ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы


При выполнении работы использовались материалы магистров:
Ханин А.В. Исследование систем управления асинхронным двигателем с несимметричным каскадным многоуровневым преобразователем частоты.
Писанюк В.В. Высоковольтный электропривод переменного тока с преобразователем частоты на базе инвертора тока.
Руководитель: д.т.н., проф. А.А. Шавёлкин.

Содержание

Введение

В настоящее время повышенный интерес вызывают асинхронные электропривода (АЭП), выполненные на основе автономного инвертора тока (АИТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Это связано с существенными достоинствами данного типа АЭП, основными из которых являются: во-первых, – техническая простота реализации режима рекуперации энергии в питающую сеть; во-вторых, – формирование статорных напряжений с малой амплитудой перепада и уменьшенной крутизной фронтов (по сравнению с широко распространенными АЭП на основе автономного инвертора напряжения с ШИМ).

Обоснование темы магистерской работы: Вопросы ресурсо и энергосбережения непосредственно связаны с внедрением частотного управления для высоковольтного ЭП определенной мощности. В этом плане актуальным есть усовершенствование показателей электроприводов с преобразователями частоты.

Основные вопросы, которые подлежат решению в работе:

  • Анализ существующих решений высоковольтных ЭП;
  • Исследование принципов реализации ПЧ на базе инвертора тока с ШИМ;
  • Разработка систем автоматического регулирования ЭП;
  • Моделирование процессов в системе ЭП.

    • 1. Принципы реализации активного выпрямителя тока (АВТ)

    На данный момент к полупроводниковым преобразователям частоты (ПЧ) предъявляются достаточно жесткие требования по качеству входного тока потребляемого из сети переменного тока [1]. Относительно ПЧ на базе автономного инвертора напряжения эти требования могут быть удовлетворены при использовании активного выпрямителя напряжения, который обеспечивает формирование практически синусоидального тока с использованием ШИМ. При использовании в схеме ПЧ автономного инвертора тока (АИТ) возникает та же проблема с формированием входного тока. Ее решение возможно при использовании активного выпрямителя тока (АВТ) с ШИМ.

    Цель работы. Разработать алгоритм реализации АВТ при использовании принципа регулирования входного тока с помощью ШИМ и при этом выполнить моделирование процессов в схеме АВТ.

    1.1 Алгоритм работы АВТ

    АВТ представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель (ТМВ) на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью (запираемые по цепи управления тиристоры на рис.1) и подключается к сети переменного тока через LC - фильтр (LВХ, CВХ). Дроссель в цепи нагрузки Ld задает режим работы источника тока.

    Рисунок 1 – Структурная схема АВТ.

    Рисунок 1 – Структурная схема АВТ

    Работает АВТ в режиме регулируемого источника постоянного тока с активным формированием тока, потребляемого от источника переменного напряжения. Он обеспечивает регулирование выходного напряжения ниже значения напряжения для неуправляемого ТМВ и функционирует при неизменном направлении выпрямленного тока, но допускает изменение полярности и регулирование выпрямленной ЭДС.

    Работа АВТ имеет особенности. Для протекания тока в двух входных фазах в схеме АВТ открыты по одному ключу в двух плечах, в отключенном состоянии (входной ток равен нулю) – отпираются два ключа в одном плече для замыкания тока в цепи нагрузки с индуктивностью. Возможные состояния схемы АВТ представлены в табл.1, где отображены фазы сети, которые соединены с выводами p и n (рис.1), выпрямленное напряжение UB, токи в фазах сети и угол сдвига пространственного вектора тока.

    Таблица 1 – Возможные состояния АВТ.

    Таблица 1 – Возможные состояния АВТ.

    При этом получаем 6 ненулевых векторов и три нулевых, когда выпрямитель от сети отключен и замкнуты оба ключа в одном из плеч схемы. Положения пространственного вектора тока представлены на рис.2,а. При этом нумерация положений вектора соответствует табл.1. Рассмотрим случай, когда cosφ=1 и пространственные вектора напряжения и тока сети совпадают по фазе. Разделим период на шесть интервалов соответственно моментам изменения полярности фазного напряжения сети. При этом интервалы соответствуют максимумам фазного напряжения сети и определяют положение пространственного вектора напряжения и тока в секторе 60°.

    Рисунок 2 – Формирование пространственного вектора входного тока.

    Рисунок 2 – Формирование пространственного вектора входного тока.

    Для определения относительных (к периоду модуляции Т, соответствующему времени нахождения вектора в определенном положении) продолжительностей нахождения схемы в состояниях, которые обеспечивают формирование синтезируемого вращающегося пространственного вектора I (с траекторией, которая приближается к окружности) для сектора в 60° (рис.2,б) можно использовать соотношения:

    δ1=μsin(60 - θ); δ2=μsinθ; δ0=1 - δ1 - δ2 ,

    где θ – угол поворота синтезируемого вектора, δ1, δ2, δ0 – относительная продолжительность (к Т) нахождения схемы в состояниях, соответствующих ненулевым векторам I1 и I2 и нулевому, когда АВТ отключен от сети, интервал Т соответствует 1, μ=(0 - 1) – коэффициент модуляции по амплитуде (определяется как μ=Id /IdMAX).

    1.2 Моделирование схемы АВТ

    Осциллограммы токов id , iФА , iА и напряжения фазы сети UA приведены на рис.3.

    Рисунок 3 – Осцилограммы напряжения сети и токов при ƒ<sub>M</sub>=3000 Гц и μ=1.

    Рисунок 3 – Осцилограммы напряжения сети и токов при ƒM=3000 Гц и μ=1.

    2. Автономный инвертор тока в режиме источника синусоидального напряжения

    Регулируемый электропривод является неотъемлемым элементом системы энергосбережения. В значительной степени это касается электропривода переменного тока большой мощности, где используются высоковольтные асинхронные двигатели. При этом на первый план выходят вопросы качества преобразования энергии и к преобразователю частоты (ПЧ) предъявляются повышенные требования [1]. Для высоковольтного электропривода переменного тока «классическим» решением стало использование каскадных многоуровневых преобразователей частоты (МПЧ) типа «Perfect Harmony», схема которых достаточно сложна и при напряжении 6 кВ содержит 6 однофазных автономных инверторов напряжения на выходную фазу. Входные цепи содержат 18 выпрямителей с емкостными фильтрами, которые получают питание от трансформатора с 18 комплектами вторичных обмоток.

    Более простое и перспективное решение в плане получения выходного синусоидального напряжения возможно на базе автономного инвертора тока (АИТ) с выходным емкостным фильтром при использовании ШИМ [2 – 4]. Тем более что форма напряжения близкая к синусоидальной обеспечивается во всем диапазоне регулирования выходной частоты. Известны решения высоковольтных ПЧ (ВПЧ) на базе АИТ [3], которые достаточно успешно конкурируют с МПЧ, например, Power Flex 7000 (фирма «Rockwell Аutomation»).

    Структура силовых цепей ПЧ на базе АИТ в сочетании с активным выпрямителем тока существенно проще, чем у МПЧ. Схема АИТ выполнена на запираемых по цепи управления тиристорах с большими потерями на переключение. Это ограничивает возможности формирования выходного тока АИТ. Для снижения количества переключений используется избирательная ШИМ [3] с подавлением высших гармоник (5-й, 7-й, 11-й) при семи импульсах в полуволне выходного тока АИТ. При этом по данным [1] коэффициент гармоник (THD) выходного тока АИТ завышен и составляет порядка 5%. Несколько лучшие показатели для выходного тока и напряжения АИТ получены в [3, 4] при использовании релейного регулятора для формирования тока нагрузки.

    Известные решения применительно АИТ [2 – 4] ориентированы на формирование тока. Вместе с тем, вопрос использования АИТ в качестве источника синусоидального напряжения на данный момент времени изучен недостаточно. Проблема упрощения силовых цепей ВПЧ при соответствии показателей качества выходного напряжения и входного тока стандартам [1] на данное время остается актуальной. Ее решение будет способствовать расширению областей применения ВПЧ. Вместе с тем, перспективным является использование ПЧ на базе АИТ и в низковольтном электроприводе, где они вполне смогут конкурировать с «классическим» решением на базе двухуровневого инвертора с активным выпрямителем напряжения.

    Цель работы. Разработать принципы использования АИТ в режиме источника синусоидального напряжения, математическую модель и выполнить исследования предложенного решения.

    2.1 Принцип управления АИТ в режиме источника синусоидального выходного напряжения

    Схема трехфазного мостового АИТ на запираемых по цепи управления ключах с односторонней проводимостью (рис.4) содержит выходной емкостной фильтр высших гармоник. Независимо от используемого алгоритма АИТ формирует на выходе ток iИ импульсной формы, который является суммой токов конденсатора iС и нагрузки iН (iИ=iC+iН). В работе [6] рассмотрен принцип формирования напряжения с использованием трех релейных регуляторов напряжения (РРН), обеспечивающий высокое качество выходного напряжения АИТ при минимальном количестве переключений ключей схемы.

    Рисунок 4 –Структура силовых цепей АИТ

    Рисунок 4 – Структура силовых цепей АИТ

    При этом РРН фазы формируют сигналы управления ключами в плече АИТ Р и N, обеспечивающих протекание в выходной фазе АИТ импульсов тока положительной и отрицательной полярности. Распределение импульсов осуществляется в соответствии с тактом работы схемы. Такты (6 за период) определяются 1-й гармоникой тока iИ, которая отстает от напряжения на угол β. Необходимость определения β - недостаток данного решения.

    Рисунок 5 –Векторная диаграмма для выходной фазы АИТ

    Рисунок 5 –Векторная диаграмма для выходной фазы АИТ

    Предложен алгоритм управления АИТ, при котором используется только сигнал задания на выходное напряжение АИТ. При этом в любой момент времени работает только один РРН в фазе, отклонение напряжения которой от заданного значения напряжения на данный момент времени наибольшее. Для уменьшения количества переключений ключей используется трехуровневый релейный регулятор напряжения.

    Также предложено для устойчивой работы системы при формировании сигнала задания напряжения АИТ использовать коррекцию по току на входе.

    2.2 Моделирование процессов в системе АИТ

    Моделирование предложенных решений выполнено при использовании программного пакета MATLAB. Структура разработанной модели АИТ с активным выпрямителем тока (АВТ) на входе включает в себя: источник входного переменного напряжения, фильтр на входе АВТ, систему управления АВТ и АИТ, САР АВТ с ПИ - регулятором тока, блок коррекции задания АИТ, активно-индуктивную нагрузку ZH=10Oм, cosφ=0.8. Емкость конденсаторов выходного фильтра C=115 мкФ (QC=0.6 QL), Ld=20mГн. Отклонение (delta) для РРН δ=5% от заданного значения амплитуды напряжения фазы нагрузки. Осциллограммы выходного напряжения АИТ ua, тока id , выходного тока фазы АИТ iИ, тока фазы нагрузки ia , а также напряжение для ключа K1 приведены на рис.6 при f2=50 Гц. При задании значения Id=(1-1.25) IdМИН коэффициент гармоник (THD) напряжения АИТ (при учете гармоник с порядком до 40) THD=3.06-3.57 %, частота переключений ключа АИТ fП=650-1300Гц. При том же токе нагрузки и f2=25 Гц (снижении вдвое напряжения (U/f=const) и ZH=5 Ом, cosφ=0.8) для δ=5% THD=3.39-4.18 %. Значение частоты переключения увеличилось fП=1300-1600Гц. Значение fП можно уменьшить, если увеличить δ вдвое (до 10%) - в этом случае fП=650-1200Гц, но несколько увеличивается THD=7.01-6.5 %.

    Рисунок 5 – Осцилограммы выходного напряжения и токов АИТ.

    Рисунок 6 – Осцилограммы выходного напряжения и токов АИТ.

    Важным достоинством использования релейного принципа формирования напряжения АИТ является то, что качество отработки напряжения практически не зависит от пульсаций тока id . Это позволяет уменьшить индуктивность сглаживающего дросселя Ld . Однако в схеме управления АВТ желательно использовать астатическую по среднему значению id систему регулирования (CАР).

    Выводы

    Рассмотрены принципы реализации активного выпрямителя тока с использованием ШИМ.

    Рассмотрены принципы реализации автономного инвертирования тока в режиме источника синусоидального напряжения с использованием принципов релейной регулирования.

    Предметом дальнейших исследований является разработка структуры САР применительно асинхронного ЭП с векторным управлением.

    Важное замечание

    При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена.

    Окончательное завершение: январь 2014 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    Список источников

    1. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. –USA.; IEEE Standard, Jun. 1992. 519с.
    2. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковым преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер / / – Екатеринабург: УРО РАН. – 2000. – 654 с.
    3. Лазарев Г. Преобразователи для частотно-регулируемого электропривода / Г.Лазарев //Силовая Электроника. – 2008. – №8(132). – С.14 –23.
    4. 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.
    5. 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.
    6. Шавёлкин А.А. Преобразователь частоты на базе автономного инвертора тока/А.А. Шавёлкин// Техн. електродинаміка».– Київ: ІЕД НАНУ. – 2012. – Тематичний вип.,Ч. 4.– С.75-80.
    7. 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.
    8. Мещеряков В.Н. Система управления преобразователем частоты с автономным инвертором тока и релейным формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра/В.Н. Мещеряков, Д.В. Пешков//Вести высших учебных заведений Черноземья.-2009.-№1(15).-С.7-10.
    9. 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.
    10. 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.
    11. Пивняк Г.Г., Волков А.В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.