Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Принципи реалізації активного випрямляча струму (АВС)
- 1.1 Алгоритм роботи АВС
- 1.2 Моделювання АВС
- 2. Автономний інвертор струму (АІС) в режимі джерела синусоїдальної напруги
- 2.1 Принцип керування АІС в режимі джерела синусоїдальної напруги
- 2.2 Моделювання процесів АІС
- Висновки
- Перелік джерел
Вступ
В даний час підвищений інтерес викликають асинхронні електропривода (АЕП), виконані на основі автономного інвертора струму (АІС) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Це пов'язано з істотними перевагами даного типу АЕП, основними з яких є: по-перше, - технічна простота реалізації режиму рекуперації енергії в живильну мережу, по-друге, - формування статорних напруг з малою амплітудою перепаду і зменшеною крутизною фронтів (в порівнянні з широко поширеними АЕП на основі автономного інвертора напруги з ШІМ).
Обґрунтування теми магістерської роботи: Питання ресурсо та енергозбереження безпосередньо пов'язані з впровадженням частотного управління для високовольтного ЕП певної потужності. В цьому плані актуальним є удосконалення показників електроприводів з перетворювачами частоти.
Основні питання, які підлягають вирішенню в роботі:
1. Принципи реалізації активного випрямляча струму (АВС)
На даний момент до напівпровідникових перетворювачів частоти (ПЧ) пред'являються досить жорсткі вимоги щодо якості вхідного струму, який споживається з мережі змінного струму [1]. Стосовно ПЧ на базі автономного інвертора напруги ці вимоги можуть бути задоволені при використанні активного випрямляча напруги, який забезпечує формування практично синусоїдального струму з використанням ШІМ. У разі використання в схемі ПЧ автономного інвертора струму (АІС) виникає та ж проблема з формуванням вхідного струму. Її вирішення можливе при використанні активного випрямляча струму (АВС) [2].
Обґрунтування теми магістерської роботи: Питання ресурсо та енергозбереження безпосередньо пов'язані з впровадженням частотного управління для високовольтного ЕП певної потужності. В цьому плані актуальним є удосконалення показників електроприводів з перетворювачами частоти.
Основні питання, які підлягають вирішенню в роботі:
1.1 Алгоритм роботи АВС
Схема АВС включає до себе узгоджувальний трансформатор (при необхідності), трифазний міст на IGВT зі згладжувальним дроселем в ланці постійного струму і вхідний LC – фільтр.
Для формування вхідного струму АВС використовуються три релейних регулятора для кожної з вхідних фаз АВС. Задається відхилення δ вхідного струму фази АВС іф відносно заданого значення iзад. Так для позитивної напівхвилі, якщо iф < ізад + δ, то формується сигнал Р = 1 на вмикання ключа, що забезпечує протікання у вхідній фазі АВС струму позитивної полярності, в іншому випадку Р = 0. Для негативної напівхвилі аналогічним чином формується сигнал N на вмикання ключа, що забезпечує протікання у вхідній фазі АВС струму негативної полярності.
Алгоритм роботи АВС передбачає відпирання двох ключів в різних плечах моста (навантаження підключається до джерела). Коли навантаження відключається від джерела, відкриваються обидва ключа в одному з плечей моста для замикання струму вихідного кола. Робота схеми здійснюється у відповідності з сигналами тактового генератора, який формує дві послідовності (пряма – n інверсна – m) з частотою модуляції ƒм = 1 / Tм. Тривалість тактового імпульсу (такту роботи) відповідає половині періоду модуляції і визначає зону роботи релейного регулятора. Період вихідної напруги розбивається на шість інтервалів роботи. На кожному з інтервалів струми двох фаз мають однакову полярність (наприклад, a та c), струм третьої фази (наприклад, в) має протилежну полярність. Тоді на такті n відмикаються ключі в фазах a й в, на такті m відмикаються ключі в фазах c та в. При цьому ключ фази в відкритий протягом всього інтервалу роботи, при замиканні ключів в фазах а і с відмикається другий ключ фази в, чим досягається замикання струму навантаження.
1.2 Моделювання АВС
Моделювання схеми АВС здійснювалося з використанням програмного пакета MATLAB. Структурна схема моделі приведена на рис.1. Модель містить у собі трифазний міст на IGBT з системою керування SU, вхідне коло (Input link).
Рисунок 1 – Осцилограми роботи АВС
Вихідне коло утворюють згладжуючий дроссель Ld, активне навантаження і джерело ЕРС (Ed).Вхідне коло містить трифазне джерело змінного струму і вхідний згладжуваюльний LC фільтр. Задаються амплітуда вхідного струму Im, задане відхилення δ (delta). Розглядалися два режими роботи АВС: випрямний з передачею енергії в коло випрямленого струму (навантаження активне і Ed = 0) і інверторний при зворотному напрямку передачі енергії (Ed > 0). Зміна фази вхідного струму АВС здійснюється за входом G (Regim = 1 при φ= 0 и Regim = - 1 при φ = π).
Осцилограми напруги фази мережі uA, струму фази мережі iФА, струму фази АВС до вхідного фільтра і¹ФА, випрямленого струму іd наведені на рис.2. При цьому коефіцієнт гармонік вхідного струму iФA з урахуванням гармонік до 37-ї склав 5.26%.
Рисунок 2 – Осцилограми роботи АВС
У високовольтних ПЧ у схемі АВС використовується послідовне з'єднання ключів. У роботі запропоновано використовувати послідовне з'єднання декількох АВС при живленні їх від ізольованих вторинних обмоток вхідного трансформатора. Це виключає питання вирівнювання напруги ключів і дозволяє вирішити питання поліпшення гармонійного складу струму на вході трансформатора без збільшення частоти перемикання ключів АВС
2. Автономний інвертор струму (АІС) в режимі джерела синусоїдальної напруги
Регульований електропривод є невід'ємним елементом системи енергозбереження. Значною мірою це стосується електроприводу змінного струму великої потужності, де використовуються високовольтні асинхронні двигуни. При цьому на перший план виходять питання якості перетворення енергії і до перетворювача частоти (ПЧ) пред'являються підвищені вимоги [1]. Для високовольтного електропривода змінного струму «класичним» рішенням стало використання каскадних багаторівневих перетворювачів частоти (БПЧ) типу «Perfect Harmony», схема яких досить складна і при напрузі 6 кВ містить 6 однофазних автономних інверторів напруги на вихідну фазу. Вхідні кола містять 18 випрямлячів з ємнісними фільтрами, які отримують живлення від трансформатора з 18 комплектами вторинних обмоток
Більш просте і перспективне рішення в плані отримання вихідної синусоїдальної напруги можливо на базі автономного інвертора струму (АІС) з вихідним ємнісним фільтром при використанні ШІМ [1 – 4]. Тим більше що форма напруги близька до синусоїдальної забезпечується у всьому діапазоні регулювання вихідної частоти. Відомі рішення високовольтних ПЧ (ВПЛ) на базі АІС [1], які досить успішно конкурують з БПЧ, наприклад, Power Flex 7000 (фірма «Rockwell Аutomation»).
Структура силових кіл ПЧ на базі АІС у поєднанні з активним випрямлячем струму істотно простіше, ніж у БПЧ. Схема АІС виконана на замикаючихся по колу керування тиристорах з великими втратами на перемикання. Це обмежує можливості формування вихідного струму АІС. Для зниження кількості перемикань використовується виборча ШІМ [1] з придушенням вищих гармонік (5-й, 7-й, 11-й) при семи імпульсах в на півхвилі вихідного струму АІС. При цьому за даними [1] коефіцієнт гармонік (THD) вихідного струму АІС завищений і складає близько 5%. Дещо кращі показники для вихідного струму і напруги АІС отримані в [3, 4] при використанні релейного регулятора для формування струму навантаження.
Відомі рішення стосовно АІС [1 – 4] орієнтовані на формування струму. Разом з тим, питання використання АІС як джерела синусоїдальної напруги на даний момент вивчено недостатньо. Проблема спрощення силових кіл ВПЛ при відповідності показників якості вихідної напруги та вхідного струму стандартам [5] на даний час залишається актуальною. Її рішення буде сприяти розширенню галузей застосування ВПЧ. Разом з тим, перспективним є використання ПЧ на базі АІС і в низьковольтному електроприводі, де вони цілком зможуть конкурувати з «класичним» рішенням на базі дворівневого інвертора з активним випрямлячем напруги.
Мета роботи. Розробка принципів використання автономного інвертора струму в режимі джерела синусоїдальної напруги.
Завдання досліджень:
2.1 Принцип керування АІС в режимі джерела синусоїдальної напруги
Схема трифазного мостового автономного інвертора струму (АІС) на замикаючихся по колу керування ключах (рис.3) містить вихідний ємнісний фільтр вищих гармонік, який також забезпечує комутацію струму навантаження при замиканні ключів АІС. Незалежно від використовуваного алгоритму АІС формує на виході струм іи імпульсної форми, який є сумою струмів конденсатора іс і навантаження iн (iи=iс+iн). Форма вихідної напруги АІС при цьому близька до синусоїдальної. При пульсуючому вихідному струмі АІС ємнісний фільтр істотно змінює його режим роботи, що ускладнює завдання отримання синусоїдального струму навантаження.
Рисунок 3 – Структура силових кіл АІС
Запропоновано принцип керування АІС в режимі джерела синусоїдальної вихідної напруги. При цьому використовуються три релейних регулятора напруги для кожної з вихідних фаз АІС, для яких задається допустиме відхилення δ вихідної фазної напруги Uф відносно заданого значення Uзад = U1m sin ωt.
Так для позитивної на півхвилі Uф, якщо Uф < Uзад + δ, то формується сигнал P = 1 на включення ключа, що забезпечує протікання у вихідній фазі АІС струму позитивної полярності, в іншому випадку P = 0. Для негативної напівхвилі Uф аналогічним чином формується сигнал N на включення ключа, що забезпечує протікання у вихідний фазі АІС струму негативної полярності.
Рисунок 4 –Векторная діаграма для вихідної фази АІС
Формування імпульсів керування ключами АІС здійснюється відповідно до першої гармоніки струму iи (рис.4), та, яка відстає на кут β від напруги Uф. Вихідна напруга при цьому є базовою величиною, щодо якої визначаються струми схеми АІС. При цьому необхідно враховувати такі особливості використання схеми АІС для комутації струму джерела Id:
Принцип формування вихідної напруги АІС ілюструє рис.5, де період вихідної напруги розбитий на шість інтервалів (τ1 – τ6). На інтервалі τ1 струми у вихідних фазах а і с є позитивними і формуються при відмиканні ключів К1 та К5 відповідними релейними регуляторами (Ра та Рс). Струм в фазі в при цьому негативний і протікає через постійно відкритий ключ К4. При замиканні ключів К1 і К5 відмикається ключ К3 в фазе в, забезпечуючи протікання струму джерела через ключі К3 та К4.
Рисунок 5 – Принцип формування вихідної напруги АІС
Напруження керування ключами формується відповідно до рівнянь:
Значення змінних, які приймають одиничне значення τi = 1 на відповідних інтервалах (τ1 – τ6) визначаються з урахуванням кута зрушення фаз β вихідного струму АІС щодо напруги завдання. Значення кута β в векторної системі може бути розраховане за складовими струму Isy та Isx. Слід зазначити, що даний алгоритм передбачає мінімальну кількість перемикань ключів, оскільки протягом 1/6 періоду вихідні частоти перемикання відсутні і відповідний ключ АІС відкритий постійно.
Значення струму Id на вході АІС задається виходячи з наступних міркувань. Мінімальне значення, при якому досягається відпрацювання заданого значення вихідної напруги АІС визначається першою гармонікою вихідного струму Idмин = Iиm(1). Це відповідає коефіцієнту модуляції по амплітуді μ = 1 і мінімальної кількості перемикань ключів АІС. При цьому напруга на вході АІС Ud максимальна, її значення можна визначити виходячи з рівності активної потужності на вході і виході АІС (втратами в схемі АІС нехтуємо).
Якщо на вході АІС в якості джерела струму використовується випрямляч на трифазній мостовій схемі, максимальне значення Ud = 2.34Uфс (Uфс – фазна напруга мережі змінного струму). Таким чином, реалізація перетворювача частоти на базі АІС можлива при прямому підключенні до мережі без трансформатора і є можливість деякого збільшення напруги АІС, наприклад, при збільшенні частоти вихідної напруги понад 50 Гц.
При збільшенні значення Id > Idмин коефіцієнт модуляції μ зменшується при незмінному значенні Iиm(1). Таким чином, система адаптивна за завданням і не вимагає точного розрахунку значення струму Id, як це здійснюється у відомих системах з роботою в режимі джерела струму. Це ж можна відзначити й по відношенню до значення кута β – система зберігає працездатність, хіба що при деякому погіршенні форми напруги. Разом з тим, при зниженні μ частота перемикання ключів ƒм зростає, що призводить до збільшення втрат енергії в них.
Частота перемикання ключів АІС також визначається заданим значенням відхилення δ і росте при її зменшенні. І тут потрібен розумний компроміс між якістю вихідної напруги (досягається при зменшенн δ), вибором значення Id і частоти перемикання ключів. При зниженні амплітуди вихідної напруги напруга Ud на вході АІС пропорційно знижується – втрати перемикання в ключах зменшуються, і значення відхилення β можна знижувати..
Швидкість зміни вихідної напруги АІС визначається ємністю конденсатора вихідного фільтра. Природним є бажання її зменшити, але це знову ж приводить до збільшення частоти перемикання ключів АІС.
Стосовно ВПЧ при використанні високовольтних ключів частота ƒм повинна бути мінімальною, для низьковольтних ключів з малими втратами перемикання обмеження по частоті не є визначальними.
2.2 Моделювання процесів АІС
Моделювання виконано при використанні програмного пакета MATLAB. Розроблено математичну модель, яка включає в себе (рис.6): трифазний міст на IGBT, ідеальне джерело струму з входом завдання Id, активно-індуктивне навантаження (Load), вихідний ємкісний фільтр (filtr), систему керування (SU), Задаються частота (ƒ) і амплітуда вихідної напруги (Um), задане відхилення δ (delta), кут β(faza).
В процесі досліджень розглядалося відпрацювання АІС вихідної напруги при різних значеннях параметрів схеми та налаштування релейного регулятора напруги. У табл. 1 наведені показники роботи схеми АІС при RL – навантаженні з Zн = 10 ОМ, cos π = 0.8, ємності фільтра С = 90 мкФ 47% від значення ємності фільтра необхідної для компенсації реактивної потужності навантаження при частоті 50 Гц) і різних значеннях струму Id на вході при частоті вихідної напруги 50 Гц. При частоті вихідної напруги ƒвых=50 Гц значення кута β = 21.5° (задавалося значення β = π/8=22.5°). Задане значення Um = 1250 В, δ = 40 В. Значення Idмин = 106 А. Коефіцієнт гармонік (THD) визначався при обліку гармонік з порядком до 40. Для порівняння в [4] досягається коефіцієнт гармонік струму THDi=1.56%.
Рисунок 6 – Модель для дослідження АІС
Таблица 1 – Результати моделювання
Осцилограми вихідної напруги АІС (UФ), напруги завдання ключа К1, вихідного струму фази інвертора іи і струму фази навантаження ін при ƒвых = 50 Гц наведено на рис.7.
Рисунок 7 – Осцилограми вихідної напруги, напруги завдання ключа К1 і струмів АІС
Запропонований принцип управління забезпечує роботу АІС в режимі джерела синусоїдальної напруги. При цьому гармонійний склад вихідної напруги АІС відповідає стандартам [5] у всьому діапазоні регулювання вихідної напруги і частоти.
Висновки
Розглянуто принципи реалізації активного випрямляча струму з використанням релейних регуляторів вхідного струму. Представлена модель і результати моделювання схеми активного випрямляча струму в програмному пакеті MATLAB.
Розглянуто принципи реалізації автономного інвертування струму в режимі джерела синусоїдальної напруги з використанням принципів релейного регулювання. Представлені схема моделі і результати моделювання схеми інвертора в програмному пакеті MATLAB.
Предметом подальших досліджень є розробка структури системи автоматичного регулювання стосовно асинхронного електроприводу
Важливе зауваження
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена.
Остаточне завершення: грудень 2012 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Перелік джерел
- IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. –USA.; IEEE Standard, Jun. 1992. 519с.
- Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковым преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер / / – Екатеринабург: УРО РАН. – 2000. – 654 с.
- Лазарев Г. Преобразователи для частотно-регулируемого электропривода / Г.Лазарев //Силовая Электроника. – 2008. – №8(132). – С.14 –23.
- Волков А.В. Асинхронный электропривод на основе автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией/А.В.Волков, А.И. Косенко// Техн. електродинаміка. – Київ: ІЕД НАНУ. – 2008. – Тематичний. вип., Ч.1. – С.81–86.
- Волков А.В. Исследование энергетических показателей асинхронного электропривода на основе автономного инвертора тока/ А.В.Волков, А.И. Косенко// Електротехнічні та комп’ютерні системи. – К: “Техніка”. – 2011. – №(03) 79. – С. 40 –41.
- ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
- Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М. Наливайко; за загальною ред. канд. техн. наук, доц. О.О. Шавьолкіна. – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 328с.
- Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебное пособие/ Г.Г. Соколовский под общей ред. Г.Г. Соколовского – Москва: Академия – 2006. – 265 с.
- Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие/ А.А. Усольцев под общей ред. А.А. Усольцева – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО – 2006. – 94 с.
- Пивняк Г.Г., Волков А.В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.
- S.K. Mondal, J.O.P Pinto, B.K. Bose, “A Neural-Network-Based Space Vector PWM Controller for a Three-Level Voltage-Fed Inverter Induction Motor Drive”, IEEE Trans. on I.A., Vol. 38, no. 3, May/June 2002, pp.660 –669.
- S.K. Mondal, B.K. Bose, V. Oleschuk and J.O.P Pinto,“Space Vector Pulse Width Modulation of Three-Level Inverter Extending Operation Into Overmodulation Region”, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, no. 2, March 2003, pp.604–611.
- Zhou K., Wang D., Relationship Between Space-Vector Modulation and Three Phase Carrier-Based PWM: A Comprehensive Analysis, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 1, February 2002, page 186–196.