В даний час силова електроніка досягла значних успіхів. Це призвело до неухильного зниження частки систем електроприводів з двигуном постійного струму і до збільшення частки приводів змінного струму. За прогнозами фахівців частка приводів постійного струму скоротиться до 10% від загального числа приводів. Це пов'язано з низькою надійністю механічного колектора і більш високою вартістю колектора двигуна постійного струму, в порівнянні з двигуном змінного струму. В даний час частотно-регульовані електроприводу з ПЧ з ланкою постійного струму і АД з к.з. ротором, при масовому застосуванні (насоси, вентилятори, конвеєри і т.д.) вимагають відносно невеликого діапазону регулювання швидкості (1:10, 1:20) і порівняно низького швидкодії. При цьому доцільно використовувати класичну структуру скалярного керування. У приводах верстатів, роботів, транспортувальних коштів, використовуються більш складні структури векторного керування. Частка таких приводів становить 5% від загального числа і постійно зростає.
Однак недоліком ПЧ з ланкою постійного струму є наявність випрямляча і інвертора, за рахунок чого має місце подвійне перетворення енергії, що призводить до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) системи на його основі. НПЧ у свою чергу відрізняється простотою конструкції, що дозволяє системі на його основі мати ККД вище ніж у системи на основі ПЧ з ланкою постійного струму [2].
Побудова якісних задовольняють сучасним вимогам систем ЕП з частотними перетвореннями представляє складну електротехнічну завдання. Універсальним і ефективним інструментом для вирішення, є математична модель, тому тема моєї роботи є актуальною.
Використовуючи математичні моделі різних перетворювачів частоти на основі пакету MatLab провести порівняльний аналіз перехідних процесів режимів АД при живленні від різних ПЧ.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
1. Розглянути різні силові схеми ПЧ з ланкою постійного струму.
2. Провести моделювання перехідних режимів в АД при живленні від різних ПЧ
3. Провести порівняльний аналіз отриманих результатів при АД від НПЧ і ПЧ з ланкою постійного струму
4. Розглянути теоретичні питання побудови і діапазону використання НПЧ.
5. Розробити математичну модель харчування АД від НПЧ
6. Розглянути варіант харчування АД від матричного перетворювача частоти
Теоретичні результати роботи будуть використані при читанні курсу «Елементи автоматизованого електропривода». Математичні моделі, представлені в роботі з'являться основою для створення циклу лабораторних робіт з дослідження силових схем ПЧ [5].
Робота складається з: вступу, 3 розділів, висновків і переліків використовуваних джерел. У вступі обгрунтовується актуальність розв'язуваної проблеми, формується мета головні напрями дослідження, а також результати, що виносяться на захист.
Проведено аналіз етапів створення ПЧ з ланкою постійного струму
Перший етап характеризується освоєнням серійного виробництва і промислового використання, найбільш простих ПЧ, виконаних за схемою «керований тиристорний випрямляч - LC фільтр - автономний тиристорний інвертор напруги з штучної комутацією». Перші моделі мали однокомплектний керований випрямляч, що не дозволяло рекуперірованная енергію в мережу в гальмівних режимах двигуна. Подальша модифікація ПЧ передбачала застосування двухкомплектного керованого випрямляча для реалізації режиму рекуперації. Застосовувалися більш досконалі схеми примусової комутації автономного інвертора, що реалізує режим 180 0 управління з поліпшеною формою вихідної напруги. Поряд з ПЧ на базі інвертором напруги розвивалися ПЧ з інверторами струму. Істотною перевагою таких перетворювачів, є можливість отримання режиму рекуперації за допомогою однокомплектного керованого випрямляча [8].
Основний недолік таких перетворювачів є несинусоїдальність вихідного струму і нерівномірність обертання двигуна при малих частотах, що обмежує діапазон регулювання швидкості, обмеження швидкодії, пов'язане з наявністю силового фільтра в каналі амплітудного регулювання величини вихідної напруги. Несинусоїдальність струму, споживаного з мережі і низький «мережевий» коефіцієнт потужності, що обумовлено властивостями керованого випрямляча з природною комутацією і фазовим керуванням
Рисунок 1
Другий етап характеризується розробкою нових двухзвенних напівпровідникових перетворювачів, виконаних за схемою «некерований випрямляч - LC фільтр - тиристорний або транзисторний автономний інвертор з широтно-імпульсною модуляцією вихідної напруги» (ріс.3.2.)
Система керування містить трифазний провідний генератор ВГ гармонійних коливань і високочастотний генератор пилоподібного розгортається напруги ДПН. Частота і амплітуда ВГ задається напругами з потенціометра або з СУ ЕП. Кожне гармонійне напруга ВГ підсумовується з розгортають напругою ДПН і подається на нуль-орган АЛЕ. Знакозмінні напруження, що виходять на виході нуль-органів, керують силовими вентилями, зазвичай транзисторами, через УМ. Вихідна напруга повторює двухполярной напруга нуль-органу, але має більшу величину і потужність. Передній фронт повинен затримуватися.
Рисунок 2
Тут за рахунок ускладнення алгоритму перемикання силових ключів на інвертор покладено завдання регулювання не тільки частоти, але й амплітуди основної гармоніки напруги на виході перетворювача при постійній напрузі в ланці постійного струму. Перехід від амплітудно-імпульсного до широтно-імпульсного способу формування і регулювання вихідної напруги істотно змінив властивості ПЧ. Це полягає в наступному.
Суттєво наблизилася до синусоїдальної форма вихідного струму і відповідно покращилася рівномірність обертання двигуна, розширився діапазон регулювання швидкості.
Значно підвищилася швидкодія електроприводу, тому що силовий фільтр на виході нерегульованого випрямляча виявляється фактично виключеним з каналів регулювання параметрів вихідної напруги перетворювача.
Істотно покращився коефіцієнт потужності перетворювача як споживача енергії.
Однак до недоліків таких перетворювачів є недостатня опрацювання деяких питань енергозбереження, якості електроспоживання та електромагнітної сумісності перетворювачів [3].
Третій етап характеризується вирішенням цих недоліків на базі використання, в ланці постійного струму випрямлячів з примусовою комутацією, що одержали назву активних випрямлячів. У силового ланцюга таких перетворювачів послідовно включені активний випрямляч напруги «АВН», фільтр Ф і автономний інвертор напруги АІН. Силові напівпровідникові перемикаючі елементи випрямляча і інвертора, що володіють повною керованістю і двосторонньої провідністю струму, умовно показано у вигляді ключів. Випрямляч виконаний за трифазної мостової схемою, перетворює напругу живильної мережі змінного струму в стабілізовану напругу постійного струму U d на конденсаторі фільтру. Трифазний мостовий АІН працює в режимі широтно-імпульсної модуляції «ШІМ» і перетворює це постійне напруження в змінну напругу на виході з необхідними значеннями частоти та амплітуди основної гармоніки. Це забезпечує сприятливу форму струму двигуна та рівномірність його обертання в широкому діапазоні швидкостей.
Активний випрямляч по суті являє собою звернений АІН, також працює в режимі ШІМ.
Як комутатор струму активний випрямляч перетворює споживаний з мережі змінний, близьке до синусоїдальний, струм у пульсуючий вихідний струм, що містить змінну та постійну складові. Змінна складова замикається через буферний конденсатор, який обмежує пульсації напруги U d в ланці постійного струму від змінної складової вихідного струму АВН. Зауважимо, що даний конденсатор виконує ту ж роль і по відношенню до змінної складової струму, споживаного автономним інвертором двухзвенного перетворювача. Постійна складова вихідного струму АВН підживлює буферний конденсатор, компенсуючи витрати постійного струму, віддається у вхідні ланцюг АІН.
Як перетворювач енергії постійного струму в енергію змінного струму автономний інвертор володіє надзвичайно цінним властивістю - можливістю двостороннього енергетичного обміну між мережами постійного і змінного струму. Ця властивість зберігається і в інверсної схемі включення автономного інвертора в якості активного випрямляча. У результаті ПЧ з активним випрямлячем забезпечує двосторонній енергетичний обмін між мережею живлення і двигуном, у тому числі режими рекуперації енергії в живильну мережу.
На підставі проведеного аналізу, складені математичні моделі АД з КЗ при живленні від різних джерел живлення (мережа, ідеальний ПЧ, ПЧ з ШІМ). Одна з таких математичних моделей показана на малюнку.
Рисунок 3. Модель ПЧ з ШІМ в пакеті MatLab.
Отримані результати моделювання дали можливість порівняти перехідні процеси в АТ і дати їм оцінку.
Проведено аналіз існуючих схем НПЧ і дана їм оцінка. Отриманий результат показав, що швидкодіючий електропривод з НПЧ можливо тільки при використанні повністю керованих напівпровідникових ключів, що виконано у створенні матричного перетворювача частоти.
Рисунок 4*. Схема матричного перетворювача частоти.
* – рисунок анімований (6 кадрів; 4 циклів повторення; зроблена в Gif Animator; 150 Кб)
* – для просмотра анімаціі с самого початку необхiдно обновити сторінку
Були розроблені математичні моделі АД з КЗ ротором з матричним перетворювачем частоти і отримані діаграми перехідних режимів. На малюнках показані: математична модель матричного ПЧ і результати моделювання.
Рисунок 5 - Модель фази матричного ПЧ
Рисунок 6 - Крива вихідної напруги ПЧ для f o = 100 Гц
Розроблені математичні моделі будуть використані в лабораторному практикумі з курсів: «Електроніка» і «Елементи автоматизованого електропривода».
Отримані результати моделювання ПЧ з ланкою постійного струму, показали, що при використанні ПЧ з ШІМ на IGBT транзисторах у формі струму з'являється значна амплітуда 3й гармоніки в порівнянні з 2х рівневим ПЧ з ШІМ.
Дослідження показало НПЧ їхньої можливості як джерела енергії для двигуна змінного струму.
Теоретично питання, розглянуті в роботі, будуть використані при читанні курсів: «Електроніка» і «Елементи автоматизованого електропривода».
На даний момент реферат ще не закінчений, результати досліджень і сам реферат будуть закінчені в грудні.
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
Беспалов В.Я. , 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.