Безелев Борис Олегович

Факультет: Элетротехнический

Кафедра: Электропривод и автоматизация промышленных установок

Специальность: Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Тема выпускной работы:

Исследование и сравнительный анализ преобразователей частоты

Научный руководитель: Шумяцкий Валерий Матвеевич

Реферат по теме выпускной работы

Актуальность

     В настоящее время силовая электроника достигла значительных успехов. Это привело к неуклонному снижению доли систем электроприводов с двигателем постоянного тока и к увеличению доли приводов переменного тока. По прогнозам специалистов доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллектора двигателя постоянного тока , по сравнению с двигателем переменного тока. В настоящее время частотно-регулируемые  электропривода с ПЧ со звеном постоянного тока и АД с к.з. ротором , при массовом применении ( насосы, вентиляторы, конвейеры и т.д.) требуют относительно небольшого диапазона регулирования скорости (1:10, 1:20) и сравнительно низкого быстродействия. При этом целесообразно использовать классическую структуру скалярного управления.
      В приводах станков, роботов, транспортировочных средств, используются более сложные структуры векторного управления. Доля таких приводов составляет 5% от общего числа и постоянно растет.
      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    
       Построение качественных удовлетворяющих современным требованиям систем ЭП с частотными преобразованиями представляет сложную электротехническую задачу. Универсальным и эффективным инструментом для решения , является математическая модель, поэтому тема моей работы является актуальной [2].

Цели
  
     Используя математические модели различных преобразователей частоты на основе пакета  MatLab провести сравнительный анализ переходных процессов режимов АД при питании от различных ПЧ.

Задачи
      
    Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Рассмотреть различные силовые схемы ПЧ со звеном постоянного тока.
• Провести моделирование переходных режимов в АД при питании от различных ПЧ
• Провести сравнительный анализ полученных результатов при АД от НПЧ и ПЧ со звеном постоянного тока
• Рассмотреть теоретические вопросы построения и диапазона использования НПЧ.
• Разработать математическую модель питания  АД от НПЧ
• Рассмотреть вариант питания АД от матричного преобразователя частоты

Новизна и практическая ценность

      Теоретические результаты работы будут использованы при чтении курса «Элементы автоматизированного электропривода». Математические модели, представленные в работе явятся основой для создания цикла лабораторных работ по исследованию силовых схем ПЧ [5].

Структура и объем работы

     Работа состоит из: вступления, 3 разделов, выводов и перечней используемых источников. Во  вступлении обосновывается актуальность решаемой проблемы, формируется цель главные направления исследования, а также результаты, выносимые на защиту.

I. Раздел

     Проведен анализ этапов создания ПЧ со звеном постоянного тока
Первый этап  характеризуется освоением серийного производства и промышленного использования, наиболее простых ПЧ, выполненных по схеме «управляемый тиристорный выпрямитель – LC фильтр – автономный тиристорный    инвертор напряжения с искусственной коммутацией».
 Первые модели имели однокомплектный управляемый выпрямитель, что не позволяло рекуперировать энергию в сеть в тормозных режимах двигателя. Последующая модификация ПЧ предусматривала применение    двухкомплектного управляемого выпрямителя для реализации режима рекуперации. Применялись более совершенные схемы принудительной коммутации автономного инвертора, реализующей режим 1800 управления с улучшенной формой выходного напряжения.                          
     Наряду с ПЧ на базе инвертором напряжения развивались ПЧ с инверторами тока. Существенным преимуществом таких преобразователей, является возможность получения режима рекуперации при помощи однокомплектного управляемого выпрямителя [8].
 Основной недостаток таких преобразователей является несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости, ограничения быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в канале амплитудного регулирования величины выходного напряжения. Несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий «сетевой» коэффициент мощности, что обусловлено свойствами управляемого выпрямителя с естественной коммутацией и фазовым управлением.                                                                                                                                                                                                                                       

 
 
   Рисунок 1

   Второй этап характеризуется разработкой новых двухзвенных полупроводниковых преобразователей, выполненных по схеме «неуправляемый выпрямитель – LC фильтр – тиристорный либо транзисторный автономный инвертор  с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения» (рис.3.2.)
 Система управления содержит трехфазный ведущий генератор ВГ гармонических колебаний и высокочастотный генератор пилообразного развертывающего напряжения ГПН. Частота и амплитуда ВГ задается напряжениями с потенциометра или из СУ ЭП. Каждое гармоническое напряжение ВГ суммируется с развертывающим напряжением ГПН и подается на нуль-орган НО. Знакопеременные напряжения, которые получаются на выходе нуль-органов, управляют силовыми вентилями, обычно транзисторами, через УМ. Выходное напряжение повторяет двухполярное напряжение нуль-органа, но имеет большую величину и мощность. Передний фронт должен задерживаться.

    Рисунок 2

 Здесь за счет усложнения алгоритма переключения силовых ключей на инвертор возложена задача регулирования не только частоты, но и амплитуды основной гармоники напряжения на выходе преобразователя при постоянном напряжении в звене постоянного тока. Переход от амплитудно-импульсного к широтно-импульсному способу формирования и регулирования выходного напряжения существенно изменил свойства ПЧ. Это заключается в следующем.

• Существенно приблизилась к синусоидальной форма выходного тока и соответственно улучшилась равномерность вращения двигателя, расширился диапазон регулирования скорости.
• Значительно повысилось быстродействие электропривода, т.к. силовой фильтр на выходе нерегулируемого выпрямителя оказывается фактически исключенным из каналов регулирования параметров выходного напряжения преобразователя.
• Существенно улучшился коэффициент мощности преобразователя как потребителя энергии.

 Однако к недостаткам таких преобразователей является недостаточная проработка некоторых вопросов энергосбережения, качества электропотребления и электромагнитной совместимости преобразователей.     

  Третий этап характеризуется решением этих недостатков на базе использования, в звене постоянного тока выпрямителей с принудительной коммутацией, получивших название активных выпрямителей. В силовой цепи таких преобразователей последовательно включены активный выпрямитель напряжения «АВН», фильтр Ф и автономный инвертор напряжения АИН. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей.  Выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции «ШИМ» и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.
 Активный выпрямитель по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ.
 Как коммутатор тока активный выпрямитель преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному, ток в пульсирующий выходной ток, содержащий переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая замыкается через буферный конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud в звене постоянного тока от переменной составляющей выходного тока АВН. Заметим, что данный конденсатор выполняет ту же роль и по отношению к переменной составляющей тока, потребляемого автономным инвертором двухзвенного преобразователя. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает буферный конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого во входную цепь АИН.
  Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает чрезвычайно ценным свойством – возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге ПЧ с активным выпрямителем  обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть

II. Раздел

      На основании проведенного анализа, составлены математические модели АД с КЗ  при питании от различных источников питания (сеть, идеальный ПЧ, ПЧ с ШИМ). Одна из таких математических моделей показана на рисунке.          

Рисунок 3  Модель ПЧ с ШИМ в пакете MatLab.

Полученные результаты моделирования дали возможность сравнить переходные процессы в АД и дать им оценку.

III. Раздел

Проведен анализ существующих схем НПЧ и дана им оценка. Полученный результат показал, что быстродействующий электропривод с НПЧ возможно только при использовании полностью управляемых полупроводниковых ключей, что выполнено в создании матричного преобразователя частоты.

Рисунок 4* – Схема матричного преобразователя частоты

       Были разработаны математические модели АД с КЗ ротором с матричным преобразователем частоты и получены диаграммы переходных режимов. На рисунках показаны: математическая модель матричного ПЧ и результаты моделирования.

Рисунок 5 – Модель фазы матричного ПЧ

Рисунок 6 – Кривая выходного напряжения ПЧ для fo=100 Гц

Выводы

• Разработанные математические модели будут использованы в лабораторном практикуме по курсам: «Электроника» и «Элементы автоматизированного электропривода».
• Полученные результаты моделирования ПЧ со звеном постоянного тока, показали, что при использовании ПЧ с ШИМ на IGBT  транзисторах в форме тока появляется  значительная амплитуда 3й гармоники по сравнению с 2х уровневым ПЧ с ШИМ.
• Исследования НПЧ показало их возможности как источника энергии для двигателя переменного тока.
• Теоретически вопросы, рассмотренные в работе, будут  использованы при чтении курсов: «Электроника» и «Элементы автоматизированного электропривода».

На данный момент реферат еще не закончен, результаты исследований и сам реферат будут закончены в декабре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руденко В.С.,Сенько В.И.«Преобразовательная техника». – Киев, «Вища школа», 1979г.

2. Бернштейн И.Я., «Преобразователи частоты без звена постоянного тока». – М. 1968г.

3. Забродин Ю.С., «Промышленная электроника». – М. Высш. школа, 1982. – 496с.

4. Дьяконов В.П. «MATLAB 5.0/5.3. Системы символьной математики», Москва, «Нолидж», 1999г.

5. Масандилов Л.Б., Анисимов В.А., Горнов А.О, Крикунчик Г.А., Москаленко В.В. «Опыт
разработки и примененя асинхронных электроприводов с тиристорнымми преобразователями напряжения», Электротехника №2, 2000г.

6. Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока –М.:Энергия, 1968,–88с.

7. Бизиков В.А., Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е. Управление непосредственными преобразователями частоты.

8.Электрические машины : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений
В.Я. Беспалов, Котеленец Н.Ф.– М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 320 с.

9.Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузо
в Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н.– 2-е изд., стер – М. : Издательский центр «Академия», 2004. – 576 с.

10.Инженеринг электроприводов и систем автоматизации : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений Белов М.П., Зементов О.И., Козярук А.Е.и др. ; под ред. Новикова В.А. ,Чернигова Л.М.. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 368 с.