Електропривод за схемою "каскадний інвертор напруги - асинхронний двигун"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Електропривод за схемою “каскадний інвертор напруги - асинхронний двигун”

Боднар Григорій Йосипович

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Плахтина Омелян Григорович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Садовой Олександр Валентинович, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри електрообладнання промислових підприємств

кандидат технічних наук, доцент Василів Карл Миколайович, Український державний лісотехнічний університет, доцент кафедри обчислювальної техніки та моделювання технологічних процесів

Провідна установа ВАТ “Український НДІ силової електроніки “Перетворювач”, науково-технічний відділ, м. Запоріжжя.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коруд В.І.

Анотація

Боднар Григорій Йосипович. Електропривод за схемою “каскадний інвертор напруги - асинхронний двигун”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2001.

Дисертація присвячена аналізу і способу формування квазісинусоїдної напруги в схемах з каскадним з'єднанням інверторів напруги (КІН), а також питанням розробки та дослідження схем частотно-керованого електроприводу з КІН у системі "ПЧ-АД" з урахуванням гармонічного складу напруги живлення АД. Сформульовано умови забезпечення якості напруги в схемах КІН. Запропоновано нові схеми КІН, які можуть бути використані в частотно-керованих електроприводах для загальнопромислових механізмів при регулюванні швидкості, особливо в електроприводах з високовольтними АД. Розроблено математичні і фізичну моделі та проведено дослідження електромагнітних і електромеханічних процесів у статичних та динамічних режимах у схемах електроприводу "КІН-АД". Запропоновано математичну модель замкненої системи автоматичного регулювання швидкості і потокозчеплення з обмеженням струму статора АД у перехідних режимах, яка дає змогу проводити дослідження процесів і характеристик не лише в експлуатаційних режимах роботи електроприводу, а також - в аварійних, несиметричних режимах. Результати дисертаційних досліджень впровадженні у виробництво і використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроприводу і автоматизації промислових установок Національного університету "Львівська політехніка".

Ключові слова: електропривод, асинхронний двигун, каскадний інвертор напруги, електромагнітні і електромеханічні процеси, моделювання.

Аннотация

Боднар Григорий Йосифович. Электропривод по схеме “каскадный инвертор напряжения - асинхронный двигатель”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальный университет "Львівська політехніка", Львов, 2001.

Диcсертация посвящена анализу гармонического состава и способу формирования квазисинусоидального напряжения в схемах КИН, а также разработке и исследованию схем частотно-регулируемого электропривода в системе "ПЧ-АД" с учетом гармонического состава напряжения питания АД.

В разделе 1 проведен анализ современного состояния и перспектив внедрения асинхронного частотно-регулируемого электропривода. На основании законов электротехники проведен анализ гармонического состава выходного напряжения трехфазного АИН з однократной комутацией вентилей. Получены аналитические выражения.

В разделе 2 рассмотрены принципы построения схем КИН. Определены условия обеспечения качества напряжения на выходе схем. Рассмотрены схемы соединения АИН в КИН, которые дают возможность компенсировать высшие гармоники в составе напряжения питания АД в системе "ПЧ-АД". Проведено аналитическое описание и векторное представление процесса формирования напряжения питания АД з компенсацией высших гармоник в схемах "КИН-АД". Получены соответствующие соотношения между моментами времени включения вентилей АИН и соотношения между коэффициентами трансформации суммирующих трансформаторов (соотношения между витками) для предлагаемых схем электропривода "КИН-АД". Рассмотрены возможные структуры систем автоматического регулирования координат электропривода и способы управления напряжением.

В разделе 3 сформулированы задачи исследований электромагнитных процессов, определен метод исследований, описаны математические модели структурных элементов и системы электропривода "КИН-АД" в целом. Приведено описание программного обеспечения математической модели, представлены результаты исследований электромагнитных и электромеханических процессов в схеме "КИН-АД" методом математического моделирования.

В разделе 4 приведено описание экспериментальной установки для физических исследований электромагнитных и электромеханических процессов в схеме "КИН-АД", которая создана на двух серийных ПЧ с АИН типа ТПТР-6,3, и проведены исследования. Сопоставлены результаты исследований электромагнитных величин с результатами, полученными методом математического моделирования. Подтверждена адекватность моделируемых процессов.

В разделе 5 представлена структура замкнутой системы автоматического регулирования координат в схеме электропривода "КИН-АД" для общепромышленных механизмов. Сформулированы задачи исследований динамических режимов электропривода, описаны модель замкнутой системи электропривода и ее программная реализация, технология проведения исследований динамических режимов на компьютере, представлены результаты исследований. Сопоставлены результаты проведенных исследований с характеристиками известных систем электропривода.

В выводах отмечено, что проведенные научные исследования направлены на разработку и внедрение в общепромышленных механизмах частотно-регулируемого электропривода, обладающего высокими эксплуатационными показателями и низким уровнем акустического шума.

В приложениях даны параметры элементов схем электропривода "КИН-АД", которые используются при проведении исследований на математической модели, инструкции и тексты программ моделей.

Результаты диссертационных исследований внедрены в производство, а также используются в учебном процессе на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок Национального университета "Львівська політехніка".

Ключевые слова: электропривод, асинхронный двигатель, каскадный инвертор напряжения, электромагнитные и электромеханические процессы, моделирование.

Abstract

Grigory Bodnar. The electric drive by the scheme “Cascade voltage inverter - asynchronous motor”. - Typescript.

The thesis for the candidate of science degree. Speciality 05.09.03 - Electrotechnical systems and complexes. The National university “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2001.

The theme of this thesis is the development of the systems of asynchronous electric drive with cascade voltage inverter (CVI). The electric drive by the scheme “cascade voltage inverter - asynchronous machine”, in which the asynchronous machine is supplied by voltages with quasi-sinusoidal form, is described. For this scheme the condition of the voltage's quality is presented. The new schemes of cascade voltage inverter, which can be used in industrial electric drives, especially in electric drives with high-voltages asynchronous machine, are proposed. The mathematical and physical models of the described systems are developed, and research results of electromagnetic and electromechanical processes in the electric drives by the scheme “CVI - AM”, obtained by mathematical and physical modeling method, are presented. The closed-loop system of speed control and stator current limitation in the electric drive by the scheme “CVI - AM” is also described. The research results of the processes in this system for steady-state and dynamic work regimes, obtained by mathematical modeling method, are presented. The research results are introduced in manufacture and also for the training of students in the National university “Lviv Polytechnic” are used.

Key words: electric drive, asynchronous motor, cascade voltage inverter, electromagnetic and electromechanical processes, modeling.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Широке впровадження частотно-керованих електроприводів змінного струму ставить задачі розробки нових схем, пов'язаних з цим нових методів досліджень, з метою забезпечення високої якості перетворення електричної енергії в механічну. Забезпечення синусоїдного живлення асинхронного двигуна в частотно-керованому електроприводі може бути реалізоване за допомогою каскадного з'єднання інверторів напруги (КІН). Використання КІН дає змогу одночасно отримати квазісинусоїдну форму напруги і струму, чого не забезпечують інвертори з широтно-імпульсною модуляцією (АІН з ШІМ).

Дослідження схем частотно-керованих електроприводів з КІН у науковій літературі практично відсутні. Нема єдиного підходу щодо способу з'єднань інверторів напруги в каскади і керування ними. Широка різноманітність схем КІН, і пов'язана з цим - схем електроприводу, вимагає розробки єдиної методики досліджень процесів і характеристик.

Таким чином, розробка схем електроприводу з КІН, як альтернативи до схем електроприводу з АІН з ШІМ, єдиної комп'ютерної методики досліджень, а також виконання різноманітних досліджень вищезгаданих схем є актуальною задачею, яка має наукове і практичне значення.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок Національного університету "Львівська політехніка", які передбачають розробку і впровадження частотно-керованого електроприводу в загальнопромислових механізмах. Такі роботи передбачені "Комплексною державною програмою енергозбереження України", яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України № 148 від 5 лютого 1997 року.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і дослідження схем частотно-керованого асинхронного електроприводу з КІН, що забезпечують формування напруги квазісинусоїдної форми.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

1. Дослідити процес формування напруги з компенсацією вищих гармонік у схемах електроприводу з КІН та сформулювати умови забезпечення її якості.

2. Розробити принципові схеми КІН у системі електроприводу "перетворювач частоти - асинхронний двигун" (ПЧ-АД).

3. Створити математичні моделі для дослідження електромагнітних і електромеханічних процесів у схемах електроприводу "КІН-АД".

4. Створити фізичну модель (експериментальну установку) для дослідження електромагнітних процесів у схемі електроприводу "КІН-АД".

5. Створити математичну модель для дослідження електромагнітних і електромеханічних процесів у замкненій системі електроприводу "КІН-АД" у динамічних режимах та провести дослідження.

Об'єкт дослідження. Електромагнітні і електромеханічні процеси в частотно-керованих електроприводах змінного струму.

Предмет дослідження. Характеристики частотно-керованого електроприводу з каскадним інвертором напруги.

Методи дослідження. Закони електротехніки - при аналізі електричних процесів і гармонічного складу напруг; теорія електроприводу, теорія моделювання електромашинно-вентильних систем, чисельні методи розв'язування систем диференційних рівнянь, представлення систем рівнянь у векторно-матричній формі - при проведенні досліджень на математичній моделі; проведення фізичного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

Запропоновано спосіб формування напруги з компенсацією вищих гармонік в її складі, що передбачає включення АІН у КІН, і на його основі нові схеми КІН.

Отримані аналітичні вирази гармонічного складу напруги на виході КІН і співвідношення між витками обмоток трансформаторів додавання та значення кута фазового зміщення між напругами АІН.

Розроблено математичні моделі для дослідження електромагнітних і електромеханічних процесів у схемах електроприводу "КІН-АД".

Запропоновано математичну модель для досліджень електромагнітних і електромеха-нічних процесів у замкненій системі електроприводу "КІН-АД" у динамічних режимах роботи.

Практичне значення одержаних результатів:

Схеми з'єднань АІН у КІН дають змогу формувати на виході ПЧ напруги, які за формою близькі до синусоїди.

Схеми з'єднань АІН у КІН можуть бути використані в системах вторинного живлення для стабілізації частоти, наприклад, у вітроенергетиці, авіації тощо.

Схеми з'єднань АІН у КІН дають змогу використовувати в системі електроприводу "ПЧ-АД" високовольтні АД (6 кВ і більше), так як одночасно забезпечують компенсацію вищих гармонік і узгодження напруги живлення АД за величиною.

Електропривод за схемою "КІН-АД" можна рекомендувати для проведення модернізації нерегульованого електроприводу в загальнопромислових механізмах, тому що це не вимагає заміни працюючого АД і кабеля живлення.

Схеми з'єднань АІН у КІН передбачають модульний принцип побудови, що дає змогу розділити вихідну потужність ПЧ на складові, а отже, при розробках ПЧ використовувати елементну базу меншої вартості.

Створені математичні моделі схем "КІН-АД" дають змогу досліджувати не лише робочі режими електроприводу, а й аварійні, несиметричні.

Цифрові моделі схем "КІН-АД" можуть використовуватися спеціалістами в галузі електроприводу, які не володіють основами програмування, оскільки закладена в них технологія проведення досліджень вимагає лише формування необхідних файлів початкової інформації та вибору режиму роботи електроприводу.

Результати дисертаційних досліджень використані в технічному проекті "Частотно-керований електропривод" НВО "ЕТАЛ", м. Олександрія; при впровадженні частотно-керованого електроприводу на корообдирочному барабані в Жидачівському ЦПК, Львівська область; при налагодженні частотно-керованого електроприводу фасувального автомату ЗАТ "ЕНЗИМ", м. Львів, а також використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроприводу і автоматизації промислових установок Національного університету "Львівська політехніка".

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто запропоновані підходи щодо аналітичного опису гармонічного складу напруги АІН з одноразовою комутацією вентилів та підходи щодо способу формування напруги КІН. У спільних публікаціях автору належать розробка схем і проведення досліджень на експериментальній установці, розробка математичних моделей і результати виконаних за їх допомогою досліджень.

У роботі [1] автором проведено аналіз гармонічного складу напруги на виході шеститактного АІН з використанням функції стану його вентилів. Гармонічний склад напруги на виході ПЧ з АІН, що має тривалість провідного стану вентилів =, розглянуто автором одноосібно у роботі [2]. У роботі [3] автором зроблено аналіз додаткових втрат потужності в АД у схемах "АІН-АД" і "КІН-АД". Основні принципи формування квазісинусоїдної напруги живлення АД у схемах електроприводу з КІН розглянуті автором у роботах [11,12]. У роботах [4,5,6] автором описано математичні моделі і наведені результати досліджень електромагнітних та електромеханічних процесів у схемах "КІН-АД". Нові схеми КІН запропоновані автором у роботах [8,9,10]. Умови забезпечення якості напруги розглянуто автором у роботі [13]. У роботах [7,14] автором наведена структура замкненої системи керування і показані характеристики електроприводу "КІН-АД" у динамічних режимах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали позитивний відгук на наступних національних та міжнародних конференціях і семінарах: 1-й Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці", Львів, 1995; Науково-технічній конференції з міжнародною участю, присвяченій 100-річчю від дня народження видатного українського вченого-електромеханіка Тихона Губенка, "Електромеханіка. Теорія і практика", Львів-Славськ, 1996; 2-й Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці", Львів, 1997; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харків, 1998; 3-й Міжнародній науково-технічній конференції "ADVANCED Electromechanical motion systems", University of Patras, GREECE, 1999; 3-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці", Львів, 1999; Науковому семінарі НАН України "Комп'ютерні методи та моделі електричних кіл та електромеханічних систем", Львів, 18 лютого, 1999; Науковому семінарі НАН України "Комп'ютерні методи та моделі електричних кіл та електромеханічних систем", Львів, 23 грудня, 1999; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харків, 2000; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харків, 2001.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових праць у фахових виданнях і 4 тез доповідей у наукових журналах, подані та зареєстровані Держпатентом України три заявки на винахід. В результаті розгляду цих заявок одержано Патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 171 найменувань і 4 додатків. Робота містить 239 сторінок, 98 ілюстрацій і 5 таблиць. Загальний обсяг роботи 137 сторінок.

2. Основний зміст роботи

асинхронний електропривод гармоніка квазісинусоїдний

У вступі обгрунтовано актуальність роботи і дана наведена вище характеристика роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан та перспективи впровадження в загальнопромислових механізмах асинхронного частотно-керованого електроприводу змінного струму з АІН. Використання керованого електроприводу в турбомеханізмах (насоси, вентилятори та компресори), де продуктивність регулюється дроселюванням при постійній швидкості обертання АД, дасть змогу економити від 20 до 50 % електроенергії.

Технічний рівень і техніко-економічні показники частотно-керованого електроприводу визначаються досконалістю ПЧ і їх основної елементної бази - силових напівпровідникових приладів (СНП). Технологічні досягнення мікроелектроніки, поруч з успіхами силового напівпровідникового приладобудування в розв'язанні проблем комутації великих потужностей, дали змогу створити нові класи приладів силової електроніки, які мають властивості повністю керованих вентилів з високими рівнями комутуючих напруг та струмів при малих втратах і незначній потужності керування та високій швидкодії.

Основною елементною базою, яка використовується в схемах АІН, є повністю керовані СНП - біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ) і закриваючі тиристори (ЗТ). За способом формування напруг АІН розділяють на: з одноразовою та багаторазовою комутацією вентилів. Тому такі схеми АІН формують на виході ПЧ напруги ступінчастої або імпульсної форми з широким спектром вищих гармонік. Як відомо, вищі гармоніки негативно впливають на АД і електропривод загалом, спричиняючи додатковий нагрів АД і породжуючи вібрацію та акустичні шуми в електроприводі. Для компенсації вищих гармонік нами запропоновано спосіб, який базується на додаванні в схемах КІН фазних напруг з виходів АІН.

Схему АІН (рис. розглянемо як таку, що включає дві послідовно з'єднані схеми вентильних груп: анодну і катодну. Роботу вентилів представимо функцією стану , де , - кутова частота основної гармоніки; t - біжуче значення часу. Значення функції дорівнює одиниці, коли вентиль проводить, і нулю - коли він закритий.

Для вентильних груп можна записати такі рівняння:

; (1)

, (2)

де - потенціали і струми на виході анодної і катодної вентильної групи; N - номер вентиля в групі; - провідність N-го вентиля; r_в - активний опір вентиля.

Якщо від рівняння (1) відняти (2), то можна одержати рівняння для АІН, записане у фазних координатах:

,

де , , - вихідні параметри АІН; - вхідний параметр АІН.

Функція є періодичною з періодом Т=2, тому її можна представити у вигляді тригонометричного ряду. Зробивши відповідні перетворення і врахувавши, що тривалість провідного стану вентилів АІН =, запишемо кінцеві формули для визначення параметрів АІН:

, ,

, ,

Н_П = 6h₀ , H_O = H_A+H_B+H_C, (3)

де h₀, h_s(2k-1) - постійна складова, амплітуди синусоїдних складових функції cтану вентиля;

k = 1,2,3,..,n, де n - кількість врахованих гармонік.

З формул (3) отримано вирази, які описують форму фазних напруг на виході схеми.

,

,

, (4)

де U_п - напруга на вході АІН;, де k = 0,1,2 ,..., n/6 - порядковий номер гармоніки (j = 1,5,7,11,13,...,n+1); - кут зміщення між моментами включення вентилів у групі АІН.

У другому розділі розглянуто спосіб формування напруги з компенсацією вищих гармонік в її складі в системі "ПЧ-АД", який передбачає включення АІН з у КІН (рис. 2). Залежно від потужності ПЧ, АІН у схемі КІН можуть бути виконані на сучасній елементній базі (IGBT-транзисторах чи GTO-тиристорах) у модульному виконанні. На схемі позначено: 1-блок комутаційної апаратури; 2-блок керованого випрямляча (КВ); 3-блок фільтра; 4-блок каскаду К:2К2АІН, що включає 2 каскади (К2АІН) 4.1 і 4.2, які виконані з 2-х АІН; 5-система керування; 6-АД. У таких схемах КІН усі АІН по вхідному колу з'єднують паралельно, а по вихідному - через елементи додавання. Вихідна напруга каскадів К2АІН формується внаслідок додавання фазних напруг з виходів АІН, а вихідна напруга ПЧ - внаслідок додавання фазних напруг з виходів К2АІН у вузлі 4.3. Усі напруги, що додаються, мають фазове зміщення, яке забезпечується системою керування 4.4, з одного боку, і зміщення, яке дає схема з'єднань у відповідних вузлах, - з іншого.

Такі зміщення напруг при додаванні забезпечують квазісинусоїдну форму напруги живлення АД, яка не змінюватиметься при зміні режиму роботи АД і величини навантаження, оскільки у схемі використано АІН з . Відповідно до блок-схеми запропоновано схеми електроприводу "КІН-АД". Для них проведено аналітичний опис та векторне представлення процесу формування напруги з компенсацією вищих гармонік у її складі і сформульовано умови забезпечення якості. Одна із схем, що включає 2 АІН і відповідно до них 2 трифазні трансформатори, показана на рис. 3. Якщо для неї записати вирази 5-ї і 7-ї гармонік та прирівняти їх до нуля, то можна визначити умови, згідно з якими відбувається компенсація цих гармонік.

Для 5-ї гармоніки-

. (5)

Для 7-ї гармоніки -

, (6)

де К_Т1, К_Т2 - коефіцієнти трансформації Т1,Т2; - кут зміщення між фазними напругами АІН2 відносно тих же фазних напруг АІН1, який забезпечується системою керування внаслідок запізнення між моментами включення вентилів. Розв'язком (5) і (6) є: , .

У даній схемі відбувається компенсація також інших гармонік, які ідуть у парі після 5-ї і 7-ї через одну з ряду , тобто: 17-ї і 19-ї; 29-ї і 31-ї і т. д. Щоб довести це, аналогічно запишемо вираз для j-гармоніки:

. (7)

Враховуючи, що: , , , тому після перетворень (7) запишемо систему рівнянь:

,

розв'язком якої є:

,

,

що можна представити як:

,

де k_о = 0,1,2,3,...,m.

Подібний вираз і систему рівнянь можна записати для схеми (рис. 4), в якій для додавання напруг використовується один трансформатор. У такому випадку вираз має вигляд:

, (8)

розв'язком якого буде: .

У схемах "К2АІН-АД" нема повної компенсації усіх гармонік. Тут залишаються ще гармоніки, номер яких описуються виразом . Тому в складі напруги живлення АД найближчими до першої є 11-а і 13-а гармоніки. Для подальшої компенсації цих гармонік необхідно з'єднати в каскад К:2К2АІН дві схеми К2АІН, як показано на рис. 2, де їх з'єднують паралельно по вхідному колу, а по вихідному - через відповідні трифазні трансформатори під'єднують до АД. У дисертаційній роботі розгля-даються різні схеми "КІН-АД". Для них одержано відповідні співвідношення між часом включення вентилів АІН (КІН) і співвідношення між коефіцієнтами трансформації трансформаторів додавання (між витками обмоток).

Запропонований спосіб формування напруги з компенсацією вищих гармонік в її складі в схемах електроприводу з КІН полягає в тому, що фазні напруги з виходів АІН або КІН, які додаються на трансформаторах, за умов зміщення в часі між моментами включення вентилів АІН або КІН і зміщення, яке дає схема з'єднань обмоток трансформаторів, для вищих гармонік перебувають у протифазі і при відповідному співвідношенні між коефіцієнтами трансформації рівні за величиною. Тому при додаванні вони компенсуються.

На рис. 7-9 показані залежності фазних напруг на виході АІН і КІН та гістограми присутності вищих гармонік у складі напруги живлення АД, одержані в результаті розрахунку за аналітичними виразами. Там приведено також значення коефіцієнтів нелінійних спотворень (К_г).

Залежності 1-ї, 5-ї і 7-ї гармонік	на виході АІН та гістограма (Кг= 0.296)
Залежності 1-ї, 11-ї гармонік	на виході К2АІН та гістограма (Кг= 0.139)
Залежність фазної напруги на	виході К:2К2АІН та гістограма (Кг= 0.06)

У третьому розділі сформульовані задачі досліджень електромагнітних процесів, вибрано метод досліджень, описано математичні моделі структурних елементів і електроприводу в цілому. Для створення математичної моделі використано теорію моделювання електромашинно-вентильних систем (ЕМВС). Модель системи є замкнутою системою рівнянь, що утворюється з диференційних рівнянь, які описують структурні елементи, та рівнянь для визначення потенціалів вузлів ЕМВС. Кожний структурний елемент представляється багатополюсником, що описується зовнішнім вузловим векторним рівнянням, яке має вигляд:

. (9)

Для утворення моделі ЕМВС зовнішні вітки багатополюсників з'єднуються між собою у відповідних вузлах за допомогою матриць під'єднання структурних елементів П_j. Співвідношення між потенціалами вузлів структурних елементів і вузлів системи описується рівнянням:

(10)

де - вектор потенціалів вузлів ЕМВС. Векторне рівняння, що описує роботу ЕМВС, має вигляд:

 (11)

де ; m - кількість елементів ЕМВС.

Математична модель вентильної групи, як і будь-якого структурного елемента схеми електроприводу, представлена рівнянням (9) для визначення вектора інтегрування і логічними рівняннями для визначення параметрів вентилів. У моделі силова схема вентильної групи розглядається як схема з постійною структурою та змінними параметрами. Векторне рівняння групи має вигляд:

, (12)

де: ,

,

.

Вектор інтегрування для вентильної групи має вигляд: _t. Вхідною інформацією для моделей груп є значення активного опору та індуктивності, які еквівалентують тиристори у відкритому і закритому станах, параметри системи керування та інформація про стан тиристорів у початковий момент часу, що відповідає початковим умовам вектора інтегрування.

Математичні моделі схем "АІН-АД", "К2АІН-АД" утворюються з моделей структурних елементів. У загальному вигляді вони представляються векторними рівняннями виду (9), (10), (11). Для схеми коефіцієнти рівняння (11) визначаються на основі коефіцієнтів зовнішніх вузлових векторних рівнянь структурних елементів (мережі, анодної вентильної групи 1 (АВГ1), катодної вентильної групи 1 (КВГ1), анодної вентильної групи 2 (АВГ2), катодної вентильної групи 2 (КВГ2), анодної вентильної групи 3 (АВГ3), катодної вентильної групи 3 (КВГ3), дроселя L, конденсатора С, АД та матриць інциденції цих структурних елементів - , , , , , , , ,,. Елементами матриць є нулі і одиниці. Кількість рядків матриці відповідає кількості незалежних вузлів системи, а кількість стовпців - кількості полюсів елемента. У матрицях одиниці стоять на перетині відповідного з'єднання у вузлі елемента із системою, наприклад, матриця записана для мережі.

Рис. 1. Розрахункова схема "К2АІН-АД"

У моделях матриці інциденції задаються масивом чисел, елементами якого є порядкові номери одиниць у відповідній матриці. Тобто для схеми (рис. 11) , , , =, =, , , . Для проведення досліджень на математичних моделях подано опис програмної реалізації математичної моделі. При створенні програмного забезпечення використано модульний підхід, що дозволяє легко конструювати цифрову модель. Дослідження електромагнітних процесів проводились для двох усталених режимів роботи АД: в режимі неробочого ходу (н.х.) і в режимі стопоріння під час пуску АД (4АА80В4У3, ?/Y, 220/380 B, 6,2/3,6 A, 1,5 кВт, 1400 об/хв) з незмінною амплітудою напруги живлення частотою 50 Гц. Числові значення параметрів елементів схем та АД попередньо розраховані за каталожними даними. Результатами проведених досліджень є залежності електромагнітних величин.

Залежності фазної напруги (U₁) і фазного струму (i₁) в обмотці статора АД у схемі "АІН-АД" у режимах: стопоріння під час пуску та н.х. Залежності струму в обмотці ротора (і₂) та електромагнітного моменту (М) АД у режимі н.х.

Залежності фазної напруги (U₁) і струму (і₁) в обмотці статора АД, залежності напруги (U_Т1) і струму в первинній обмотці трансформатора (і_Т1) в схемі (рис.12) у режимах стопоріння та н.х. В обох режимах форма напруги залишається незмінною. У режимі стопоріння форма струму є синусоїдною.

У схемі, зменшуються пульсації електромагнітного моменту і додаткові втрати потужності в АД. Так, у номінальному режимі коефіцієнт пульсацій моменту АД у схемі не перевищує 4%, а коефіцієнт додаткових втрат потужності - 1,068. У схемі вони становлять, відповідно: 20% і 1,6.

Залежності струму статора (і₁) та електромагнітного моменту (М) при пуску АД з незмінною амплітудою напруги живлення частотою 50 Гц без навантаження в схемах, відповідно: а) - "АІН-АД"; б) - "К2АІН-АД"; в) - "К:2К2АІН-АД".

У всіх схемах під час пуску АД коливання моменту повністю згасають до моменту досягнення швидкістю значення, що відповідає критичному ковзанню на механічній характеристиці. У схемах "КІН-АД" в усталеному режимі н.х. пульсації моменту практично відсутні, тому що в складі напруги живлення АД немає 5-ї і 7-ї гармонік (К2АІН), а також 11-ї і 13-ї (К:2К2АІН).

Схеми електроприводу "КІН-АД" забезпечують також компенсацію надлишкової реактивної потужності, яка обмінюється між АД і джерелом живлення, що проявляється в зменшенні коефіцієнта пульсації струму на вході КІН, подібно як у випрямлячах із збільшеним числом фаз на вході зменшуються пульсації випрямленої напруги.

У четвертому розділі описано експериментальну установку схеми "К2АІН-АД", що включає два ПЧ з ланкою постійного струму типу ТПТР-6,3, які серійно випускаються на Запорізькому заводі "Перетворювач", і АД типу 4АА80В4У3. Схема експериментальної установки дає змогу реалізувати кожну з розглянутих схем з'єднань обмоток трансформаторів (трансформатора).

Інвертори схеми живляться від одного джерела напруги (КВ перетворювача ПЧ1) через LC-фільтр низьких частот. Система керування СКАІН кожного з ПЧ включає три основні вузли (на схемі не показані): задаючий генератор тактових імпульсів (ЗГ), регулятор частоти (РЧ), лічильник подільник імпульсів на шість та реверсивний розподілювач імпульсів (ЛПР). Для синхронізації роботи вентилів АІН у схемі КІН використано імпульсні сигнали керування ЗГ блока СКАІН перетворювача ПЧ1, які мають однакову тривалість і паузу. Тому для зміщення в сторону запізнення на кут (-30^о) фазних напруг АІН ПЧ2 по відношенню до тих же напруг АІН ПЧ1, імпульсні сигнали керування ЗГ блока СКАІН ПЧ1 подаються на вхід ЛПР блока СКАІН ПЧ2 через додатково встановлений елемент "НЕ". У такому випадку на виході інверторів відбувається незалежне формування напруг з частотою, яка синхронізована з частотою ЗГ СКАІН ПЧ1.

Дослідження електромагнітних процесів у схемі "К2АІН-АД" (К2АІН-АД, Y/Y-Y/) проводились для двох значень частоти напруги живлення АД (f = 10 Гц, f = 20 Гц) у робочих та в усталених режимах н.х. і при стопоріннях під час пуску АД (4АА80В4У3, /Y, 220/380В, 2/3,6A, 1,5 кВт, n_н=1400 об/хв, к.к.д.=77%, cos= 0,87). При цьому коефіцієнт трансформації трансформатора Т1 дорівнював К_Т1= 0,23, а трансформатора Т2 - К_Т2= 0,39. У процесі досліджень знято осцилограми фазних напруг і струмів АД.

В цьому розділі проведено порівняння результатів досліджень електромагнітних процесів методом математичного моделювання з експериментальними, знятими під час проведення фізичного експерименту. За результатами проведених досліджень зроблено перевірку адекватності математичної моделі. Розходження між результатами не перевищує 7 %.

У п'ятому розділі описано структуру замкненої системи автоматичного регулювання (САР) координат в електроприводі за схемою "КІН-АД". У динамічних режимах роботи при зміні швидкості електромагнітний момент АД є вихідною координатою, яка регулюється, а швидкість визначається з рівняння руху. У системах частотно-керованого електроприводу керуючою дією на АД є амплітуда та частота напруги живлення, що мають відповідне співвідношення (U/f), яке визначається характером навантаження і необхідною величиною потокозчеплення , де відповідно амплітуда напруги впливає на , а частота - на швидкість обертання поля ?₀. Оскільки фаза напруги не регулюється, то момент двигуна в перехідних режимах має некеровану динамічну складову, яка в усталених режимах згасає. Регулювання моменту з високими динамічними показниками при частотному керуванні можливе в режимах, коли кутова швидкість АД розглядається як параметр, що змінюється повільно порівняно із швидкістю протікання електромагнітних процесів. Якщо так само повільно змінювати частоту і амплітуду напруги живлення АД, то регулювання моменту буде здійснюватись за характеристиками, близькими до статичних. Тоді усталене значення моменту буде пропорційне частоті ковзання Ш₂ = Ш₀ - Ш, де Ш - кутова швидкість АД. У такому випадку при регулюванні моменту АД необхідно підтримувати постійними величину частоти ковзання ?₂ або величину струму статора АД. Для одержання характеристики постійного моменту при зміні швидкості частоту напруги живлення АД необхідно змінювати за законом: Ш₀(t) = (Ш₂ + Ш(t))p_о, де р_о - кількість пар полюсів АД. У процесі регулювання моменту статорний струм АД залишається постійним, оскільки його реактивна і активна складові, які задають постійні магнітний потік і момент, сталі. При цьому активна складова буде визначатись певною величиною моменту, а значить заданим значенням абсолютного ковзання s_a, де s_a повинно бути таким, щоб момент АД не перевищував критичного, а реактивна - потокозчепленням .

Регулювання швидкості АД здійснюється за допомогою РШ, що через систему керування впливає на тривалість включення вентилів КІН, і відповідно на вихідну частоту напруги живлення АД. На його вхід подаються сигнали завдання з виходу ЗІ та від'ємного зворотного зв'язку за швидкістю, а також від'ємного зворотного зв'язку з відсічкою за струмом.

Під час пуску АД на вхід ЗІ подається напруга U_f, яка визначає задану швидкість АД. На виході ЗІ ця напруга змінюється за лінійним законом, відповідно до виразу:

,

де U_zo - значення напруги, що визначає задану швидкість; Т - стала часу ЗІ. Потокозчеплення і реактивна складова струму при цьому підтримуються постійними. Під дією напруги U_z, яка зростає у часі, частота КІН буде збільшуватись, і відповідно збільшуватимуться момент АД, активна складова і повний струм статора. Якщо величина струму статора перевищить значення, що відповідає струму обмеження, в роботу вступить зворотний зв'язок за струмом, що призведе до зміни темпу зростання напруги U_z і відповідно частоти так, що струм статора буде I₁ = const. Тоді збільшення швидкості АД здійснюватиметься при постійному моменті, який відповідає ділянці розгону. В кінці розгону частота КІН стане рівною заданому значенню і зміна швидкості закінчиться. Почне працювати система стабілізації швидкості. Під час пуску АД керування моментом здійснюється при законі зміни частоти КІН у часі щ₀(t) так, що частота ковзання щ₂(t) = щ₀(t) - щ(t) не перевищує критичного значення.

Темп розгону в даній системі електроприводу визначається заданим значенням максимального ковзання, струму і моменту, що розвиває АД, а також статичним моментом і не залежить від напруги завдання U_f.

Дослідження характеристик у схемі електроприводу (рис. 20) в динамічних режимах проводились методом математичного моделювання. Математична модель замкненої системи електроприводу формувалась з математичної моделі розімкненої системи та рівнянь, які описують роботу системи керування:

; ;

; ;

; ,

де , - задане та реальне значення швидкості АД; К_зс - коефіцієнт зворотного зв'язку за струмом; - миттєві значення фазних струмів обмотки статора АД; К_рш, Т_іш - коефіцієнт підсилення і стала часу регулятора швидкості; К_рп, Т_іп - коефіцієнт підсилення і стала часу регулятора потокозчеплення; - задане значення потокозчеплення. Потокозчеплення АД при цьому визначається як:

,

де - потокозчеплення фаз обмоток статора АД, які обчислюються за миттєвими значеннями напруги і струму.

Дослідження проводились для трьох характерних режимів: пуску, стрибкоподібного накиду і зняття навантаження.

У додатках представлено параметри елементів схем електроприводу, що використовувались при проведенні фізичного та цифрового експериментів, інструкції для експлуатації і тексти програм цифрових моделей.

Висновки

1. У дисертаційній роботі розв'язана наукова задача створення частотно-керованого асинхронного електроприводу теоретично з будь-якою, а практично з необхідною якістю напруги, струмів і електромагнітного моменту двигуна, в сенсі відсутності вищих гармонік, без фільтрів за допомогою каскадних схем інверторів напруги, з'єднаних і керованих згідно з запропонованим способом. Сформульована теза доведена теоретичними викладками і перевірена експериментальними дослідженнями та методами математичного моделювання на цифрових моделях, розроблених автором, які мають наукову новизну і практичну цінність.

2. Спосіб формування напруги в схемах КІН дає змогу створити джерело живлення з практично синусоїдною формою напруги і струму без використання фільтрів, що є актуальним для систем вторинного живлення, наприклад, у вітроенергетиці, авіації тощо.

3. Схеми КІН утворюються із простих схем шеститактних інверторів напруги як модулів, що не вимагає додаткових інтелектуальних і матеріальних затрат, оскільки потужність АІН визначається їх кількістю в схемі.

4. Електропривод з КІН не має високочастотних складових у напрузі і струмах та низькочастотних в електромагнітному моменті.

5. Схеми з'єднань АІН у КІН дають змогу використовувати в системах "ПЧ-АД" високовольтні АД (6 кВ і більше), так як одночасно забезпечують компенсацію вищих гармонік і узгодження напруги живлення АД за величиною.

6. Запропоновані математичні моделі і програми дозволяють аналізувати процеси і характеристики як в усталених, так і в динамічних режимах.

7. Результати експериментальних і комп'ютерних досліджень на моделях показали, що частотно-керовані електроприводи з КІН в порівнянні з традиційними відрізняються високою якістю напруги, струмів і електромагнітного моменту.

8. Результати дисертаційних досліджень використані в технічному проекті "Частотно-керований електропривод" НВО "ЕТАЛ", м. Олександрія; впроваджені в частотно-керованих електроприводах на виробництві (Жидачівський ЦПК, Львівська область, ЗАТ "ЕНЗИМ", м. Львів), а також використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроприводу і автоматизації промислових установок Національного університету "Львівська політехніка".

Список опублікованих автором праць по темі дисертації

1. Боднар Г.Й., Плахтина О.Г. Аналіз гармонічних складових вихідної напруги трифазного автономного інвертора // Теоретична електротехніка. - 1996. - № 53. - С. 108-118.

Боднар Г.Й. Гармонічний склад напруг на виході статичного перетворювача частоти // Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи". - 1995. - №288. - С. 8-13.

3. Боднар Г.Й., Плахтина О.Г. Додаткові втрати потужності у схемах електроприводу з каскадним інвертором напруги // Вісник НТУ "Харківський політехнічний інститут". Випуск 10 "Проблемы автоматизированного электропривода". - 2001. - С. 366-367.

4. Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С. Дослідження системи "каскадний інвертор напруги - асинхронний двигун" // Вісник ХДТУ. Спец. випуск "Проблемы автоматизированного электропривода". - 1998. - С. 281-282.

5. Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С. Математичне моделювання перетворювача частоти з каскадним вмиканням інверторів // Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи". - 1997. - №340. - С. 91-96.

6. Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С., Плахтина І.О. Математичне моделювання процесів в електроприводі з каскадним інвертором напруги // Вісник НУ "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи". - 2000. - №400. - С. 122-126.

Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С. Процеси і характеристики в асинхронному електроприводі з каскадним інвертором напруги // Вісник ХДПУ. Зб. наук. праць. Темат. випуск 113. - 2000. - С. 131-132.

8. Пат. 25351 Україна, МКИ Н 02 М 7/539. Перетворювач постійної напруги в трифазну/ Г.Й. Боднар, О.Г.Плахтина (Україна).-№ 96031059; Заявлено 20.03.96.

9. Пат. 31179 А Україна, МКИ Н 02 М 7/539. Перетворювач постійної напруги в трифазну/ О.Г. Плахтина, Г.Й. Боднар, А.С. Куцик, І.О. Плахтина (Україна).-№ 98073851; Заявлено 16.07.98; Опубл. 29.03.00, Бюл. №2 (15.12.00, Бюл. №7-ІІ).

10. Пат. 33343 А Україна, МКИ Н 02 М 7/539. Перетворювач постійної напруги в трифазну/ О.Г.Плахтина, Г.Й. Боднар, А.С. Куцик, І.О. Плахтина (Україна).-№ 99020816; Заявлено 12.02.99; Опубл. 15.02.01, Бюл. № 1 (Допов. 15.06.01, Бюл. № 5).

11. О. Плахтина, Г. Боднар. Вентильні перетворювачі частоти з квазісинусоїдною формою напруг на виході // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Тихона Губенка. -Львів.- 1996. - С. 157-160.

12. О. Плахтина, Г. Боднар. Компенсація вищих гармонік у системі "каскадний інвертор - асинхронний двигун"// 1-а МНТК "Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці". Тези доповідей. - Львів.- 1995. - С. 267-268.

13. Plakhtyna O., Bodnar G., Kutsyk A., Plakhtyna I., Cieslik. Electric drive by the scheme "Rectifier - cascade inverter - induction motor" // Proc.3rd International Symposium on advan- ced Electromechanical Motion Systems "Electromotion'99".V.1- Patras, Greece. -1999. - P. 303-307.

14. Плахтина О.Г., Боднар Г.Й., Куцик А.С. Динамічні характеристики асинхронного електроприводу з каскадним інвертором напруги // 3-а МНТК "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці". Тези доповідей. - Львів.- 1999.- С. 212-213.

Размещено на Allbest.ru

...