Автореферат магистерской работы

Тема: «Исследование режимов работы непосредственного преобразователя частоты»

Актуальность темы
С момента появления электропривода (ЭП) как переменного, так и постоянного тока одним из важнейших вопросов является вопрос регулирования частоты его вращения. В настоящее время происходит бурное развитие полупроводниковой преобразовательной техники, которое в свою очередь дает возможность применить новые методы решения этого вопроса.
В настоящее время в промышленности широко применяются привода постоянного тока, а также системы регулирования их скорости на основе тиристорных преобразователей напряжения (ТПН). Однако актуальным является вопрос замены таких систем регулирования скорости на системы, в основе которых лежит асинхронный двигатель. Такие системы состоят из преобразователя частоты (ПЧ) и асинхронного двигателя (АД). Они позволяют получить более глубокое регулирование скорости, то есть увеличить диапазон регулирования.
В свою очередь ПЧ делятся на 2 группы: со звеном постоянного тока и непосредственные (НПЧ). Преобразователи частоты со звеном постоянного тока позволяют регулировать частоту питающего напряжения в диапазоне (0-2*fc)Гц, где fc – промышленная частота 50Гц. Такой диапазон регулирования дает данной группе преобразователей преимущество над НПЧ, так как последние поддерживают номинальную нагрузку в диапазоне (0-fc/2)Гц. Однако недостатком ПЧ со звеном постоянного тока является наличие выпрямителя и инвертора, за счет чего имеет место двойное преобразование энергии, которое приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) системы на его основе. НПЧ в свою очередь отличается простотой конструкции, что позволяет системе на его основе иметь КПД выше чем у системы на основе ПЧ со звеном постоянного тока. Из вышесказанного следует, что актуальным является разработка методов и способов, которые позволят заменить систему ПЧ-АД на системы НПЧ-АД.

Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка системы питания АД, которая состоит из статического электромагнитного преобразователя (СЭМП) и НПЧ. Данная система в перспективе позволит заменить системы с использованием ПЧ со звеном постоянного тока и расширить диапазон выходных рабочих частот НПЧ.

Задачи, сформулированные для достижения поставленной цели:
1. Рассмотреть теоретические вопросы построения и диапазона использования НПЧ.
2. Разработать математическую модель питания АД от НПЧ.
3. Привести диаграммы работы математической модели при выходной частоте 25Гц.
4. Показать адекватность полученных результатов реальным характеристикам.
5. Рассмотреть вариант питания АД от матричного преобразователя частоты.
6. Разработать математическую модель ключа, которая в дальнейшем позволит создать
математическую модель матричного ПЧ для исследования в реальных режимах работы.

Научная новизна и практическая ценность
Предложенная система питания АД имеет преимущества по сравнению с используемыми ныне. Конструкция системы СЭМП-НПЧ отличается простотой по сравнению с преобразователями частоты со звеном постоянного тока, а диапазон выходных частот предлагаемой системы больше, чем у применяемой.

Краткое содержание работы
Цель работы – разработка модели системы управления непосредственного преобразователя частоты (СУ) в пакете Matlab (Simulink). В основе работы СУ лежит принцип вертикального управления – сравнение управляющего и опорного сигналов. Управляющий сигнал несет информацию о форме выходного сигнала (частота, амплитуда), опорный сигнал несет информацию о форме напряжений питания (для трехфазной сети имеем шесть опорных сигналов). Модель непосредственного преобразователя частоты с соответствующей системой управления изображена на рис.3 и содержит два основных блока. Первый блок выполнен в приложении Simulink и формирует импульсы управления вентильных комплектов. Второй блок реализован в приложении Power System Blokset (далее PSB), относится к моделированию процессов, происходящих в нагрузке непосредственного преобразователя частоты. Для перехода от сигналов Simulink к сигналам PSB используется блок Controlled Voltage Source, к которому и подключена RL-нагрузка.

Рисунок 3 – Модель системы СЭМП-НПЧ-АД

Осциллограммы, представляющие собой результаты моделирования, получены при выходной частоте преобразователя 25Гц и при использовании закона управления U/f=const.

Рисунок 4 – Скорость при холостом ходе

Рисунок 5 – Момент при холостом ходе

Рисунок 6 – Зависимость скорости от момента

Для подтверждения возможности использования разработанной модели для исследования в системе НПЧ-АД, необходимо проверить ее работоспособность на частоте ниже 50Гц. Для этого были сняты осциллограммы характеристик двигателя при работе на частоте 25Гц.
Полученные результаты показывают, что представленная математическая модель может быть использована для дальнейшего исследования системы НПЧ-АД.

МАТРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Как уже говорилось выше, основным недостатком НПЧ является невозможность их работы в диапазоне верхних выходных частот, что в свою очередь ограничивает область их применения.
Однако на данный момент появились непосредственные преобразователи, которые могут работать во всем диапазоне выходных частот. Такие преобразователи называются матричными.

Рисунок 7* – Схема матричного преобразователя частоты

Данный преобразователь представляет собой комплект полностью управляемых ключей, которые подключают в определенной последовательности фазы двигателя к фазам сети.
Преимущество данного типа НПЧ перед обычным не только в увеличении диапазона выходных частот, но и в уменьшении габаритов.
Недостатком же является довольно сложная конструкция управляемых ключей (Т1-Т6 на рис.8 ).

Рисунок 8 – Схема матричного преобразователя частоты

Есть несколько вариантов схем построения управляемых ключей, но в данной работе рассматривается вариант из рис.8.
Управляемый ключ представляет собой диодный мост, в диагональ которого включен транзистор. При отпирании транзистора по необходимому закону в нагрузке начинает протекать ток по форме близкий к синусоидальному.
На данном этапе исследования разработана модель такого ключа в пакете MatLab 6.5.