На правах рукописи
Пешков Дмитрий Васильевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ИНВЕРТОРА ТОКА С ВНУТРЕННИМ
КОНТУРОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Липецк - 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Фащиленко В.Н.
кандидат технических наук Соломатин А.А.
Ведущая организация: ОАО «Черметавтоматика» (г. Москва)
Защита состоится 14 мая 2010 года на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».
Автореферат разослан « » апреля 2010 г.
Учёный секретарь диссертационного совета В. И. Бойчевский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящее время для механизмов малой и средней мощности широкое распространение получили асинхронные электроприводы на базе преобразователей частоты с автономным инвертором напряжения, использующие широтно-импульсную модуляцию, что объясняется простотой системы управления и силовой части, а также высокими динамическими характеристиками.
Системы частотного асинхронного электропривода на базе инверторов тока используются в меньшей мере, т.к. требуют совершенствования.
Актуальность работы определяется необходимостью повышения качества напряжения на выходе преобразователей частоты. Преобразователи частоты на базе автономного инвертора напряжения формируют несинусоидальные импульсные по форме напряжения на обмотке статора асинхронного двигателя. Импульсное выходное напряжение преобразователей частоты с автономными инверторами напряжения приводит к таким негативным явлениям как перенапряжения на зажимах двигателя, разрушение подшипников, ускоренное старение изоляции кабеля и двигателя. Это, в свою очередь, приводит к необходимости применения специальных мер, увеличивающих стоимость установки электропривода и время его ремонта в случае выхода из строя. Использование преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока, формирующих более качественные формы токов и напряжений статора двигателя, сдерживается необходимостью построения сложных замкнутых систем управления с датчиком скорости на валу двигателя.
Целью работы является разработка и исследование принципа управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором тока, который позволяет создавать простые системы управления без датчика скорости на валу двигателя.
Идея работы заключается в создании системы управления электроприводом на базе автономного инвертора тока, которая, используя релейные регуляторы и сигналы обратной связи по напряжению, поддерживает напряжение на конденсаторах выходного фильтра в заданных границах, что придает инвертору тока некоторые свойства источника напряжения и позволяет отказаться от использования обратной связи по скорости вала асинхронного двигателя.
Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:
– разработка и математическое описание принципа формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра асинхронного электропривода с автономным инвертором тока;
– анализ установившихся режимов работы предлагаемого асинхронного электропривода;
– разработка систем управления для предлагаемого электропривода;
– исследование качества тока, потребляемого предлагаемым асинхронным электроприводом из питающей сети, и методов его повышения;
– определение экономической целесообразности применения предлагаемого асинхронного электропривода.
Научная новизна:
– предложен принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра автономного инвертора тока, отличающийся от существующих возможностью реализации систем управления без использования датчика скорости на валу двигателя;
– предложены системы управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором тока и формированием мгновенного значения напряжения на конденсаторах выходного фильтра на базе релейного регулятора напряжения с внутренним контуром регулирования напряжения;
– предложена система частотного управления асинхронным электроприводом, отличающаяся поддержанием на оптимальном уровне абсолютного скольжения с обеспечением минимума потерь в асинхронном двигателе.
Практическая ценность:
– предложенный принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра позволяет создавать разомкнутые по скорости системы управления асинхронными электроприводами на базе инверторов тока, а также использовать в них двигатели общего назначения;
– улучшена форма выходного напряжения инвертора, характеризующаяся уменьшением коэффициента несинусоидальности в 3 раза.
Методы и объекты исследования – практические исследования и математическое моделирование систем частотного асинхронного электропривода на базе автономного инвертора тока на языке моделирования Modelica.
Достоверность результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода и электротехники и экспериментальными данными.
Реализация работы. Полученные в исследовании математические модели внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» г. Уфа, 2009 г.; на научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры электропривода, 3 июля 2009 г., ЛГТУ, г. Липецк.; на региональной научно-технической конференции «Организационное, информационное и методическое содействие созданию и развитию инновационнотехнологических центров, бизнес-инкубаторов, малых инновационных организаций по привлечению к инновационной деятельности высших учебных заведений», 2009 г., ЛГТУ, г. Липецк.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 14 приложений.
Общий объем диссертации 187 с., в том числе 123 с. основного текста, 36 рисунков, список литературы из 60 наименований, 14 приложений на 64 с.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определены решаемые в диссертации научно-технические проблемы и задачи, обоснована актуальность, показаны новизна и практическая ценность работы, выделены основные защищаемые положения.
В первой главе производится анализ выпускаемых современной иностранной и отечественной промышленностью преобразователей частоты низкого напряжения с промежуточным звеном постоянного тока. Рассмотрены получившие наиболее широкое распространение структуры силовых частей преобразователей частоты на базе автономного инвертора напряжения и на базе автономного инвертора тока и применяемые в настоящее время алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Рассмотрены принципы работы и алгоритмы управления активными выпрямителями тока и напряжения и оценены свойственные им достоинства и недостатки. Показано, что использование ШИМ для формирования выходного напряжения преобразователей частоты на базе автономного инвертора напряжения является причиной возникновения широкого ряда негативных явлений, таких как перенапряжения на зажимах статора двигателя, ускоренное старение изоляции двигателя, преждевременное разрушение подшипников, перегрузка преобразователя частоты токами утечки в питающем двигатель кабеле, снижающих срок эксплуатации электропривода и требующих применения специальных мер, существенно увеличивающих стоимость установки электропривода, время и стоимость его ремонта в случае выхода из строя.
Произведен обзор механизмов непрерывного действия, для которых по причине невысоких требований к динамике и диапазону регулирования скорости может быть рекомендован электропривод на базе преобразователя частоты с автономным инвертором тока с формированием напряжения на конденсаторах фильтра. К таким механизмам относятся механизмы непрерывного транспорта – различного рода конвейеры и подвесные канатные дороги, а также насосы, вентиляторы и компрессоры.
Во второй главе рассмотрены вопросы построения математической модели асинхронного двигателя и преобразователя частоты на базе автономного инвертора тока, а также приведено математическое описание принципа работы релейного регулятора, основанное на представлении о пространственном векторе тока и адаптированное к автономному инвертору тока.
Математическая модель асинхронного двигателя описана в неподвижных координатах, и. Уравнения состояния обмоток статора:
где us, us, us – напряжения на зажимах фаз статора, В; is, is, is – токи фаз статора, А; rs, rs, rs – активные сопротивления фаз статора, Ом; s, s, s – потокосцепления фаз статора, Вб.
Уравнения состояния обмоток ротора:
где ir, ir, ir – токи фаз ротора, А; rr, rr, rr – активные сопротивления фаз ротора, Ом; r, r, r – потокосцепления фаз ротора, Вб.
Потокосцепления определяются следующими соотношениями:
где Ls, Ls, Ls – индуктивности фаз статора, Гн; Lr, Lr, Lr – индуктивности фаз ротора, Гн; M – взаимная индуктивность, Гн.
Уравнения, описывающие механические процессы в двигателе:
где p – число пар полюсов двигателя; Me – электромагнитный момент двигателя, Н·м; Mc – статический момент, Н·м; J – момент инерции ротора двигателя, кг · м2 ; r – частота вращения ротора двигателя, рад/с.
Принцип формирования напряжения заключается в следующем. В систему управления поступают сигналы задания на напряжение каждой из фаз ua, ub и uc в виде синусоидального сигнала требуемой амплитуды A и частоты, сигнал задания модуля гистерезиса при формировании напряжения и обратные связи по напряжению фаз фильтра uaoc, uboc и ucoc. На основании этих сигналов определяются граничные значения напряжения – верхнее и нижнее, – в пределах которых должно находиться напряжение фазы фильтра в любой момент времени. При нарушении верхней границы автономный инвертор тока, в качестве ключей которого используются последовательно включенные IGBT-транзистор и диод, формирует отрицательный импульс тока, который разряжает емкость, тем самым понижая напряжение на ней.
В случае нарушения нижней границы формируется положительный импульс тока, емкость заряжается, повышая напряжение соответствующей фазы. Для реализации этого принципа определяются величины ошибок a, b и c :
Система управления меняет текущее значение пространственного вектора тока при нарушении любого из условий |a | 1, |b | 1, |c | 1. Параметры выбора требуемого пространственного вектора тока приведены в табл. 1. Графики формируемого напряжения приведены на рис. 1.
Рис. 1. Графики кривых формируемого напряжения частотой 50 Гц и модулем гистерезиса 30 В для двигателя 4АН250М4: а – полупериод Существует минимально допустимое значение тока промежуточного звена Idmin, зависящее от мгновенного значения первой гармоники тока емкости ic и мгновенного значения тока двигателя im и определяемое по формуле:
Определение параметров выбора пространственного вектора тока величины тока промежуточного напряжения 50 Гц и модуле гистерезиса: а – 0 В; б – 12 В;
4АН250М4.
В третьей главе исследовано качество формируемого напряжения, а также влияние, оказываемое величиной нагрузки, током промежуточного звена и величиной модуля гистерезиса на частоту коммутации силовых ключей автономного инвертора тока fsw. Исследование показало, что коэффициент неси- Рис. 3. График зависимости частоты нусоидальности выходного напряжения коммутации силовых ключей АИТ в зависимости от модуля гистерезиса составляет от 3 до 17%, что существенформируемого напряжения 10 Гц но ниже, чем в традиционных преобразователях частоты с автономными инверторами напряжения, для которых эта величина составляет от 50 до 300%. В области малых частот (на уровне 10 Гц) величина fsw возрастает с увеличением нагрузки на валу двигателя, что проиллюстрировано на рис. 3. Кроме того, формирование выходного напряжения с допустимой точностью с амплитудами меньше 20% от номинальной приводит к возрастанию величины fsw сверх допустимых значений. Таким образом, принцип формирования напряжения может быть использован для механизмов, диапазон регулирования скорости которых не превышает 1:5.
Коэффициенты несинусоидальности формируемого напряжения Исследованы варианты систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра. Разомкнутая система управления является наиболее простой (рис. 4). Система управления АИТ включает в себя только один контур – контур формирования напряжения с регулятором РРН. На РРН поступают три синусоидальных сигнала задания на напряжения каждой из фаз (ua, ub, uc ) и скалярный сигнал задания модуля гистерезиса. Сигналами обратных связей являются сигналы с датчиков напряжения на конденсаторах Рис. 4. Схема разомкнутой системы управления электроприводом на базе ПЧ-АИТ с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра фильтра (uaoc, uboc, ucoc ). Синусоидальные сигналы задания на напряжение каждой из фаз (ua, ub, uc ) формируются функциональным преобразователем, входными сигналами которого являются два скалярных сигнала задания – на амплитуду и частоту формируемого напряжения. Система управления тиристорным выпрямителем стандартна и использует ПИ-регулятор тока РПТ. Для определения величины задания на ток промежуточного звена используется функциональный преобразователь.
Более сложная система управления с поддержанием постоянства потокосцепления статора двигателя обеспечивает постоянство перегрузочной способности асинхронного двигателя при работе на любой допустимой частоте и компенсацию падения напряжения на активном сопротивлении статора.
Данный принцип управления используется в асинхронных электроприводах с автономными инверторами напряжения. Т.о. принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра позволяет использовать при построении систем управления проверенные на практике алгоритмы управления асинхронными электроприводами с автономными инверторами напряжения.
Рис. 5. Схема модели разомкнутой системы управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором тока и формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра в среде Исследованная система управления электроприводом с непрямым управлением токами статора асинхронного двигателя может служить альтернативой существующим системам управления асинхронными электроприводами с автономными инверторами тока.
Величина потерь в асинхронном двигателе может быть снижена путем подбора оптимальных значений амплитуды и частоты подводимого к обмотке статора напряжения, через изменение токов, воздействующих на величины потерь в меди статора Pэл1, ротора Pэл2 и потери в стали статора Pмг1 :
где m - число фаз; Is – ток статора, А; Ir – ток ротора, А; Iµ – ток намагничивания, А; Rs – активное сопротивление статора, Ом; R r – активное сопротивление ротора, Ом; Rµ – активное сопротивление намагничивания, Ом.
При условии, что нагрузка на валу неизменна, и пользуясь известными соотношениями для Т-образной схемы замещения, имеем:
где – разность скоростей идеального холостого хода и вала асинхронного двигателя, рад/с.
Дифференцирование выражения (16) по позволяет определить оптимальную величину опт :
Наличие оптимальной величины было подтверждено экспериментально на лабораторном стенде для асинхронного двигателя с фазным ротором IMM71B4 У2 мощностью 0,37 кВт.
Доказано, что в электроприводе с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра обеспечивается режим рекуперации энергии торможения в питающую сеть.
В четвертой главе рассмотрено качество электрической энергии, потребляемой рассматриваемым электроприводом из питающей сети при использовании тиристорного выпрямителя, и сделан вывод о повышенном потреблении реактивной мощности из питающей сети, что является недостатком рассматриваемого электропривода и может быть исключено применением активного выпрямителя тока. Проведено исследование качества работы асинхронного электропривода с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра при использовании активного выпрямителя тока. В качестве алгоритма формирования входного тока активного выпрямителя тока обычно применяются метод выборочного исключения гармоник или векторная ШИМ.
Проведенная оценка достоинств и недостатков методов формирования входного тока активного выпрямителя показала, что для электроприводов малой и средней мощности целесообразно использовать векторную ШИМ, позволяРис. 6. График изменения угла Рис. 7. Графики напряжения (а) и между входными током и напря- тока (б) на входе активного выпряжением тиристорного выпрямителя мителя тока при формировании выходного напряжения частотой: а – 10 Гц; б – 20 Гц; в – 30 Гц; г – 40 Гц; д – 50 Гц ющую полностью использовать коммутационные возможности выпускаемых современной промышленностью полупроводниковых силовых ключей, снизить величину емкости конденсатора входного фильтра и осуществить защиту от возможных резонансных явлений при более гибком и динамичном регулировании величины тока промежуточного звена. Кривая формируемого тока на входе активного выпрямителя тока приведена на рис. 7.
Проведена оценка экономической целесообразности применения электропривода с автономным инвертором тока и формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра. Оценка производилась сравнением стоимости элементов силовой части ПЧ - АИН с синусным фильтром на выходе и предлагаемого электропривода с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра. Анализ данных позволяет сделать вывод, что предлагаемый электропривод дороже традиционного в среднем на 38%. Предлагаемый тип электропривода более надежен и обеспечивает возможность рекуперации энергии торможения в питающую сеть, реализация которой в традиционном электроприводе с ПЧ - АИН требует установки дополнительного комплекта полупроводниковых ключей, что существенно увеличивает стоимость установки электропривода на базе ПЧ - АИН.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании исследования частотного асинхронного электропривода с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока была решена актуальная задача создания системы управления, которая, используя релейные регуляторы и сигналы обратной связи по выходному напряжению, придает инвертору тока некоторые свойства источника напряжения и позволяет отказаться от использования обратной связи по скорости вала асинхронного двигателя.Основные выводы по результатам работы:
– Принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра заключается в определении моментов коммутации силовых ключей автономного инвертора тока на основании отклонения мгновенного значения напряжения на каждом из конденсаторов выходного фильтра от сигнала задания. Использование данного принципа по сравнению с традиционными электроприводами с инверторами тока накладывает менее жесткие ограничения на величину тока промежуточного звена, который должен быть не меньше минимально допустимой величины, равной амплитуде суммы первых гармоник токов фазы конденсатора фильтра и фазы статора двигателя.
– Анализ установившихся режимов работы асинхронного электропривода с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра показал следующее: коэффициент несинусоидальности кривой выходного напряжения в зависимости от модуля гистерезиса составляет от 3 до 17%; работа данного электропривода в области малых частот выходного напряжения характеризуется существенной зависимостью частоты коммутации силовых ключей автономного инвертора тока от нагрузки на валу двигателя, что ограничивает нижний предел частоты формируемого выходного напряжения величиной 10 Гц; частота коммутации силовых ключей автономного инвертора тока обратно пропорциональна модулю гистерезиса, что накладывает ограничение на минимальную амплитуду формируемого выходного напряжения величиной порядка 20% от номинальной.
«