Асинхронный электропривод с автономным инвертором тока и усовершенствованным управлением

Досліджено електромеханічні процеси, енергетичні показники та смуга пропускання для асинхронного електропривода з автономним інвертором струму.

В настоящее время повышенный интерес вызывают асинхронные электроприводы (АЭП), выполненные на основе автономного инвертора тока (АИТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [1, 2, 3]. Это связано с существенными достоинствами данного типа АЭП, основными из которых являются [2]: во-первых, – техническая простота реализации режима рекуперации энергии в питающую сеть; во-вторых, – формирование статорных напряжений с малой амплитудой перепада и уменьшенной крутизной фронтов (по сравнению с широко распространенными АЭП на основе автономного инвертора напряжения с ШИМ).

Объекты и методы исследования

Известно большое количество публикаций посвященных разработке и исследованию систем автоматического управления АЭП с АИТ-ШИМ, наиболее перспективными из которых являются системы прогнозирующего управления [1]. В частности, в работе [3] предложен способ прогнозирующего релейно-векторного управления (ПРВУ) обобщенным вектором статорного тока, однако построенная на его основе система управления характеризуется низкой полосой пропускания по скорости. В работах [1, 3] предложены способы ПРВУ обобщенным вектором статорного напряжения, общим недостатком которых является сложность определения прогнозирующего функционала. При этом во всех известных работах недостаточно исследованными остаются энергетические показатели и электромагнитные процессы в АЭП с АИТ-ШИМ.

Постановка задания

Целью статьи является исследование электромеханических процессов, энергетических показателей и полосы пропускания по скорости для АЭП с АИТ-ШИМ, достигнутых при совершенствовании автоматического прогнозирующего управления.

Результаты и их обсуждение

Функциональная схема АЭП с АИТ-ШИМ, показанная на рис.1 содержит: токоограничивающие реакторы L1 – L3; управляемый выпрямитель УВ, выполненный в виде трехфазной мостовой схемы на однооперационных тиристорах V1 – V6; сглаживающий реактор Ld; автономный инвертор тока АИТ, выполненный в виде трехфазной мостовой схемы на запираемых тиристорах V7 – V12; конденсаторы С1 – С3; асинхронный двигатель АД; систему импульсно-фазового управления СИФУ; датчик выпрямленного тока ДВТ; регулятор выпрямленного тока РВТ; блоки датчиков тока БДТ и напряжения БДН.

Рисунок 1 – Функциональная схема АЭП с АИТ-ШИМ

В системе ПРВУ [2] прогнозирование направления изменения обобщенного вектора приращения статорного напряжения возможно осуществлять по следующей зависимости:

Коэффициенты, определяются из зависимостей [2]:

37.jpg'; width="650" height="150">

На рис.2,а приведены графики изменения во времени весовых коэффициентов К1 и К2 , имеющие вид затухающих синусоид. Поскольку для прогнозирования направления изменения обобщенного вектора приращения статорного напряжения достаточно лишь информации об аргументе обобщенного вектора суммарного напряжения, то следует из выражения:

важным является оценка отношения рассматриваемых весовых коэффициентов К1 и К2 . Изменение данного отношения во времени показано на рис.2,б. Следует отметить, что с учетом результатов исследований в [3] максимальное время t продолжительности МИ инвертора при ПРВУ для АЭП с АИТ ШИМ не превышает 2000 мкс). Исходя из малого изменения модуля отношения весовых коэффициентов К1 / К2, предложено осуществлять прогнозирование направления изменения приращения обобщенного вектора статорного напряжения по суммарному вектору тока, вычисляемому в виде:

Из рис.2,б, следует, что при увеличении продолжительности МИ увеличивается модуль отношения весовых коэффициентов К1 / К2, влияние которого на точность прогнозирования предложено оценить по значению погрешности, вычисляемой согласно выражению:

Рисунок 2 – Графики изменения весовых коэффициентов и их отношения в зависимости от продолжительности МИ

На рис.3,а,б представлены рассчитанные на имитационной модели АЭП с АИТ-ШИМ графики, соответствующие стационарному режиму работы АЭП (при трех значениях момента сопротивления). Из анализа этих графиков следует, что при продолжительности МИ, равной 2000мкс, максимальная погрешность составит примерно 20 эл.град при номинальном значении момента нагрузки, что соответствует значению отношения весовых коэффициентов, равному –1,35.

Рисунок 3 – Графики оценки значений погрешности при различных значениях момента сопротивления

На основе предложенного способа прогнозирования разработано ПРВУ асинхронным электроприводом с АИТ-ШИМ и создана его имитационная модель с предложенным управлением со следующими параметрами силовой цепи: С1 = С2 = С3 =50мкФ; L1 = L2 = L3 =1 мГн; Ld = 0,15Гн; двигатель типа 4А132S6У3 мощностью 5,5 кВт. Как показали результаты моделирования, переходные и стационарные электромагнитные процессы, полученные для вариантов прогнозирования направления изменения вектора приращения статорного напряжения по зависимостям (1) и (4), совпадают между собой с отклонением менее 1%. На рис.4, рис.5 и в табл.1 представлены результаты расчетов (на созданной имитационной модели АЭП с АИТ-ШИМ) электромагнитных процессов и энергетических

Рисунок 4 – Стационарные электромагнитные процессы АЭП с АИТ-ШИМ: а – для Mc = 0; б – для Mc = Mн; в &ndash для Mc = -Mн

Рисунок 5 – Переходные электромагнитные и электромеханические процессы АЭП с АИТ-ШИМ

Рисунок 6 – Полоса пропускания по скорости: 1 – для ω = 0 ; 2 – для ω = 0,9ωн

параметров. При этом на рис. 5. показаны следующие процессы: разгон АД до номинальной скорости, наброс и сброс номинального момента нагрузки, реверс до полуторократного от номинального значения скорости (с ослаблением поля) и останов. При варьировании частоты ƒ гармонически изменяющегося сигнала задания скорости определена и показана на рис.6 полоса пропускания по скорости для рассматриваемого АЭП. На рис. 4 – рис. 6 и в табл. 1.

Таблица 1 – Энергетические показатели АЭП с АИТ-ШИМ

Выводы

Полученное качество стационарных и переходных электромагнитных процессов, достигнутая полоса пропускания по скорости (равная 75 Гц) позволяют применять АЭП с АИТ-ШИМ с предложенным управлением в общепромышленных электроприводах широкого назначения. При этом коэффициент гармоник статорного тока двигателя не превышает 4,2 % при частоте ключей инвертора, не превышающей 2,4 кГц.

Существующие недостатки АЭП с АИТ-ШИМ, заключающиеся в невысоком значении сетевого коэффициента мощности (ниже 0,75) и увеличенном значении коэффициента гармоник сетевого тока (более 32 %) устраняются установкой фильтро-компенсирующего устройства или использованием активного (вместо управляемого) выпрямителя [1].

Литература

1. Шрейнер Р. Т. Прогнозирующее релейно-векторное управление активными токовыми преобразователями частоты в системах электроснабжения и электропривода / Р. Т. Шрейнер, А. А. Ефимов, И. А. Мухаматшин // Электроприводы переменного тока: Труды международной ХІІІ научно-технической конф. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. – С.137–140.
2. Волков, А. В. Анализ электромагнитных процессов асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией / А. В. Волков, И. А. Косенко // Техн. електродинаміка. – 2009. – № 1. – С. 12-19.
3. Волков, А. В. Асинхронный электропривод на основе автономного инвертора тока на запираемых тиристорах с прогнозирующим релейно-векторным регулированием статорного тока / А. В. Волков, И. А. Косенко // Электротехника. – 2008. – №10. – С.6–17.

---