ДонНТУ

Портал магістрів ДонНТУ

Ханін Олексій Володимирович Факультет:  «Електротехнічний» Кафедра: «Електроприводу та автоматизації промислових установок» Специальність: «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод» Дослідження систем керування асинхроним двигуном з асиметричним каскадним багаторівневим перетворювачем частоти. Науковий керівник:  к.т.н., доц. Шавьолкін Олександр Олексійович

Реферат на тему магістерської роботи

Зміст

1. Вступ

2. Принцип роботи несиметричного каскадного багаторівневого перетворювача частоти (НКБПЧ)

3. Розімкнені системи керування асинхронним двигуном (АД) при живленні його від НКБПЧ

4. Системи векторного керування АД

5. Висновки

6. Література

Вступ

Досягнення в області розвитку напівпровідникової та комп'ютерної техніки створили базу для широкого використання керованих електроприводів. Найбільш поширеними з них все ще залишається електропривод з двигунами постійного струму, проте в останні десятиліття все частіше віддають переваги частотно-керованим електроприводам змінного струму. Також все більший пріоритет отримує питання енергозбереження. Це пов'язано з обмеженістю всіх основних енергоресурсів планети, і складністю їх отримання.

У наш час в електроприводах змінного струму на середню напругу (6-10 кВ) все більше застосування знаходять так звані багаторівневі перетворювачі частоти (БПЧ). Розвиток багаторівневих технологій пов'язаний зі зростаючими вимогами щодо одночасного збільшення потужності і зниження втрат перетворювальної техніки. БПЧ забезпечують максимальну електромагнітну сумісність з мережею живлення і навантаженням. При цьому існуючі рішення БПЧ характеризуються значною складністю силових та інформаційних кіл.

Більш прості схеми БПЧ, побудовані на базі трирівневих автономних інверторів (АІН) не забезпечують необхідних показників якості вхідного струму і вихідної напруги і використовуються разом з фільтрами.

Покращення показників якості при спрощення силових та інформаційних кіл БПЧ досягається за рахунок використання так званих несиметричних каскадних БПЧ (НКБПЧ) з різними рівнями напруги АІН у ланках постійного струму. При живленні асинхронного двигуна від таких перетворювачів частоти зменшуються втрати в сталі, і збільшується ККД двигуна особливо це помітно в АД великої потужності. Крім цього БПЧ має наступні переваги: зменшується напруга ключів схеми перетворювача, а також зменшується і, як наслідок, виключення вхідних фільтрів.

Тому розробка принципів адаптації таких НКБПЧ у сучасні системи керування асинхронним двигуном (АД) є актуальним завданням.

Мета роботи. Адаптація НКБПЧ з різною кратністю напруги АІН у сучасні системи керування швидкістю АД.

2. Принцип роботи несиметричного каскадного багаторівневого перетворювача частоти (НКБПЧ)

На рис. 1 зображена спрощенна схема несиметричного багаторівневого АІН (БАІН).

Рисунок 1 – Спрщена схема багаторівневого АІН з трьома інверторами на фазу

З рис. 1 видно, що багаторівневий інвертор представляє собою три, послідовно підключених, двофазних АІН (комірок) в кожній фазі. Це дозволяє нарощувати потужність перетворювача за рахунок збільшення його вихідної напруги, а не струму.

Принцип асиметрії таких БАІН полягає у використанні, кратної мінімальному рівню, напруги у ланках постійного струму кожної комірки однієї фази. Наприклад, якщо ,то на вихді такого БАІН можна отримати напругу, що складається з 21 рівня. Така кількість рівнів в кривій вихідної напруги досягається за рахунок лінійних комбінацій різних напруг джерел постійного струму. Але використання таких БАІН супроводжується рядом проблем:

1. Циркуляція енергії між різними АІН однієї фази. Це вирішується вибором кратності рівнів напруг у джерелах постійного струму з умови виключення операції віднімання напруг АІН. Однак такий способ суттево обмежує можливості збільшення кількості рівнів у вихідній напрузі.

2. Асиметрія напруг у ланках постійного струму. Це призводить до неефективного використання багатофазних схем випрямлення для зменшення гармонік у вхідному струмі АБАІН

3. Використання високовольтних ключів з підвищенними комутаційними втратами передбачає мінімальну кількість їх перемиканнь.

Тому ефективність використання принципу асиметрії требо розглядати у комплексі з основними проблемами.

Для керування ключами АБАІН використовують наступні методи:

- Амплитудне регулювання. В цьому випадку на виході інвертора ми отримуємо квантовану за рівнем синусоїду (рис.2). Основною перевагою такого методу є мала частота комутації ключей інвертора. Основним недоліком – порівняно високий вміст вищих гармонік у кривій вихідної напруги.

- Метод синусоідальної ШІМ. Розрізняють мультиплексорну ШІМ (рис. 3) і багаторівневу ШІМ (рис. 4).

- Метод векторної ШІМ (рис. 5). Через велику кількість узагальнених векторів і достатньо велику складність, реалізується рідко і потребує великих обчислювальних потужностей процесора.

Рисунок 2 – Принцип амплітудного керування ключами АБАІН (анімація: 10 кадрів, 3 секунди, об'єм 113 КБ, кількість повторів: 7)

Рисунок 3 – Принцип мультиплексорної ШІМ

Рисунок 4 – Принцип багаторівневої ШІМ

Рисунок 5 – Узагальнені вектори при використанні векторної ШІМ для АБАІН

Можливі також комбінації цих способів управління ключами АБАІН.

3. Розімкнені системи управління асинхронним двигуном при живленні його від НКБПЧ (закони Костенко)

Найбільш простим у реалізації законом частотного керування є закон Костенко. При такому законі керування забезпечується сталість перевантажувальної здатності двигуна на всьому діапазоні зміни частоти. Вона дорівнює перевантажувальної здатності в номінальному режимі на природній характеристиці АД. Це досягається за рахунок забезпечення наступного рівняння.

, (1)

де Мк і Мс– критичний момент і момент статичного опору на штучній характеристиці; Мк.ех и Мн – критичний момент на природній характеристиці і номінальний момент двигуна.

Виконав відповідні перетворення, отримаємо такий вираз:

, (2)

де – відносна напруга статору, – відносна частота.

В розімкненій системі рис. 6 частота fs и модуль Usm напруги живлення формується перетворювачем частоти на базі АІН в залежності від значення напруги завдання.

Рисунок 6 – Функціональна схема розімкненої системи скалярного керування

У функціональному перетворювачі (ФП) реалізовано закон частотного керування. Для вентиляторного характеру навантаження в ФП забезпечується закон , що дозволяє тримати перевантажувальну здатність сталою.

Такі системи використовуються для плавного пуску АД і для регулювання швидкості у невисокому діапазоні (до 10:1).

Модель розімкненої системи скалярного частотного керування АД при живленні його від НКБПЧ зображено на рис. 7. Математичне моделювання системи виконано у пакеті Matlab и його додатку Simulink.

Рисунок 7 – Плавний пуск АД при живленні його від НКБПЧ

В якості НКБПЧ був обраний АБАІН з кратністю напруг АІН 1:1:4. При цьому для забезпечення мінімуму перемикання ключей інвертора з більшим рівнем напруги джерела постійного струму для нього обрано амплітудне керування ключами. Два інших інвертора у фазі відпрацьовують помилку квантування методом мультиплексорної ШІМ як це показано на рис. 8. Для виключення циркуляції енергії в работі [1] запропоновано метод попередньої модуляції сигналу завдання гармоніками кратними трьом.

Для порівняння показників роботи несиметричного каскадного багаторівневого перетворювача частоти розглянуто також «класичний» варіант перетворювача на базі АІН з ШІМ. в моделях використано асинхроний двигун ВРП180М8. Номінальні дані двигуна: Р_ном=15 КВт, U_ном.ф.=220 В, І_ном=34 А, n_ном=722 об/хв, f_ном=50 Гц, =0.76, J=0.325 , , , , R_r=0.28 Ом, R_s=0.45 Ом. Результати моделювання представлені на рис. 9, 10.

Рисунок 8 – Формування фазних напруг БПЧ

Рисунок 9 – Перехідні процеси АД при живленні його від НКБПЧ

Рисунок 10 – Перехідні процеси АД при живленні його від ПЧ на базі АІН з ШІМ

З рис. 9, 10 видно значне зменшення пульсацій моменту двигуна при живленні його від НКБПЧ. Це досягається насамперед за рахунок покращення гармонійного складу вихідної напруги перетворювача.

4. Системи векторного керування асинхронним двигуном

Якщо з умов технологічного процесу необхідно домогтись високого діапазону регулювання швидкості і значної швидкодії системи елекроприводу (ЕП) необхідно використовувати принцип векторного керування швидкості АД. Векторное управління передбачає забезпечення закону частотного керування не тільки в усталених, але і в перехідних режимах роботи ЕП. Це дозволяє забезпечити високу якість характеристик ЕП як в статиці так і в динаміці.

Для АД з короткозамкненим ротором найбільш поширеним законом векторного керування є закон підтримання .

На рисунку 11 зображено модель електроприводу

Рисунок 11 – Модель електроприводу з системю векторного управління.

Навантаження у системі ЕП має вентиляторний характер.

Сама система керування представлена нижче:

Рисунок 12 – Модель системи векторного управління АД

Як видно з рис. 12, в якості системи регулювання обрана «класична» система векторного управління, що побудована у рухомій ортогональній системі координат d, q, орієнтованій за потокозчепленням ротора. Система виконана як двоканальна: канал регулювання потокозчеплення ротора і канал регулювання швидкості. У кожному каналі реалізована двоконтурна система підпорядкованого регулювання. Для отримання сигналу зворотного зв'язку по потокозчеплення ротора в системі передбачено розрахунок по виміряним величинам струму статора і швидкості ротора.

На рис. 13, 15 зображені результати моделювання системи ЕП с НКБПЧ. Для порівняння отриманих результатів на рис. 14 представлені перехідні процесси по моменту ЕП за таких самих умов, але при живленні АД від ПЧ на базі АІН.

Рисунок 13 – Перехідні процеси за моментом двигуна при живленні його від НКБПЧ

Рисунок 14 – Перехідні процеси за моментом двигуна при живленні його від ПЧ на базі АІН

Рисунок 15 – Перехідні процеси за швидкістю і потокозчепленням двигуна

На рис. 16 зображені осцилограми струмів джерел постійної напруги різних АІН однієї фази НКБПЧ. Вони свідчать про ефективність обраного методу виключення циркуляції енергії в НКБПЧ.

Рисунок 16 – Осцилограми струмів АІН однієї фази НКБПЧ

Висновки

•        Розглянуті можливості і особливості використання НКБПЧ з кратністю напруг АІН – 1:1:4 в разімкнених і замкнених системах керування АД.

•        Проведені дослідження пульсацій моменту двигуна при живлені його від різних перетворювачів частоти

•        Результати віртуальних експериментів підтвердили ефективність запропонованих рішень з реалізації системи електроприводу.

•        Розроблена універсальна математична модель системи полеорієнтованного керування. Це дозволяє виконувати дослідження при використанні в системі ЕП асиметричних БПЧ з іншими рівнями напруги АІН.

Далі планується:

•        Дослідження НКБПЧ з іншими кратностямі напруг АІН (наприклад 1:3:6).

•        Дослідження можливості заміни в БПЧ джерела постійного струму з мінімальним рівнем напруги на конденсатор з попереднім його зарядом, що суттево здешевлює схему БПЧ.

Важливе зауваження

При написанні цього реферату магістерська робота ще не була завершена. Закінчення роботи планується на кінець 2011 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора чи його керівника після вказаної дати.

Список використаної літератури

1. Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М. Наливайко; за загальною ред. канд. техн. наук, доц. О.О. Шавьолкіна.- Краматорськ: ДДМА, 2008. - 328с.

2. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты/ Р.Т. Шрейнер; под общей ред. док. техн.наук, проф. Р.Т. Шрейнера – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебное пособие/ Г.Г. Соколовский под общей ред. Г.Г. Соколовского – Москва: Академия – 2006. – 265 с.

4. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие/ А.А. Усольцев под общей ред. А.А. Усольцева – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО – 2006. – 94 с.

5. Шавёлкин А.А. Каскадные многоуровневые преобразователи частоты с улучшенными энергетическими характеристиками/ А.А. Шавёлкин //Наук.-приклад журнал «Технічна електродинаміка» Тем. Силова електроніка і енергоефективність.; - Київ, 2010. – Ч. 1. - С. 65-70

6. Шавёлкин А.А., Возможности улучшения характеристик каскадных многоуровневых преобразователей частоты при использовании принципа асимметрии / А.А. Шавёлкин, Р.В. Уланов Вісник національного технічного університету "ХПІ”. - Харків: НТУ "ХПІ" 2007. - №25, С.122-132.

7. Шавёлкин А.А. Несимметричный гибридный многоуровневый преобразователь частоты на базе трехуровневого инвертора напряжения/А.А. Шавёлкин // Наукові праці ДонНТУ. Серія: “Електротехніка та енергетика”.- Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2009.-вип. 9(158)- С.242-249.