ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи


При виконанні роботы використовувались матеріали магистрів:
Ханін О.В. Дослідження систем керування асинхроним двигуном з асиметричним каскадним багаторівневим перетворювачем частоти.
Пісанюк В.В. Високовольтний електропривод змінного струму з перетворювачем частоти на базі інвертора струму.
Керівник: д.т.н., проф. О.О. Шавьолкін.

Зміст

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:

  • Аналіз існуючих рішень високовольтних ЕП;
  • Дослідження принципів реалізації ПЧ на базі інвертора струму з ШІМ;
  • Розробка систем автоматичного регулювання ЕП;
  • Моделювання процесів в системі ЕП.

    • 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) 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:

  • Аналіз існуючих рішень високовольтних ЕП;
  • Дослідження принципів реалізації ПЧ на базі інвертора струму з ШІМ;
  • Розробка систем автоматичного регулювання ЕП;
  • Моделювання процесів в системі ЕП.

    • 1.1 Алгоритм роботи АВС

    АВТ являє собою трифазний мостовий випрямляч (ТМВ) на повністю керованих ключах з односторонньою провідністю (замикаються по ланцюгу управління тиристори на рис.1) і підключається до мережі змінного струму через LC - фільтр ( L ВХ , C ВХ ). Дросель в ланцюзі навантаження Ld задає режим роботи джерела струму.

    Рисунок 1 - Структурна схема АВТ.

    Рисунок 1 - Структурна схема АВТ

    Працює АВТ в режимі регульованого джерела постійного струму з активним формуванням струму, споживаного від джерела змінної напруги. Він забезпечує регулювання вихідної напруги нижче значення напруги для некерованого ТМВ і функціонує при незмінному напрямку випрямленого струму, але допускає зміну полярності і регулювання випрямленою ЕРС.

    Робота АВТ має особливості. Для протікання струму в двох вхідних фазах у схемі АВТ відкриті по одному ключу у двох плечах, у відключеному стані (вхідний струм дорівнює нулю) - відмикаються два ключі в одному плечі для замикання струму в ланцюзі навантаження з індуктивністю. Можливі стани схеми АВТ представлені в табл.1, де відображені фази мережі, які з'єднані з виводами p і n (рис.1), випрямлена напруга U B , струми в фазах мережі і кут зсуву просторового вектора струму.

    Таблиця 1 - Стан АВТ.

    Таблиця 1 - Статус АВТ.

    При цьому отримуємо 6 ненульових векторів і три нульових, коли випрямляч від мережі відключений і замкнуті обидва ключі в одному з плечей схеми. Положення просторового вектора струму представлені на рис.2, а. При цьому нумерація положень вектора відповідає табл.1. Розглянемо випадок, коли cosφ = 1 і просторові вектора напруги та струму мережі збігаються по фазі. Розділимо період на шість інтервалів відповідно моментам зміни полярності фазної напруги мережі. При цьому інтервали відповідають максимумів фазної напруги мережі і визначають положення просторового вектора напруги і струму в секторі 60°.

    Рисунок 2 - Формування просторового вектора вхідного струму.

    Рисунок 2 - Формування просторового вектора вхідного струму.

    Для визначення відносних (до періоду модуляції Т, відповідному часу знаходження вектора в певному положенні) тривалостей знаходження схеми в станах, які забезпечують формування синтезованого обертового просторового вектора I (з траєкторією, яка наближається до кола) для сектора в 60° (рис.2, б) можна використовувати співвідношення:

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

    де θ - кут повороту синтезованого вектора, δ 1 , δ 2 , δ 0 - відносна тривалість (до Т ) знаходження схеми в станах, відповідних ненульовим векторах I 1 і I 2 і нульового, коли АВТ відключений від мережі, інтервал Т відповідає 1, μ = (0 - 1) - коефіцієнт модуляції по амплітуді (визначається як μ = I d / I dMAX ).

    1.2 Моделювання АВС

    Осцилограми струмів i d , i ФА , i А і напруги фази мережі U A наведені на рис.3.

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

    Рисунок 3 – Осцилограми напруги мережі і струмів при ƒM=3000 Гц и μ=1.

    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 [2 – 4]. Тим більше що форма напруги близька до синусоїдальної забезпечується у всьому діапазоні регулювання вихідної частоти. Відомі рішення високовольтних ПЧ (ВПЛ) на базі АІС [3], 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 [3] 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 [2 – 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 [1] 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, математичної моделі і виконання дослідження запропонованого рішення.

    2.1 Принцип керування АІС в режимі джерела синусоїдальної напруги

    Схема трифазного мостового АІТ на замикеміх по ланцюгу управління ключах з односторонньою провідністю (рис. 4) містить вихідний ємнісний фільтр вищих гармонік. Незалежно від використовуваного алгоритму АІТ формує на виході струм i І імпульсної форми, який є сумою струмів конденсатора i С і навантаження i Н (i І = i C + i Н ) . У роботі [ 6 ] розглянуто принцип формування напруги з використанням трьох релейних регуляторів напруги (РРН), що забезпечує високу якість вихідної напруги АІТ при мінімальній кількості перемикань ключів схеми.

    Рісунок 4 -Структура силових ланцюгів АІТ

    Малюнок 4 - Структура силових кіл АІТ

    При цьому РРН фази формують сигнали керування ключами у плечі АІТ Р і N , забезпечують протікання у вихідній фазі АІТ імпульсів струму позитивної і негативної полярності. Розподіл імпульсів здійснюється відповідно з тактом роботи схеми. Такти (6 за період) визначаються 1-ою гармонікою струму i І , яка відстає від напруги на кут β. Необхідність визначення β - недолік даного рішення.

    Малюнок 5 - Векторна діаграма для вихідної фази АІТ

    Малюнок 5-Векторна діаграма для вихідної фази АІТ

    Запропоновано алгоритм управління АІТ, при якому використовується тільки сигнал завдання на вихідну напругу АІТ. При цьому в будьякий момент часу працює тільки один РРН у фазі, відхилення напруги якої від заданого значення напруги на даний момент часу найбільша. Для зменшення кількості перемикань ключів використовується трирівневий релейний регулятор напруги.

    Також запропоновано для сталої роботи системи при формуванні сигналу завдання напруги АІТ використовувати корекцію по струму на вході.

    2.2 Моделювання процесів АІС

    Моделювання запропонованих рішень виконано при використанні програмного пакета MATLAB. Структура розробленої моделі АІТ з активним випрямлячем струму (АВТ) на вході включає в себе: джерело вхідної змінної напруги, фільтр на вході АВТ, систему управління АВТ і АІТ, САР АВТ з ПІ - регулятором струму, блок корекції завдання АІТ, активно-індуктивне навантаження Z H=10Oм, cosφ=0.8. Ємність конденсаторів вихідного фільтра C = 115 мкФ (QC=0.6 QL), Ld=20mГн. Відхилення (delta) для РРН δ=5% від заданого значення амплітуди напруги фази навантаження. Осцилограми вихідної напруги АІТ ua, струму id, вихідного струму фази АІТ iІ , струму фази навантаження ia, а також напруга для ключа K 1 наведені на рис.6 при f2=50 Гц. При завданні значення Id=(1-1.25) IdМІН коефіцієнт гармонік (THD) напруги АІТ (при обліку гармонік з порядком до 40) THD = 3.06-3.57%, частота перемикань ключа АІТ fП=650-1300Гц. При тому ж струмі навантаження і f2=25 Гц (зниження вдвічі напруги ( U / f =const) і ZH=5 Ом, cosφ=0.8) для δ=5% THD =3.39-4.18%. Значення частоти перемикання збільшилося fП =1300-1600Гц. Значення fП можна зменшити, якщо збільшити δ вдвічі (до 10%) - в цьому випадку fП=650-1200Гц, але трохи збільшується THD=7.01-6.5%.

    Рисунок 5 – Осцилограми вихідної напруги і струмів АІТ.

    Рисунок 6 – Осцилограми вихідної напруги і струмів АІТ.

    Важливою перевагою використання релейного принципу формування напруги АІТ є те, що якість відпрацювання напруги практично не залежить від пульсацій струму id . Це дозволяє зменшити індуктивність згладжуючого дроселя Ld. Однак у схемі управління АВТ бажано використовувати астатичну за середнім значенням id систему регулювання (CАР).

    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 САР стосовно асинхронного ЕП з векторним керуванням.

    Важливе зауваження

    При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена.

    Остаточне завершення: січень 2014. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

    Перелік джерел

    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.