Електропривод за схемою "каскадний інвертор напруги - асинхронний двигун"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

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 загально промислових механізмах, тому що це не вимагає заміни працюючого АД і кабелю 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.

1. 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 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; rв - 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:

, ,

, ,

НП = 6h0 , HO = HA+HB+HC, (3)

де h0, hs(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 Uп - 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.

2. Спосіб формування напруги з компенсацією вищих гармонік в її складі в системі "ПЧ-АД", який передбачає включення АІН з у КІН

Залежно від потужності ПЧ, АІН у схемі КІН можуть бути виконані на сучасній елементній базі (IGBT-транзисторах чи GTO-тиристорах) у модульному виконанні. Вихідна напруга каскадів К2АІН формується внаслідок додавання фазних напруг з виходів АІН, а вихідна напруга ПЧ - внаслідок додавання фазних напруг з виходів К2АІН. Усі напруги, що додаються, мають фазове зміщення, яке забезпечується системою керування, 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 КТ1, КТ2 - 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 kо = 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 розглядаються 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.

3. Задачі досліджень електромагнітних процесів, вибір методу досліджень, опис математичної 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 Пj. 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" (рис. 11), "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.

У моделях матриці інциденції задаються масивом чисел, елементами якого є порядкові номери одиниць у відповідній матриці. Тобто для схеми , , , =, =, , , . 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.

Як видно з залежностей моменту, 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.

4. Опис експериментальної установки 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 (-30о) 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, nн=1400 об/хв, к.к.д.=77%, cos= 0,87). При цьому коефіцієнт трансформації трансформатора Т1 дорівнював КТ1= 0,23, а трансформатора Т2 - КТ2= 0,39.

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 %.

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".

електропривод каскадний інвертор асинхронний

Література

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.

Размещено на Allbest.ru