МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ, ПОСТРОЕННОМ НА ОСНОВЕ 4 Q – S ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Заболотный А. П., Немыкина О. В.
Запорожский национальный технический университет

Источник: Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». – Харків: НТУ «ХПІ», 2008, № 30. – С. 232


    Несмотря на ряд достоинств частотно-регулируемых асинхронных электроприводов построенных на базе трехфазного 4 Q - S преобразователя таких как, обеспечение работы асинхронной машины в 4 - квадрантах ме-ханической характеристики, рекуперация электрической энергии в питающую сеть, улучшенные динамические свойства электропривода, стабилизация напряжения в звене постоянного тока при изменении величины переда-ваемой мощности и повышение коэффициента мощности (за счет отказа от выпрямителя с фазовым управлени-ем), они имеют ряд недостатков, основным из которых является генерация в питающую сеть высших гармонических составляющих тока при значительном диапазоне регулирования.
    Применение таких частотно-регулируемых электроприводов, в частности, в портальных кранах позволят экономить 30 - 40% электроэнергии по сравнению с эксплуатацией асинхронных двигателей с фазным ротором и реостатно - контакторым управлением. Однако эмпирическим путем было выявлено то, что при поднятии и опускании груза при помощи такого электропривода коэффициент мощности изменяется в диапазоне от 0 -0,95, а его средне взвешенное значение будет составлять 0,5 - 0,6, что является довольно низким показателем. При этом, за счет генерации высших гармонических составляющих тока увеличиваются потери при пуске и торможении в 3 - 4 раза. Кроме того наблюдается перегрев электрооборудования, обуславливающий интенсивное старение изоляции, сбой в работе систем управления, искажение показаний счетчиков электроэнергии и ухудшение качества электроэнергии в питающей электрической сети. На эти факторы работы частотно-регулируемых приводов с осуществлением режима рекуперации энергии в питающую сеть укаывали многие авторы [1], однако численный анализ происходящих процессов энергообмена в системе «электропривод – сеть» в литературе отсутствует.
    В качестве объекта моделирования электромагнитных процессов в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе, построенном на базе трехфазного 4 Q - S преобразователя был взят привод портального крана «Сокол» с возможностью осуществления режима рекуперации энергии в питающую сеть. Трансформатор, питающий электропривод портального крана имеет следующие параметры: Sтр = 1600 кВА, U2ном = 380В, Uкз = 5.5%, tg(alfa) = 0.954. Емкость фильтра в звене постоянного тока: Сf = 20·103 мкФ.
    Для построения математической модели анализа электромагнитных процессов протекающих в электроприводе было использовано объектно-ориентированное программное обеспечение Matlab 2006 [2]. Используя математическую модель, были получены энергетические характеристики для двух режимов: выпрямительного (условно-положительные направления токов) и инверторного (условно-отрицательные) при из-меняемой нагрузке. Для повышения коэффициента мощности в питающей сети была проанализирована возможность включения входных LC - фильтров для 5 и 7 - гармоник [3].
    В результате произведённых расчетов были получены следующие зависимости от тока нагрузки: 1. зависимость постоянной составляющей напряжения в звене постоянного тока; 2. зависимость максимального значения входного тока; 3. зависимость амплитуды первой гармонической; 4. зависимость коэффициента искажения.
    Анализ полученных зависимостей показал, что при установке резонансных фильтров постоянная состав-ляющая становится более пологой, что приводит к устойчивой работе ключевых элементов. Зависимость максимального значения тока показывает уменьшение его значения при установке LC - фильтров как в выпрями-тельном режиме так и в инверторном, что благоприятно сказывается на работе как ключевых элементов, так и на электромагнитных процессах в звене постоянного тока. Анализ первой гармонической составляющей показывает, что двухсторонний энергообмен в системе «электропривод-сеть» при установке LC - фильтров происходит на основной гармонике, а обобщенным показателем эффективного энергообмена может служить коэффициент искажения. При установке LC - фильтров его значения увеличивается, что свидетельствует об эффективности энергообмена, путем уменьшения потерь в активных сопротивлениях в 1/(lambda)^2 раз.

Литература

  1. Волков И.В. Новая концепция построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электропри-водов. // Техн.електродинамiка. 1999. №4 С. 21 - 26.
  2. Андриенко П.Д., Немыкина О.В. Анализ электромагнитных процессов выпрямительно-инверторного преоб-разователя на математической модели //Техн. електродинамiка Тем. вип. Силова електроника та енергоефек-тивність Ч.1 2004.- С. 122 - 125.
  3. Андриенко П.Д., Заболотный А.П., Немыкина О.В. Влияние входного LC - фильтров 4 Q - S преобразовате-ля на процессы энергообмена в системе «Электропривод - Сеть», Сборник научных трудов ДГТУ. Тем. вып. «Проблемы автоматизированного электропривода» /Днепродзержинск: ДГТУ, 2007. – С. 530 - 531.