Особенности программного формирования напряжения в системе непосредственный преобразователь частоты – асинхронный двигатель при соединении статора по схеме треугольник

Аннотация

САРВАРОВ А. С., ДЕМИН С. А., ЦИУЛИНА М. А., УСАТЫЙ Д. Ю. Особенности программного формирования напряжения в системе непосредственный преобразователь частоты – асинхронный двигатель при соединении статора по схеме треугольник Проводится сопоставительный анализ работы системы НПЧ-АД при соединении нагрузки по схеме звезда и треугольник. Приведены расчётные осциллограммы пуска асинхронного двигателя. Установлена целесообразность применения в схеме треугольник алгоритмов с интервалами двухфазного питания

В электроприводах механизмов вентиляторного типа при отсутствии высоких требований к точности регулирования частоты вращения может быть реализовано ступенчатое регулирование частоты вращения [1]. Действительно, в зависимости от времени суток, сезонных изменений температуры, изменений требований со стороны производства и других факторов потребность в воде, паре и в воздухе на предприятиях меняется практически ступенчато. Исследования, проведённые после внедрения в эксплуатацию современных преобразователей частоты на дымососах и дутьевых вентиляторах котлов в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ОАО "ММК"), показали, что рабочий диапазон регулирования их находится в довольно узких пределах: 30-37 Гц. В этой связи для приводов подобного типа становится целесообразным использование более простых и относительно дешёвых объектноориентированных преобразователей частоты. Одним из возможных вариантов реализации таких преобразователей являются тиристорные НПЧ с программным формированием ряда ступеней частоты выходного напряжения. На кафедре электроники и микроэлектроники Магнитогорского государственного технического университета в сотрудничестве с ОАО "ММК" было создано несколько образцов НПЧ подобного типа на базе преобразователей постоянного тока. Проведённые исследования показали целесообразность их применения в механизмах с нагрузкой вентиляторного типа.

При реализации программного формирования напряжения особое внимание было уделено условиям получения на выходе НПЧ симметричных систем трёхфазного напряжения различных ступеней частоты. Такие ступени частоты могут быть сформированы, если количество пульсаций сетевого напряжения в периоде выходного кратно 6. При этом длительность периода выходного напряжения T₂, частота f₂ и её относительная величина f_2* для m-пульсного преобразователя могут быть выражены через количество пульсаций сетевого напряжения N в периоде [1]:

С повышением пульсности m преобразователя достигается заметное расширение ряда возможных ступеней частоты симметричного трёхфазного выходного напряжения НПЧ и, соответственно, диапазона частотного регулирования.

В основе алгоритмов формирования выходной частоты НПЧ лежит реализация двух типов коммутационных функций фазного напряжения на нагрузке (рисунок 1). Их особенность заключается в том, что между полуволнами напряжения программно вводится пауза, позволяющая отказаться от контроля состояния вентилей и тем самым заметно упростить систему управления.

Исследования гармонического состава коммутационных функций показали, что данные алгоритмы при соединении нагрузки по схеме звезда дают практически одинаковые результаты и введение паузы не приводит к заметному его ухудшению. Коэффициенты искажения синусоидальности составляют соответственно 0,982 и 0,956. Исследования на компьютерной модели системы НПЧ-АД процессов программного формирования напряжения с частотой 25 Гц (рисунок 2) показали, что при реализации алгоритмов двухфазного питания основные характеристики питания двигателя практически остаются такими же, как и при формировании интервалов с чередованием двух- и трёхфазного питания (таблица 1). Основное преимуществоалгоритмов двухфазного питания АД заключается в том, что при их использовании появляется возможность полностью отказаться от контроля тока при смене полярности полупериодов напряжения.

а – при чередовании интервалов двух- и трёхфазного питания; б – при формировании интервалов двухфазного питания.

Рисунок 1 – Коммутационные функции фазных напряжений

а – алгоритмов двух- и трёхфазного питания; 6 – алгоритмов двухфазного питания

Рисунок 2 – Расчётные осциллограммы пуска системы НПЧ-АД при реализации

Промышленные испытания системы НПЧ-АД на вентиляторе мощностью 200 кВт в ЛПЦ-4 ОАО "ММК" проводились в условиях, когда обмотки статора АД были соединены по схеме треугольник (Δ). При этом было установлено, что в рабочем диапазоне изменения углов управления α, определённом для схемы соединения обмоток статора по схеме звезда (Y), формируемое напряжение на двигателе с обмотками статора, соединёнными по схеме Δ, оказалось явно недостаточным. При этом двигатель работал с повышенным скольжением и соответственно перегрузкой по току. Кроме того, возникали ситуации срабатывания предохранителей тиристоров, что могло быть вызвано импульсами токов короткого замыкания между вентильными группами. С учётом обнаруженных особенностей были проведены дополнительные исследования на компьютерной модели для случая соединения обмоток статора по схеме треугольник. В таблице 2 приведены расчётные данные, полученные в результате моделирования системы НПЧ-АД при соединении обмоток статора по схеме Y и Δ. В рассматриваемых случаях момент нагрузки на валу двигателя задавался одинаковым. Первая строка данных соответствует углу управления α=78°, а вторая – α=80°.

Согласно результатам, приведённым в таблице 2, для схемы соединения Δ характерно ухудшение параметров электромеханического преобразования энергии. Действительно, при α=80° действующее значение первой гармоники фазного тока статора возросло в 1,5 раза, что обусловлено увеличением более чем в 2 раза скольжения ротора по сравнению со случаем соединения обмоток статора в Y.

Другая особенность работы системы НПЧ-АД с программным формированием напряжения при реализации алгоритмов чередования интервалов двух- и трёхфазного питания в схеме Δ заключается в том, что в линейном токе имеются участки, где смена полярности тока происходит при отсутствии паузы. На рисунке З приведена расчётная осциллограмма линейного тока, где выделены эти участки. Отсутствие пауз при смене полярности привело к возникновению импульсов тока КЗ между вентильными группами НПЧ, что и было обнаружено при проведении испытаний.

Рисунок 3 – Расчётная осциллограмма линейного тока АД при соединении обмотки статора в Δ

В этой связи с цельто повышения надёжности работы НПЧ было предложено воспользоваться алгоритмами двухфазного питания АД. Алгоритмы этого типа позволяют вдвое увеличить длительность интервалов между полуволнами напряжения при смене их полярности. Первый опыт их практической реализации имел место при испытании преобразователя в системе электропривода тарельчатого питателя, в результате было установлено, что их реализация полностью исключает возникновение КЗ между вентильными группами. Однако детальные исследования системы НПЧ с программным формированием напряжения при реализации алгоритмов двухфазного питания не производились. По этой причине в среде Matlab были проведены предварительные исследования, позволившие установить особенности реализации алгоритмов двухфазного питания при соединении нагрузки по схеме Δ. На рисунке 4 приведены расчётные осциллограммы фазного тока в трёхфазной нагрузке RL-типа, соединённой по схеме Δ.

Рисунок 4 – Расчётные осциллограммы линейного и фазного токов при питании нагрузки по схеме Δ

Из осциллограмм (рисунок 4) видно, что при соединении нагрузки по схеме Δ и реализации алгоритмов двухфазного питания в линейном токе появляется пауза длительностью 1/6 часть периода, а в фазном токе пауза отсутствует. Эта особенность отличает эту схему от схемы Y. Кроме того, реализация алгоритмов двухфазного питания, разработанных ранее для схемы Y, позволяет получить двухуровневое напряжение на фазе нагрузки при отсутствии пауз в фазном напряжении и токе. Таким образом, установлено, что реализация алгоритмов двухфазного питания в схеме Δ является наиболее предпочтительной при программном формировании напряжения в системе НПЧ-АД.

Список использованной литературы

1. Сарваров А. С. Расширение диапазона частотного регулирования двигателей переменного тока на базе непосредственных преобразователей частоты // Приводная техника. 2000. № 3. С.22-27.