).

Науковий консультант - академік НАН України, доктор технічних наук, професор Півняк Геннадій Григорович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Чермалих Валентин Михайлович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри автоматизації керування електротехнічних комплексів.

доктор технічних наук, професор Чехет Едуард Михайлович Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, завідувач відділу перетворення та стабілізації електромагнітних процесів.

доктор технічних наук, доцент, Радимов Сергій Михайлович Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри електромеханічних систем з комп"юиерним керуванням.

Провідна установа - Запорізький державний технічний університет Міністерства освіти України, кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок і технологічних комплексів (м. Запоріжжя).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 В.Т. Заїка

Анотація

електропривод інвертор асинхронний

Волков О.В. Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1999.

Дисертація присвячена дослідженню і розрахунку електромеханічних процесів асинхронних частотно-регульованих (ч-р) електроприводів і керуванню ціма електроприводами. Наведено якісний та кількісний аналіз електромеханічних процесів у стаціонарних пускових і робочих режимах асинхронного двигуна під час живлення від різних типів інверторних перетворювачів частоти (ПЧ) з урахуванням несинусоїдальності форми їх вихідних напруг (струмів) та насичення головного магнітного ланцюга двигуна. Розроблені способи керування і структури регулювання асинхронних електроприводів з інверторними ПЧ, що не потребують датчиків усередині і на валу двигуна і забезпечують ефективні режими функціонування та нормовані електромеханічні процеси привода. Основні результати роботи підтверджені експериментально і були застосовані при створенні серійних та дослідно-промислових зразків асинхронних ч-р електроприводів.

Ключові слова: Асинхронний двигун, частотне регулювання, електромеханічні процеси, автоматична система.

Аннотация

Волков А.В. Электромеханические процессы и регулирование асинхронных электроприводов с инверторными преобразователями частоты. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.

Диссертация посвящена исследованию и расчету электро-механических процессов асинхронных частотно-регулируемых (ч-р) электроприводов и управлению этими электроприводами.

Получены функциональные зависимости, осуществлена оптимизация, приведен качественный и количественный анализ электромагнитных процессов для стационарных пусковых и рабочих режимов асинхронного двигателя (АД) при питании от различных типов инверторных преобразователей частоты (ПЧ): автономного инвертора тока (АИТ), автономных инверторов напряжения с амплитудным (АИН), широтно-импульсным (АИН-ШИР) регулированием и широтно-импульсной модуляции (АИН-ШИМ) по синусоидальному закону выходного напряжения, - которые учитывают несинусоидальность формы выходных напряжений (токов) ПЧ и насыщение главной магнитной цепи двигателя.

Разработаны методики расчета экстремального значения электромагнитного момента и соответствующей оптимальной частоты (скольжения), максимальных (пиковых) значений статорного тока и электромагнитного момента, размаха пульсаций электромагнитного момента и скорости АД, вызванных воздействием несинусоидальности формы выходных напряжений (токов) указанных типов инверторных ПЧ. Созданы цифровые модели и универсальный алгоритм для расчета электромеханических процессов асинхронного электропривода в стационарных и динамических режимах при питании от различных типов инверторных ПЧ или от источников питания произвольной несинусоидальной формы.

Предложены эффективные способы (квазивекторного и экономичного) управления асинхронными ч-р электроприводами, позволяющие формировать нормированное качество электромеханических процессов привода, режим функционирования с минимальными электромагнитными потерями в АД и технически упростить автоматические системы частотного регулирования (АСЧР). На основе векторного и предложенных способов управления созданы структуры АСЧР электроприводов с АИТ, АИН и АИН-ШИР (ШИМ), не содержащие датчиков внутри и на валу двигателя. Рассмотрены специальные вопросы регулирования: времяимпульсной модуляции и частотнодинамического торможения в электроприводах с АИН, амплитудного регулирования нединамичных электроприводов с АИН-ШИР и управления электроприводами с инверторными ПЧ в условиях воздействия просадок и провалов напряжения питающей сети.

Основные результаты работы подтверждены экспериментально и нашли применение при создании серийных и опытно-промыш-ленных образцов асинхронных ч-р электроприводов.

Ключевые слова: Асинхронный двигатель, частотное регулирование, электромеханические процессы, автоматическая система.

The summary

Volkov A.V. Electromechanical processes and regulation of asynchronous electric drives with inverter frequency converters. - Manuscript.

Thesis for the doctor's degree by speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - The National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999.

The dissertation is devoted to research and calculation of electromechanical processes in the asynchronous adjustable - frequency (a-f) electric drives and to control by these drives too. There is presented qualitative and quantitative analysis of electromechnical processes in stationary starting and working asynchronous motor's regimes by power supply from different types of the inverter frequency converters (FC) taking into account their nonsinusoidal output signals and saturation of the main magnetic motor circuit. The control methods and automatic frequency regulation systems circuits of the asynchronous drives with inverter FC are elaborated. They guarantee qualitative standard electromechanical processes of the drive and don't use any sensors inside and on shaft of the motor. The main results of the work are confirmed experimentally and have found an industrial unitity in the design of the asynchronous a-f electric drives.

Key words: Аsynchronous motor, frequency regulation, electromechanical processes, automatic regulation system.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Основною тенденцією розвитку авто-матизованого електропривода в промислово розвинених країнах світу і в Україні за останнє двадцятиріччя є незмінно високий темп приросту частотнорегульованих (ч-р) електроприводів змінного струму. Найбільш високі темпи виробництва і промислового впровадження зазначеного виду електропривода відбуваються за рахунок його головного напрямку створення - асинхронного ч-р електропривода широкого загальнопромислового призначення, що виконаний на основі інверторних перетворювачів частоти і не містить датчиків усередині та на валу асинхронного короткозамкненого двигуна (АД). Поясненням цього слугують високі техніко-економічні показники (підвищена перевантажувальна здатність за моментом, зменшені маса, габарити, вартість) та експлуатаційні властивості АД (більша надійність і знижені експлуатаційні витрати в обслуговуванні, пов'язані з відсут-ністю рухомого електричного контакту) у порівнянні з двигунами постійного струму, а також високі енергетичні показники інверторних перетворювачів частоти (ПЧ). У зв'язку з цим значний науковий і практичний інтерес становлять аналіз режимів функціонування та ефективне керування асинхронними ч-р електроприводами, які спрямовані на зростання загального технічного рівня (поліпшення енергетичних, надійнісних, масо-габаритних, вартісних показників) і якості регулювання електромеханічних процесів електроприводів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані з участю автора у виконанні наступних державних та галузевих науково-технічних програм, спрямованих на створення і впровадження в народне господарство країни високоефективних ч-р електроприводів змінного струму потужністю від 10 до 6300 кВт:

- О.Ц.023 (затв. ДКНТ СРСР від 29.12.81);

- О.Ц.001 (затв. ДКНТ СРСР від 19.12.80);

- 5.51.02 (затв. ДКНТ України від 04.05.92);

- "Електротехніка" (затв. Мінмашпромом України від 03.08.92);

- міжвузівська програма "Оптимум" та ін.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - аналіз електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під дією несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів різних типів, формування їх ефективних режимів керування і створення на цій основі електроприводів з високими техніко-економічними показниками та експлуатаційними властивостями.

Виходячи з поставленої мети визначені завдання дослідження:

- розвиток теорії електромеханічних процесів ч-р АД, що полягає в аналізі, оптимізації і визначенні оптимальних параметрів режимів під час живлення від автономних інверторів різного типу: автономного інвертора струму (АІС), автономних інверторів напруги з амплітудним (АІН) та широтно-імпульсним (АІН-ШІР) регулюванням, з широтно-імпульсною модуляцією за синусоїдальним законом (АІН-ШІМ) вихідної напруги, - з урахуванням впливу несинусої-дальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів та насичення головного магнітного ланцюга двигуна;

- формування ефективних режимів керування асинхронними електроприводами з різними інверторними ПЧ без застосування датчиків усередині та на валу двигуна і розробка теоретичних аспектів їх реалізації на основі нових способів керування та автоматичних структур регулювання;

- розробка методик, алгоритмів і моделей для обчислення стаціонарних та нестаціонарних (динамічних) режимів роботи асинхронних електроприводів з різними інверторними ПЧ, що враховують вплив несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів, насичення головного магнітного ланцюга двигуна і дію автоматичних систем частотного регулювання (АСЧР) приводів;

- виконання експериментальних досліджень, що дають змогу обгрунтувати правильність вихідних припущень та достовірність отриманих наукових положень і результатів, ефективність запропонованих технічних рішень; практичне використання та промислове впровадження результатів досліджень.

Особистий внесок автора. У дисертаційній роботі виконане наукове узагальнення в області режимів функціонування та керування асинхронних електроприводів з різними типами інверторних ПЧ, що полягає в аналізі електромеханічних процесів пускових і робочих режимів електроприводів з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів та насичення головного магнітного ланцюга АД, одержанні раніше невідомих залежностей, характеризуючих ці процеси, розробці ефективних способів керування і структур регулювання електроприводів без використання в них датчиків усередині та на валу двигуна. Це дозволило створити асинхронні ч-р електроприводи широкого загальнопромислового призначення з якісно новими характеристиками.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Положення. 1. Квазівекторне керування є близьке до векторного керування електромеханічними процесами ч-р асинхронного двигуна за допомогою впливу тільки на частоту та амплітуду основних гармонічних складових статорних напруг (струмів) двигуна. Квазівекторне керування може бути отримано шляхом регулювання амплітуди потокозчеплення (або намагнічуючої складової статорного струму) і середнього значення електромагнітного моменту (або активної складової статорного струму) двигуна впливом на канали керування частотою та напругою інверторних перетворювачів частоти, що не потребує безпосереднього керування фазовими кутами вихідних напруг (струмів) автономних інверторів і дозволяє формувати нормовані електромеханічні процеси асинхронного привода.

2. Регулювання частоти автономних інверторів струму та напруги прямо пропорціональне ЕРС двигуна і обернено пропорціональне струму статору (або в ланці постійного струму перетворювача) створює режим з мінімальними електромагнітними втратами в двигуні, що забезпечує економічне функціонування й спрощує реалізацію систем регулювання нединамічних асинхронних електроприводів.

Наукові результати.

1. Здійснено подальший розвиток теорії електромагнітних процесів ч-р АД відносно аналізу стаціонарних пускових і робочих режимів з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) різних типів інверторних ПЧ (АІС, АІН, АІН-ШІР і АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) і одержання раніше невідомих залежностей для статорного струму, потокозчеплення ротора, оптимальної пускової частоти, поточного, максимального, середнього та екстремального значень й розмаху пульсацій електромагнітного моменту двигуна, що дало можливість якісно і кількісно схарактеризувати ці режими.

2. Встановлено, що в пускових режимах несинусоїдальність форми вихідних напруг (струмів) АІС, АІН та АІН-ШІР зумовлює зміну (модуляцію) амплітуди результуючого вектора головного потокозчеплення АД, яке під впливом дії насичення магнітного ланцюга двигуна призводить до додаткового зниження (для загальнопромислових АД на 15-25 %) екстремального значення електромагнітного моменту, що розвивається, у порівнянні з моментом, створюваним у робочих режимах АД за тих же значень основних гармонічних складових вихідних струмів інверторів, що необхідно враховувати під час вибору струмообмежувача в пускових режимах привода.

3. Уперше для стаціонарних пускових і робочих режимів отримані залежності та здійснені порівняння екстремальних значень середнього моменту, що розвивається, і оптимальних значень пускової частоти (ковзання), максимальних значень статорного струму, максимальних (пікових) значень та розмаху пульсацій електромагнітного моменту АД під час живлення від АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом, що враховують одночасний вплив несинусоїдальної форми вихідних напруг (струмів) інверторів та насичення головного магнітного ланцюга двигуна, завдяки яким можна оцінити механічні впливи на двигун і передавальний пристрій привода, зробити правильний вибір струмообмеження електропривода та струмової комутаційної здатності автономного інвертора.

4. За отриманими залежностями розроблені з урахуванням насичення головного магнітного ланцюга двигуна інженерні методики розрахунку в стаціонарних пускових і робочих режимах екстремального значення середнього електромагнітного моменту та оптимальної пускової частоти (ковзання), (пікових) максимальних значень електромагнітного моменту та статорного струму, розмаху пульсацій зазначеного моменту і швидкості двигуна, викликаних несинусоїдальністю форми вихідних напруг (струмів) АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом, а також створені універ-сальний алгоритм і модель на його основі, у результаті чого можна робити розрахунки електромеханічних процесів АД у стаціонарних та динамічних режимах при довільній формі несинусоїдальних струмів.

5. Створені на основі векторного, квазівекторного та амплітудного керування нові структурні схеми АСЧР асинхронних електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР(ШІМ), які різняться відсутністю датчиків усередині й на валу двигуна і забезпечують двозонне або економічне регулювання швидкості, рекуперативний або частотнодинамічний (для АІН) спосіб гальмування електропривода, ефективне обмеження максимальних значень статорного струму для електроприводів з АІН-ШІР(ШІМ), що дає можливість одержати статичні та динамічні режими електроприводів, які задовольняють вимогам більшості загальнопромислових механізмів.

6. Показано, що завдяки наявності векторного та квазівекторного керування з використанням непрямих способів регулювання і визначення параметрів режиму електропривода через електричні параметри перетворювача та двигуна, а також за допомогою частотнострумового керування під час пуску і динамічного гальмування постійним струмом під час зупинки електропривода формуються нормовані електромеханічні процеси (близькі до процесів в електроприводах постійного струму з підпорядкованим регулюванням) асинхронних електроприводів з різними типами інверторних ПЧ без застосування датчиків усередині та на валу двигуна. Це поліпшує якість технологічних режимів робочих механізмів, зменшує встановлену потужність ПЧ і розширює сферу застосування асинхронних електроприводів.

7. Розроблені ефективні алгоритми часово-імпульсної модуляції напруги трифазного АІН, що забезпечують оптимізацію гармонічного складу статорного струму АД за допомогою формування в періоді вихідної напруги додаткових перемикань силових ключів інвертора, визначені пульсації електромагнітного моменту та швидкості для даного режиму. У підсумку - розширена нижня межа робочих швидкостей приводу.

8. Вперше запропоновані способи керування асинхронними ч-р електроприводами під час живлення від нестабільної живильної мережі, що при просадці напруги живильної мережі полягають у зменшенні потокозчеплення двигуна, а при провалі напруги - у зниженні статорного струму двигуна до значення струму холостого ходу. При просадках напруги живильної мережі це дозволяє стабілізувати верх-ні значення швидкості в електроприводах з векторним та квазі-векторним керуванням, а при провалах напруги - забезпечити безаварійну роботу інверторного ПЧ зі штучною комутацією без збільшення потужності його контура комутації і вихід на встановлений режим роботи привода після відновлення напруги живильної мережі.

Практичне значення отриманих результатів. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи використані у ВАТ НДІ "Перетворювач" при розробці серійних виробів та дослідно-промислових зразків асинхронних ч-р електроприводів з інверторними ПЧ частоти потужністю від 10 до 6300 кВт у вигляді:

- методик розрахунку електромеханічних процесів у стаціо-нарних пускових і робочих режимах електроприводів з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інверторів та насичення головного магнітного ланцюга двигуна;

- цифрових моделей для розрахунку електромеханічних проце-сів у динамічних режимах електроприводів з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інверторів, насичення головного магнітного ланцюга двигуна і впливу АСЧР електропривода;

- способів і структур регулювання для керування електромеханічними процесами електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР, що не містять датчиків усередині й на валу двигуна;

- рекомендацій відносно вибору параметрів та типів інверторних ПЧ (АІС, АІН або АІН-ШІР) і автоматичних систем частотного регулювання (з векторним, квазівекторним чи амплітудним керуванням) для проектування конкретних асинхронних ч-р електроприводів.

Наукові положення та результати роботи знайшли застосування у промисловості, зокрема, впроваджені в комплектних асинхронних ч-р електроприводах широкого загальнопромислового призначення: ЕКТ - потужністю від 100 до 400 кВт; ЕКТ2, ЕКТ3 і ТТП(Е)1 - потужністю від 10 до 200 кВт, що серійно випускаються з 1980 року ВАТ "Запорізький електроапаратний завод". Загальний обсяг випуску зазначених електроприводів перевищує 20 тис. шт. Економічний ефект в народному господарстві СРСР, забезпечений особистим внеском дисертанта, на 01 січня 1992 року склав понад 1 млн. радянських рублів і пов'язаний з поліпшенням технічних (маса, габарити, якість регулювання електромеханічних процесів) та експлуатаційних (економія електроенергії, надійність) характеристик електроприводів, зменшенням їх собівартості під час виготовлення.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на IV Всесоюзній конференції "Проблеми перетворювальної техніки" (м. Київ, 1987), на VII Всесоюзній конференції "Силова напівпровідникова техніка та її застосування в народному господарстві" (м. Запоріжжя, 1985), на Всесоюзній конференції "Стан та перспективи розвитку електротехнології" (м. Іваново, 1987), на VII, VIII і IX конференціях "Електроприводи змінного струму з напівпровідниковими перетворювачами" (м. Катеринбург,1986, 1989, 1992), на конференції "Статичні перетворювачі частоти з поліпшени-ми техніко-економічними показниками" (м. Запоріжжя, 1984).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи досить повно відображені у 50 наукових працях (18 статей - у провідних спеціальних виданнях, 10 статей - у збірниках конференцій, 20 авторських свідоцтв на винаходи і 1 патент), з яких 8 статей, 4 свідоцтва та патент - без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел (225 назв), додатки (окремою книжкою з додатковими відомостями до основного тексту у вигляді таблиць і рисунків, прикладів обчислення пускових та робочих режимів ч-р АД, опису випробних стендів і акт впровадження результатів дисертаційної роботи).

Дисертація налічує 291 сторінку основного машинописного тексту та 84 рисунки. Додатки складаються з 79 сторінок, у тому числі 54 сторінок машинописного тексту, 4 рисунків і 9 таблиць.

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і завдання дослідження, наведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також подані відомості про практичне значення і впровадження кінцевих підсумків роботи.

У першому розділі на підставі аналізу вітчизняної і зарубіжної науково-технічної та патентної літератури досліджено стан і тенденції розвитку асинхронного ч-р електроприводу, теорії частотного керування та практики створення автоматичних систем частотного регулювання таких електроприводів. Показано, що у 80-90-х роках у науковому і практичному плані створення асинхронних ч-р електроприводів залишалися невирішеними й вимагали свого негайного розв'язання такі два важливих наукових завдання: дослідження і розробка методик обчислення електромеханічних процесів зазначених електроприводів з урахуванням впливу несинусоїдальної форми вихідних напруг (струмів) інверторних перетворювачів частоти і впливу насичення магнітного ланцюга двигуна; створення способів керування та структур регулювання, що забезпечують ефективні режими функціонування і нормовану якість електромеханічних процесів електроприводів без застосування датчиків усередині й на валу двигуна. Невирішеність названих наукових завдань значною мірою стримувала практичне створення в автоматизованому електроприводі високоефективних асинхронних ч-р електроприводів широкого загальнопромислового призначення - основної частки потреби провідних галузей промисловості. Саме із спрямованості на розв'язання даних наукових питань були визначені напрямки наукових досліджень. Основні припущення при дослідженні електромеханічних процесів: ідеалізоване подання асинхронної машини та врахування насичуваності її головного магнітного ланцюга тільки зміною параметра індуктивності намагнічування (визначається за універсальними кривими намагнічування двигунів загальнопромислових серій, апроксимованих арктангенціальними залежностями, ідеалізоване подання трифазних автономних інверторів - у вигляді векторних значень їх комутаційних функцій і керованого випрямляча - у вигляді інерційної ланки. Визначені основні підходи до дослідження електромеханічних процесів, що полягають у застосуванні багаторівневих математичних моделей електропривода (для аналізу стаціонарних пускових і робочих, динамічних режимів), конкретизації сфери дослідження процесами в електроприводах середньої та великої потужностей (понад 100 кВт) і виконанні експериментальних досліджень на серійних і дослідно-промислових зразках електроприводів. Форма запису диференціальних рівнянь електропривода - через змінні величини: узагальнені вектори статорної напруги , статорного струму , потокозчеплення ротора , електромагнітний момент та швидкість двигуна - у нерухомій системі координатів, пов'язаної зі статором АД, і при використанні загальновживаної для електричних машин змінного струму системи відносних одиниць (в.о.).

Основні підходи до регулювання асинхронних ч-р електроприводів широкого загальнопромислового призначення зводяться до забезпечення нормованої якості створюваних електромеханічних процесів електропривода (наближеного до стандартних процесів у системах підпорядкованого регулювання) без застосування датчиків усередині та на валу двигуна, використанні векторного або квазівек-торного принципу частотного керування, непрямих способів регулювання і вимірювання параметрів режиму електропривода, здійс-ненні оптимальних законів частотного керування АД, у технічному спрощенні та уніфікації АСЧР з різними типами інверторних ПЧ.

Внаслідок наукового узагальнення виявлено і визначено за своєю суттю новий принцип побудови автоматичних систем частотного регулювання, названий "квазівекторним", за яким під час регулювання параметрів режиму АД впливають лише на частоту та амплітуду основних гармонік статорних напруг (струмів) двигуна, досягаючи при цьому формування нормованої якості електромеханічних процесів асинхронного привода, близької до векторного керування.

Застосовані методи визначені та обгрунтовані під час дослідження електромеханічних процесів (операторного зображення, узагальнених векторів, комутаційних функцій, кусково-припасувального методу і аналітичного методу завдання кривої намагнічування двигуна, числового методу розв'язання нелінійних диференціальних рівнянь, методів математичного моделювання та експериментального дослідження), а також під час створення структур АСЧР електроприводів: регулювання в ортогональних проекціях узагальнених векторів, обертових (коливних) координатів і змішаного регулювання векторів стану, неперервної апроксимації комутаційних функцій інвертора та підпорядкованого регулювання параметрів режиму електропривода.

У другому розділі викладені теорія, методи обчислення і результати дослідження стаціонарних пускових (зі швидкістю, рівною нулю) режимів АД під час живлення від інверторних ПЧ (АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) з урахуванням несинусоїдальної форми вихідних напруг (струмів) зазначених ПЧ. Аналіз та дослідження пускових режимів проведені в два етапи: без урахування і з урахуванням нелінійності кривої намагнічування АД.

Електромагнітні процеси у стаціонарному пусковому режимі АД під час живлення від АІС описуються на інтервалі часу між сусідніми комутаціями в інверторі (далі - міжкомутаційний інтервал) рівнянням:

(1)

де , - узагальнені вектори статорного струму та потокозчеплення ротора АД відповідно ( = сonst - під час живлення від АІС);

, , k - активний опір, електромагнітна постійна часу і коефіцієнт зв'язку ротора відповідно;

- поточний час, що відраховується від початку зазначеного міжкомутаційного інтервалу.

Записавши рівняння (1) в операторному вигляді, розв'язавши його і перейшовши до часового оригіналу, отримали

. (2)

Побудовано годограф руху вектора протягом періоду ви-хідної частоти інвертора, що є правильним шестикутником, і визначено діапазон зміни модуля вектора:

, (3)

де , - початкове значення (у момент комутації в інверторі при =0) узагальненого вектора потокозчеплення ротора та його модуль відповідно.

Визначені початкове та поточне (на міжкомутаційному інтервалі) значення узагальненого вектора потокозчеплення ротора:

. (4)

Із рівняння для електромагнітного моменту АД

(5)

і з урахуванням останньої формули з (4) отримані вирази для обчислення поточного, максимального та середнього значень, розмаху пульсацій електромагнітного моменту двигуна в стаціонарному пусковому режимі під час живлення від АІС відповідно:

. (6)

З третьої формули (6) знайдені екстремальне (найбільше) значення середнього пускового моменту та відповідна оптимальна пускова частота АД під час живлення від АІС:

. (7)

Електромагнітні процеси в пусковому режимі АД під час живлення від АІН з амплітудним способом регулювання вихідної напруги описуються на міжкомутаційному інтервалі рівнянням (1) та

 (8)

де - узагальнений вектор статорної напруги ( = сonst - під час живлення від АІН); , , - активний опір статора, індуктив-ності розсіяння статора і ротора двигуна відповідно.

Розв'язування даної системи дає складні вирази у вигляді векторних сум експоненціальних складових, які утруднюють їх використання при інженерних обчисленнях. Апроксимуючи для АД середньої і великої потужностей (тут справедливе співвідношення ) ці вирази, з урахуванням формули (5) отримуємо простіші співвідношення:

, (9)

де (10)

еквівалентна електромагнітна постійна часу роторного ланцюга, електромагнітна постійна часу розсіяння та сумарна індуктивність розсіяння двигуна відповідно.

Визначені екстремальне значення середнього пускового елекромагнітного моменту АД та відповідне йому значення оптимальної пускової частоти під час живлення від АІН:

, (11)

де - модуль вектора статорної напруги .

Електромагнітні процеси у стаціонарному пусковому режимі АД під час живлення від АІН-ШІР описуються на міжфазово-комутаційному інтервалі часу П рівнянням (1) та системою

, (12)

де - модуляційна функція інвертора (з рівномірною широтною модуляцією при = сonst);

- тривалість провідного підінтервалу інвертора;

- операція виділення найбільшого цілого числа.

Розв'язок системи із рівнянь (1), (5) і (12) для векторів статорного струму та потокозчеплення ротора , електромагнітного моменту АД містить дві складові: затухаючу і періодичну (модуляційну). Відповідні затухаючі складові параметрів пускового режиму, що розглядаються, обчислюються при цьому з першого, другого та третього рівнянь виразу (9) для АІН. Створювані середні значення електромагнітного моменту АД під час живлення від АІН-ШІР описуються формулами з (9) і (11) за умови, що в них беруть участь тривалість міжфазовокомутаційного інтервалу інвертора П (замість) та еквівалентні значення вектора статорної напруги і його модуля відповідно:

, (13)

де - коефіцієнт провідного стану інвертора;

- число інтервалів модуляції в 1/6 частині періоду вихідної напруги інвертора.

Визначені залежність розмаху пульсацій періодичної складової амплітуди статорного струму АД під час живлення від АІН-ШІР:

, (14)

а також співвідношення для обчислення максимальних значень статорного струму та електромагнітного моменту, розмаху пульсацій моменту, що описуються ідентичними формулами для робочого режиму з (24).

Побудовані годографи руху узагальнених векторів і у стаціонарному режимі АД під час живлення від АІН та АІН-ШІР.

Розглянуто стаціонарний пусковий режим АД під час живлення від АІН-ШІМ за синусоїдальним законом і отримані для нього залеж-ності для визначення параметрів цього режиму: , , , , , , , , де , - максимальні (пікові) значення амплітуди статорного струму та електромагнітного моменту двигуна відповідно.

Зроблена кількісна оцінка впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інверторних ПЧ (АІС, АІН та АІН-ШІР) на середній пусковий момент АД, яка характеризується (на лінійній ділянці кривої намагнічування) зниженням екстремального значення середнього пускового моменту: на 10,9 % - у порівнянні з пусковим моментом, створюваним синусоїдальними струмами (напругами) тієї ж амплітуди, або на 1,2 % - у порівнянні із значенням пускового мо-менту, створюваного основними гармонічними складовими вихід-них струмів (напруг) автономних інверторів.

Проведено порівняння екстремальних значень середніх пускових моментів АД, створюваних з умови оптимізації пускових режимів за мінімумом статорного струму або напруги (для значень оптимальних пускових частот, відповідно рівних: і ). Встановлено, що для однакового значення основних гармонік статорного струму двигуна екстремальні значення середніх пускових моментів при оптимізації за мінімумом струму та напруги співвідносяться між собою для загальнопромислових АД приблизно як 1,25:1 (з урахуванням насичення головного магнітного ланцюга двигуна - приблизно 1,1:1).

Розглянуті пускові режими АД під час живлення від АІС та АІН у режимі керування із сталістю потокозчеплення ротора двигуна, для яких отримані співвідношення:

, (15)

де - еквівалентна постійна часу (що дорівнює - для АІС, або - для АІН).

Як видно з останньої формули в (15), керування із сталістю отокозчеплення ротора двигуна в пускових режимах характеризується незмінними значеннями розмаху пульсацій електромагнітного моменту, зумовленими несинусоїдальністю форми вихідних напруг (струмів) АІС та АІН. З урахуванням (10) та співвідношення для загальнопромислових АД створювані значення пульсацій моменту (для однакових середніх його значень) під час живлення від АІС перевищують пульсації під час живлення від АІН приблизно вдвічі.

Для пускових режимів АД під час живлення від АІС та АІН визначені співвідношення між середнім і максимальним значеннями й розмахом пульсацій електромагнітного моменту:

. (16)

Одержані залежності для обчислення у пусковому режимі максимальних значень статорного струму під час живлення від АІН - у функції модуля статорної напруги , тривалості міжкомутаційного інтервалу та значень активних опорів статора і ротора АД.

Зроблена оцінка прийнятих припущень під час обчислення пус-кового моменту, пов'язаних з неврахуванням кута комутації (для АІС) або електромагнітної постійної часу розсіяння двигуна (для АІН). Показано, що під час живлення від АІС та АІН двигунів потужністю понад 100 кВт (із співвідношенням постійних часу ) впливом цих чинників, що не враховуються в інженер-них обчисленнях середнього пускового моменту , можна знехтувати.

На наступному етапі досліджень пускових режимів АД здійснено одночасне врахування впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інверторних ПЧ та насичення головного магнітного ланцюга двигуна. Результати цих досліджень для електродвигуна А-114-6М потужністю 320 кВт та оптимізації за мінімумом струму подані на рис.1,а,б кривими: 1 - для АІС; 2 - для АІН; 3 - для АІН-ШІР; 4 - для АІН-ШІМ за синусоїдальним законом.

На цих рисунках також зображені кривими: 2' - пускові характеристики АД з оптимізацією за мінімумом напруги під час живлення від АІН; 5 - без урахування насичення під час живлення синусоїдальними струмами та оптимізацією за мінімумом струму; 6 і 7 - для синусоїдальних струмів відповідно без урахування і з урахуванням насичення головного магнітного ланцюга двигуна при керуванні із сталістю потокозчеплення ротора, що дорівнює номінальному потокозчепленню ; 8 - при керуванні із сталістю потокозчеплення ротора, що дорівнює максимальним поточним значенням на між-комутаційному інтервалі номінального потокозчеплення .

Встановлено, що несинусоїдальність форми вихідних сигналів інверторних ПЧ (АІС, АІН та АІН-ШІР) разом з впливом нелінійності кривої намагнічування двигуна призводить до додаткового зниження (у порівнянні з синусоїдальними струмами - крива 4) екстремального значення середнього пускового моменту АД: приблизно в 1,2-1,25 рази - для АІС і в 1,15-1,2 рази - для АІН та АІН-ШІР, а також підви-щення відповідного значення оптимальної пускової частоти: приблизно в 1,2-1,25 рази для АІС і в 1,15-1,2 рази - для АІН та АІН-ШІР (менші із цих значень відповідають загальнопромисловим двигунам ранніх вітчизняних серій А (АО), а більші - останніх серій МТК і 4А). Поясненням зниження пускового моменту слугує зміна (модуляція) амплітуди узагальненого вектора головного потокозчеплення двигуна на міжкомутаційному (міжфазовокомутаційному - для АІН-ШІР) інтервалі інвертора в пусковому режимі, що через нелінійність кривої намагнічування за різної форми модуляції амплітуди потокозчеплення призводить до різного середнього ступеня насичення головного магнітного ланцюга двигуна (при однаковому значенні основної гармонічної складової статорного струму). Із збільшенням діапазону модуляції амплітуди потокозчеплення, що залежить від характеру несинусоїдальності форми напруг (струмів) ПЧ, екстремальне значення середнього пускового моменту АД зменшується. При цьому при живленні від АІС, АІН та АІН-ШІР екстремальні значення моменту у пускових режимах на (15-25) % нижче, ніж у робочих режимах АД (при однакових значеннях основних гармонік статорного струму).

Розроблена інженерна методика графоаналітичного обчислення екстремального значення середнього пускового моменту АД під час живлення від інверторних ПЧ, в основу якої покладені два універсальних коефіцієнти, обчислених за універсальними кривими намагнічування двигунів загальнопромислових серій. Названі кое-фіцієнти визначають собою кратності відношень оптимальної пускової частоти та середнього значення індуктивності намагнічування до їх значень без урахування магнітного насичення АД відповідно і дозволяють обчислити екстремальний пусковий момент та оптимальну пускову частоту з аналітичних залежностей для синусоїдальних живильних струмів.

У третьому розділі наведені теорія, методи обчислення та результати дослідження стаціонарних робочих (зі швидкістю , рівною або більшою за 1/10 від її номінального значення) режимів АД під час живлення від інверторних ПЧ. Аналіз та дослідження робочих режимів виконані для несинусоїдальної форми вихідних напруг (стру-мів) інверторних ПЧ без урахування і з урахуванням впливу нелі-нійності кривої намагнічування та з припущенням про сталість зна-чення швидкості двигуна.

Електромагнітні процеси в стаціонарному робочому режимі АД під час живлення від АІС на міжкомутаційному інтервалі описуються рівнянням:

. (17)

За формулою (5) і сталістю вектора під час живлення від ідеалізованого АІС отримані вирази для обчислення узагальненого вектора потокозчеплення ротора , поточного та середнього значень електромагнітного моменту АД відповідно:

, (18)

де - початковий кут (у момент комутації в інверторі при ) між узагальненими векторами статорного струму і потокозчеплення ротора;

- з урахуванням значення електромагнітної постійної часу для АД середньої й великої потужностей та даного діапазону робочих швидкостей ( - модуль вектора потокозчеплення ротора).

Знайдені вирази для обчислення максимального (пікового) значення і розмаху пульсацій електромагнітного моменту АД під час живлення від АІС відповідно:

. (19)

Розглянуті електромагнітні процеси АД під час живлення від реального АІС, в якому фазні струми за формою відрізняються від прямокутних (через комутаційні процеси в АІС та пульсації випрямленої напруги). Побудовані векторні діаграми робочих режимів АД під час живлення від ідеалізованого та реального АІС.

Для аналізу стаціонарних робочих режимів АД під час живлен-ня від АІН та АІН-ШІР одержані рішення систем з рівнянь (8), (17) і (12), (17) відповідно, які внаслідок складності важко використати для інженерних обчислень. Побудовані годографи руху узагальнених векторів , i у стаціонарних робочих режимах під час живлення АД від АІН та АІН-ШІР.

Для АД під час живлення від АІН розроблені спрощені аналі-тичні залежності і на їх основі - методика для обчислення максимальних значень статорного струму, максимальних значень та розмаху пульсацій електромагнітного моменту двигуна, що базуються на використанні узагальненого вектора пульсацій статорного струму АД, який обчислюється шляхом співвідношення параметрів: та (де - частота статора). Максимальні значення розмаху пульсацій амплітуди статорного струму (навколо основної гармонічної складової струму) та електромагнітного моменту АД знаходяться з виразів відповідно:

, (20)

де - амплітуда вектора основних гармонік статорного струму короткого замикання;

- кут між основними гармонічними складовими статорного струму короткого замикання та потокозчеплення ротора АД.

Наведені розрахункові вирази для обчислення модулів та фазових кутів узагальнених векторів основних гармонічних складових статорного струму і потокозчеплення ротора АД у робочих режимах.

Отримані аналітичні залежності живлення від АІН-ШІР для узагальнених векторів статорного струму та потокозчеплення ротора електромагнітного моменту АД у вигляді суми затухаючої і періодичної складових. Показано, що затухаючі складові обчислюються з відповідних формул, одержаних для живлення АД від АІН при екві-валентному значенні амплітуди напруги з (13).

Визначена залежність розмаху періодичних пульсацій амплі-туди статорного струму під час живлення від АІН-ШІР:

. (21)

З умови граничного (максимально припустимого) значення розмаху періодичних пульсацій амплітуди статорного струму знайдена залежність зміни числа модуляційних інтервалів (в 1/6 частині періоду вихідної напруги інвертора) у функції частоти (або коефіцієнта провідного стану ) інвертора для пропорційного закону керування АД (= 1 в.о. = сonst):

, (22)

(23)

( - модуль узагальненого вектора основних гармонічних складових статорної напруги).

Отримані залежності для обчислення максимального значення статорного струму, максимального значення, розмаху пульсацій та частоти періодичних пульсацій електромагнітного моменту АД під час живлення від АІН-ШІР відповідно:

, (24)

де , , - максимальні значення затухаючих складових відповідно, амплітуди статорного струму, електромагнітного моменту та розмаху його пульсацій (обчислені через еквівалентне значення статорної напруги з формул для АД під час живлення від АІН).

Здійснено дослідження та порівняння впливу несинусоїдально-сті форми вихідних напруг (струмів) різних інверторних ПЧ на електромагнітний момент АД. На рис. 2 наведені розрахункові криві максимальних поточних значень статорного струму та електромаг-нітного моменту , розмаху пульсацій електромагнітного моменту для електродвигуна А-114-6М: а - за частоти = 0,5 в.о. у функції зміни середнього значення моменту двигуна; б - за номінального значення середнього моменту двигуна = 0,88 в.о. у функції зміни частоти . Криві на рис.2,а,б відповідають керуванню АД зі сталістю потокозчеплення ротора (рівною його номінальному значенню) та живленню двигуна: 1 - від АІС; 2 - від АІН; 3 - від АІН-ШІР (із зміною числа модуляційних інтервалів = 1, 2, 3, 4, 5); 4 - від АІН-ШІМ за синусоїдальним законом.

Для всіх розглянутих типів інверторних ПЧ, незважаючи на властиві їм відмінності в формі несинусоїдальності вихідних напруг (струмів), середнє значення електромагнітного моменту створюється переважно основними гармонічними складовими вихідних напруг (струмів), а вищі гармонічні складові викликають лише збільшення максимальних (пікових) значень і розмаху пульсацій статорного струму та електромагнітного моменту двигуна. Найменшими відношеннями максимального значення амплітуди і розмаху пульсацій моменту до середнього значення моменту характеризується живлення АД від АІН-ШІМ, а найбільшими - від АІН-ШІР.

На наступному етапі дослідження з урахуванням одночасного впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) інвер-торних ПЧ і насичення головного магнітного ланцюга двигуна розроблена методика розрахунку екстремального (з найбільшим середнім значенням електромагнітного моменту, що розвивається) робочого режиму АД. Методика базується на використанні описаних у розділі 2 універсальних коефіцієнтів, за значеннями яких для заданого значення основних гармонік статорного струму знаходяться оптимальне ковзання та середнє значення індуктивності намагнічу-вання, які відповідають екстремальному режиму, і визначається (з аналітичних залежностей для синусоїдальних живильних струмів) екстремальне значення моменту АД.

Отримана аналітична залежність для обчислення розмаху пульсацій швидкості АД, викликаних впливом несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) трифазних інверторних ПЧ:

, (25)

де , - розмах пульсацій затухаючої та періодичної складових електромагнітного моменту відповідно;

- приведений до вала двигуна момент інерції привода.

На основі перших двох формул з (18), одержаних для ідеалізованого АІС, розроблені універсальний алгоритм і на його основі мо-дель для обчислення електромеханічних процесів АД, що базуються на кусково-прямокутній апроксимації фактичних фазних статорних струмів двигуна. Універсальність алгоритму передбачає можливість обчислити з його використанням електромеханічні процеси як в стаціонарних, так і в нестаціонарних (перехідних) режимах двигуна під час живлення АД струмами довільної несинусоїдальної форми і з урахуванням впливу АСЧР електропривода.

Досліджено і оптимізовано спосіб часово-імпульсної модуляції вихідної напруги трифазного АІН, що живить асинхронний двигун. Було дане максимально дозволене в періоді вихідної напруги число комутацій інвертора. За цього числа варіювалися значення функцій керування силовими ключами інвертора та знаходився критерій оптимізації у вигляді:

, (26)

де , - амплітудні значення основної та -ї гармонічної складової статорного струму двигуна відповідно;

- найбільше значення номера гармонічної складової ( = 30), що обчислюється.

Визначені ефективні алгоритми (оптимальні функції керування силовими ключами АІН) часово-імпульсної модуляції та значення пульсацій електромагнітного моменту і швидкості АД для даного режиму, що дає можливість розширити нижню межу робочих швидкостей (з розмахом пульсацій менше за 0,01 в.о.) до 1:(30-40) від номінальної швидкості для АД середньої та великої потужностей (понад 100 кВт).

У четвертому розділі розглянуті структури автоматичних систем частотного регулювання (АСЧР) асинхронних електроприводів широкого загальнопромислового призначення, які функціонують без застосування датчиків усередині та на валу двигуна й забезпечують близькі до нормованих (стандартних процесів у системах підпо-рядкованого регулювання) електромеханічні процеси привода. Викладені також спеціальні питання регулювання: частотно-дина-мічного гальмування, амплітудного регулювання нединамічних електроприводів, керування за нестабільної напруги живильної мережі.

Запропоновані АСЧР з векторним регулюванням для електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР (ШІМ), які здійснюють двозонне керування АД (нижче номінальної швидкості - при сталості потокозчеплення ротора двигуна, а вище - при сталості ЕРС або статорної на-пруги АД) і містять зовнішні контури регулювання: частоти статора (з регулятором частоти) та ЕРС двигуна (з регулятором ЕРС). Побудова внутрішніх контурів регулювання визначається типом інвертора.

АСЧР з векторним управлінням електропривода з АІС, зокрема, містить внутрішні контури регулювання: модуля узагальненого вектора статорного струму (з регулятором струму) та його фазового кута (з пристроєм векторної орієнтації, регулятором фази і системою керування інвертором). Внутрішні контури АСЧР з векторним керуванням електропривода з АІН складаються з контурів регулювання активної складової узагальненого вектора статорного струму (з регулятором струму) і фазового кута узагальненого вектора статорної напруги (з пристроєм векторної орієнтації, регулятором фази і системою керування інвертором). АСЧР з векторним керуванням електропривода з АІН-ШІР(ШІМ) має у своєму складі внутрішні контури регулювання: модуля узагальненого вектора статорного струму (з регулятором струму) та фазового кута узагальненого вектора статорної напруги (з пристроєм векторної орієнтації, регулятором фази і системою керування інвертором).

Регулятори фази в АСЧР з векторним керуванням при формуванні заданих фазових кутів узагальненого вектора статорного струму (в електроприводі з АІС) або напруги (в електроприводі з АІН) забезпечують відповідно компенсацію кута комутації інвертора або фазового зсуву між узагальненими векторами ЕРС й статорної напруги АД. У запропонованих векторних АСЧР використовується непряме вимірювання фазних ЕРС ротора АД через статорні напруги і струми двигуна, непрямий спосіб орієнтації обертової ортогональної координатної системи " " за узагальненим вектором потокозчеплення ротора через ЕРС ротора двигуна, а також частотно-струмовий спосіб під час пуску АД, початкове намагнічування головного ланцюга двигуна постійним струмом перед пуском і динамічне гальмування таким же струмом під час зупинки АД.

Розроблені АСЧР з квазівекторним регулюванням для електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР, що забезпечують двозонне або економічне (з мінімумом електричних втрат в АД) керування електроприводами. Для створення таких АСЧР запропоновано ефективний спосіб здійснення квазівекторного керування АД, що полягає в регулюванні середнього значення електромагнітного моменту (активної складової статорного струму) та амплітуди потокозчеплення (намагнічуючої складової статорного струму) двигуна за допомогою впливу тільки на канали керування напругою і частотою (без обчислення та безпосереднього керування фазовими кутами вихідних напруг або струмів) інверторних ПЧ. За рахунок квазівекторного керування істотно спрощується технічна реалізація АСЧР електроприводів у порівнянні з векторним керуванням (вилученням складних специфічних пристроїв для обробки інформації щодо векторних величин: координатних перетворювачів, векторних аналізаторів та фазозрушувальних пристроїв).

Квазівекторні АСЧР з двозонним регулюванням (рис. 3,а) містять зовнішні контури регулювання: частоти статора (з регулятором частоти РЧ) та ЕРС Е (з регулятором ЕРС РЕ). Побудова внутрішніх контурів залежить від типу інверторного ПЧ. Так, АСЧР з квазівекторним керуванням електропривода з АІН містить внутрішні контури регулювання: струму в ланці постійного струму електропривода (рівного для АІН активній складовій статорного струму АД) з регулятором струму РС та модуля потокозчеплення двигуна (у вигляді пропорціональної ланки О, керованого генератора КГ та системи керування інвертором СКІ). Оригінальне виконання керованого генератора (являє собою одноканальний перетворювач "напруга-частота") з двома входами: входом "1" забезпечується лінійна прямо пропорціональна залежність вихідної частоти від вхідної напруги керування, а входом "2" - обернено пропорціональна залежність. За допомогою вузла пуску-зупинки ВПЗ і ключів, що обнуляють вихідні сигнали задавальника інтенсивності ЗІ, регулятора частоти РЧ і регулятора струму РС, забезпечується: перед пуском електропривода номінальне намагнічування головного магнітного ланцюга АД, а в режимі під час зупинки електропривода - динамічне гальмування двигуна постійним струмом.

...