Исследование процессов и разработка алгоритма управления преобразованием энергии в асинхронном тяговом электроприводе с преобразованием частоты регулирования напряжения питания

ЕНЕРГЕТИКА ТА ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск. 3/2006 (39). Частина 2.

18

Кременчугский государственный политехнический университет

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ В АСИНХРОННОМ ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Синчук О.Н., Полищук П.И.

Черный А.П., Пасько О.В.

Введение

Перспективным направлением развития тягового электропривода является электропривод на базе асинхронных или вентильно-индукторных двигателей [1, 2]. В настоящее время приоритет следует отдать первому варианту, поскольку второй (вентильно-индукторный) требует дополнительного времени для его технической реализации.

Однако и при первом варианте пока еще остается ряд вопросов, не позволяющих эффективно использовать все энергоэкономические возможности этого типа электропривода. В частности, таковым является вопрос создания алгоритмов управления импульсным преобразователем частоты (ИПЧ) вращения тягового асинхронного двигателя (ТАД). Связано это с тем, что условия работы тяговых электроприводов весьма специфичны и подвержены влиянию ряда фактов, в числе которых разница проскальзывания пар приводных колес, повышенные удары, вибрации и т.п.

Все это отрицательно влияет как на электрическую, так и на механическую части привода и является причиной невидимых визуально механических повреждений тяговых двигателей, которые весьма изменяют электромагнитные процессы в самом двигателе и оказывают влияние на процессы во всей системе: ИПЧ-ТАД. К сожалению, доля этих режимов в общем объеме времени работы ТЭП может быть весьма значительной.

Как показали исследования, в таких режимах работает 100% тяговых электроприводов уже после двух-трех месяцев с начала их эксплуатации [1]. Для исследования, а главное для выработки решений по компенсации этих одиозных моментов, необходимо знание не только динамики процессов преобразования энергии, но и оценку степени влияния слагаемых, вызывающих подобные нештатные режимы, количественную их оценку в данном типе электропривода, т.е. необходим алгоритм управления преобразователем ТАД, который должен адаптивно компенсировать появляющиеся несимметричные режимы, возможность проявления которых весьма велика.

Цель работы. Разработка подходов и построение алгоритмов адаптивного управления импульсным преобразователем частоты асинхронного тягового электрического двигателя.

Материал и результаты исследований

Согласно теоретическим предпосылкам [4], несинусоидальность и несимметрия питающего напряжения (тока), равно как и приобретенная конструктивная некачественность АД, характеризуются несимметрией элекрических или магнитных параметров ТЭД, что приводит к неравномерной токовой загрузке фаз машины, изменению гармонического состава тока, появлению знакопеременных составляющих в потребляемой мощности и развиваемом моменте, ухудшению вибрационных и тепловых характеристик. Данные явления являются причиной повышенного энергопотребления, снижения надежности и эксплуатационного ресурса тягового электропривода. При этом необходимо также учитывать и негативное влияние вышеприведенных факторов на собственный источник питания.

Проанализируем процессы, определяющие особенности преобразования мощности в тяговом электроприводе в контексте вышеизложенной проблемы. Общие выражения для тока и напряжения, содержащие гармоники, порядок которых может совпадать или не совпадать с основной частотой, имеет вид:

электропривод преобразователь асинхронный двигатель

,

. (1)

Общее выражение для мгновенной мощности при этом будет иметь вид:

, (2)

где - составляющие мгновенной мощности, полученные из каждого в отдельности слагаемого правой части (2).

Из выражения видно, что мгновенная мощность является суммой произведений одночастотных и разночастотных составляющих. Путем преобразований (2) может быть сведено к выражению:

, (3)

где - постоянная составляющая активной мощности и переменные составляющие мгновенной мощности (косинусная и синусная составляющие соответственно).

Знакопеременная мощность вызывает пульсации момента ТЭД, колебания скорости и вибрацию двигателя.

Формулировка показателей некачественности преобразования энергии и создание математического аппарата для ее оценки определяет пути управления процессом преобразования с целью снижения переменных составляющих мощности и момента двигателя для обеспечения эффективного функционирования тягового электрооборудования в условиях изменений факторов, влияющих на ее нормальную работу.

Одним из способов управления может быть уменьшение поля обратной последовательности в зазоре и тока обратной последовательности в роторе. Снижение величины поля обратной последовательности можно осуществлять, формируя несимметрию питающего напряжения статора. Таким образом, задача управления сводится к отысканию таких несимметричных напряжений, при которых выполняется условие:

. (4)

Решение такой задачи может быть выполнено различными способами, но в общей постановке, когда присутствуют все виды несимметрии - со стороны двигателя и со стороны источника питания.

Учитывая вышеизложенное, большую важность представляет возможность решения вопроса компенсации несимметрии параметров двигателя при помощи системы управления, а также исследование влияния параметров несимметричных фаз на колебания его момента и частоты вращения.

В основу исследуемой математической модели АД с асимметрией его параметров и параметров источника питании положим математическую модель двигателя в симметричной трехфазной системе координат [5]. Общая структура математической модели такого АД выражается в виде сложной матрицы, сходной с матрицей Крона:

,

где и - субматрицы векторов столбцов напряжений и токов по осям прямой и обратной последовательности статора и ротора соответственно; - матрица полных сопротивлений.

Матрица комплексных проводимостей , обратная - матрице в общем случае имеет сложный вид. При симметрии взаимных индуктивностей между статором и ротором - матрица примет вид:

(6)

где ; - токи статора и ротора прямой и обратной последовательности; - напряжения прямой и обратной последовательности.

Приравняв обратный ток ротора нулю (условие компенсации), найдем требуемую несимметрию напряжений [5]:

, (7)

Полученное уравнение представляет уравнение компенсации несимметрии АД при условии симметрии магнитных осей машины и взаимных индуктивностей между статором и ротором.

Система напряжений компенсации имеет вид:

, (8)

где индексом «к» обозначены компенсирующие напряжения.

Для получения корректных результатов статические и динамические режимы смоделированы при следующих условиях: машина магнитосимметрична, активное сопротивление фазы А изменено на .

Коэффициенты в и г, зависящие от скольжения, при асимметрии активного сопротивления одной фазы определяются:

. (9)

Рисунок 1 Схема обобщенной модели

С использованием полученной математической модели и уравнения требуемой асимметрии напряжений для компенсации, разработана математическая модель (рис. 1) и выполнены исследования динамических режимов работы АД при несимметрии активных сопротивлений статора.

Система управления реализует поисковый режим на основании значений напряжений и токов в каждой из фаз и определении величины переменной составляющей мощности. Алгоритм поиска (рис. 2) построен на определении наименее перегруженной в токовом отношении фазы и последующем изменении величины напряжений в других фазах, причем снижение происходит синхронно на одинаковую величину. При этом шаг изменения подсистемы управления по поиску режимов компенсации асимметрии параметров ТАД варьируется в зависимости от результатов предыдущего изменения напряжений. Основными критериями управления являются: сохранение величины постоянной составляющей электромагнитного момента АД, токовая загрузка фаз, которая не должна превышать номинальную, обеспечение минимальной величины переменной составляющей мгновенной потребляемой мощности.

В качестве примера на рис. 3, 4 приведены результаты моделирования динамических режимов работы тягового АД с короткозамкнутым ротором мощностью 14 кВт при конструктивной несимметрии асинхронного двигателя (паспортные данные и параметры схемы замещения АД приведены в табл. 1).

Рисунок 2 Алгоритм работы

Таблица 1

Паспортные данные и параметры схемы замещения АД

Рисунок 3 Диаграммы пусковых моментов ТАД: 1 - с несимметрией сопротивлений статора; 2 -при компенсации несимметрии СУ-ИПЧ-ТАД

Рисунок 4 Диаграммы потребляемой мощности ТАД: 1 - с несимметрией сопротивлений статора; 2 - при компенсации несимметрии СУ-ИПЧ-ТАД

Выводы

1. Асимметрия и взаимовлияние токов и напряжений источника питания и самого ТАД приводит к сложному изменению составляющих мощности и момента ТАД.

2. Анализ электромагнитных процессов при комплексной асимметрии токов и напряжений в цепях ТЭП позволяет создать адаптивный алгоритм управления ИПЧ, позволяющий повысить электроэнергетические показатели системы ИПЧ-ТАД.

Литература

1. Синчук О.Н., Синчук И.О., Гузов Э.С. Псевдоактивный подход к повышению надежности тягового электропривода рудничных электровозов // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2003. №8 (66). С. 151-155.

2. Пасько О.В. К вопросу максимизации диапазона регулирования ШИМ напряжения инвертора тягового электропривода // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Вип. 2003 С. 97-100.

3. Сычев С.Д., Черный А.П. Режимы работы асинхронного двигателя при несимметрии питающего напряжения // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Научные труды КГПУ, 2002. Вип.1(12). С. 266-269.

Размещено на Allbest.ru