Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет України

Лохматов Анатолій Григорович

УДК 621.313

Визначення та попередження аварійних режимів асинхронних частотно-регульованих електроприводів

05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі електропривода та автоматизації промислових установок Запорізького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Метельський Володимир Петрович,

декан електротехнічного факультету,

професор кафедри електричних машин

Запорізького національного технічного

університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сінолиций Анатолій Пилипович,

завідувач кафедри електропривода і автоматизації промислових установок Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент

Казачковський Микола Миколайович,

професор кафедри електропривода

Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "_08_" _листопада_ 2007 р об _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою:
49055, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, НГУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Автореферат розісланий "_05_"_жовтня_2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради, к. т. н. О.О. Азюковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Частотно-регульовані асинхронні електроприводи (ЧРАЕП), що створюються на основі автономного інвертора напруги (АІН) із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), все більше знаходять застосування у таких важливих галузях господарства, як металургія, гірничовидобувна промисловість, транспорт, комунальне господарство, в яких ставляться підвищені вимоги до їх експлуатаційної надійності. Це пояснюється, у першу чергу, значними збитками, викликаними змушеними простоями зазначених електроприводів (ЕП), наприклад, через несправності, що в них виникають, та відповідний ремонт. Беручи до уваги підвищену схемотехнічну складність ЧРАЕП, дорожнечу комплектуючих до них і необхідний висококваліфікований ремонтний електротехнічний персонал, ремонт цих електроприводів практично виявляється трудомістким і відносно дорогим. Крім того, у перерахованих галузях господарства найчастіше обслуговуючий чи ремонтний персонал перебуває на значній відстані від об'єкту (наприклад, на насосних станціях, які не перебувають під постійним наглядом працівників), що утруднює своєчасне проведення ремонту і додатково збільшує збитки від простою і витрат на ремонт, пов'язаних з доставкою на об'єкт ремонтного персоналу. Вище зазначене вимагає прийняття додаткових ефективних заходів до запобігання виходу з ладу комплектуючих і скорочення кількості відмов ЧРАЕП протягом усього терміну експлуатації.

Актуальність теми. Найбільш небезпечними щодо виходу з ладу елементів електропривода є аварійні режими, викликані короткими внутрішнім чи зовнішнім замиканнями у перетворювачі частоти (ПЧ), зникненням необхідних чи появою зайвих ("помилкових") керуючих імпульсів на силових ключах ПЧ, короткочасними глибокими провалами і наступними відновленнями напруги мережі живлення й ін. Особливо поширені позначені аварійні режими при налагодженні й прийомо-здавальних випробуваннях ЧРАЕП з АІН-ШІМ на заводі-виробнику, що призводить на практиці (у випадку виходу з ладу елементів електропривода) до помітного подорожчання цих випробувань. Тому проведення досліджень, спрямованих на аналіз негативних наслідків зазначених аварійних режимів, на їхню своєчасну ідентифікацію в процесі експлуатації чи прийомо-здавальних випробуваннях електропривода, а також на розробку ефективного автоматичного керування (що запобігає виходу з ладу елементів ЧРАЕП з АІН-ШІМ), є актуальним і конче необхідним у практиці.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором при виконанні наступних державних і галузевих науково-технічних програм, спрямованих на створення і впровадження високоефективних частотно-регульованих електроприводів змінного струму з потужністю до 630 кВт:– 

.51.02Розвиток перетворювальної техніки як спосіб енерго- і ресурсозбереження, підвищення технічного рівня продукції машинобудування" (затверджено ДКНТ України Постановою від 04.05.92 р. № );–

Електротехніка". Розробка й освоєння електротехнічної продукції загального призначення. Розділ . "Перетворювальні пристрої і силові напівпровідникові прилади" (затверджено Міністром Мінмашпрому України від 03.08.92);–

Наука – 2000". Фундаментальні пошукові і прикладні дослідження зі створення перспективних зразків машинобудівної продукції і прогресивних технологій (затверджено наказом Міністра Мінмашпрому України від 30.03.94 № );– 

комплексна державна програма енергозбереження України (затверджено Постановою Кабінету Міністрів України від 15.11.95 № ).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є уточнене визначення параметрів аварійних режимів асинхронного електропривода
з АІН-ШІМ, ідентифікація таких режимів й ефективне керування при них зазначеним електроприводом, що дозволяє запобігти виходам з ладу силових елементів електропривода при аварійних режимах і поліпшити його експлуатаційні властивості.

Для досягнення поставленої мети розв’язані такі основні задачі:– 

аналіз існуючого стану досліджень електромагнітних процесів (ЕМП), способів і пристроїв ідентифікації, автоматичного керування при аварійних режимах у ЧРАЕП з АІН-ШІМ;– 

розробка математичного опису й імітаційної моделі для дослідження електромагнітних і електромеханічних процесів при аварійних режимах асинхронного ЕП з АІН-ШІМ, оцінка їх вірогідності;– 

аналіз ЕМП в асинхронному ЕП з АІН-ШІМ, що протікають у таких аварійних режимах: внутрішнього і зовнішнього коротких замикань в інверторі, при короткочасних глибоких провалах напруги мережі живлення електропривода та при неповнофазних режимах інвертора; одержання аналітичних залежностей, що описують дані аварійні режими;– 

розробка способів ідентифікації й автоматичного керування при аварійних режимах в асинхронному ЕП з АІН-ШІМ, що дозволяють запобігти виходам з ладу силових елементів ЕП у зазначених режимах;– 

розробка загальної функціональної схеми автоматичного керування асинхронним електроприводом з АІН-ШІМ;– 

підтвердження за допомогою математичного моделювання й експериментального дослідження вірогідності отриманих наукових результатів;– 

упровадження результатів роботи при розробці та виготовленні промислових зразків вітчизняних ЧР асинхронних електроприводів.

Об'єктом дослідження є електромагнітні й електромеханічні процеси при аварійних режимах асинхронного ЕП з АІН-ШІМ, які враховують вплив двигуна і перетворювача частоти.

Предметом дослідження є розрахункові залежності параметрів аварійних режимів, способи ідентифікації й автоматичного керування ЕП з АІН-ШІМ при аварійних режимах: внутрішнього й зовнішнього коротких замикань інвертора, короткочасних глибоких провалах напруги мережі живлення електропривода та зникнення керуючих імпульсів силовими ключами інвертора.

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач використовувалися такі методи: узагальнених векторів – для розробки математичного описання та створення імітаційної моделі; операторний та кусочно-припасовувальний методи, а також методи еквівалентних джерел – для отримання аналітичних залежностей ЕМП; імітаційного моделювання – для розрахунку електромеханічних процесів в ЕП, дослідження яких експериментально трудомістке (або технічно складно); експериментального дослідження – для підтвердження вірогідності отриманих результатів.

Основні наукові положення і результати, їх новизна.

Отримані уточнені аналітичні залежності для електромагнітних процесів при аварійних режимах асинхронного ЕП із АІН-ШІМ, запропоновані ефективні способи ідентифікації зазначених режимів та автоматичного керування ними, що дозволило запобігти виходам з ладу силових елементів електропривода в даних режимах.

Наукові положення:

1. Найбільший ударний гальмівний електромагнітний момент асинхронного двигуна виникає при зовнішньому трифазному короткому замиканні автономного інвертора і пропорційний добутку швидкості обертання та квадрату модуля потокозчеплення ротора двигуна.

2. Аварійний режим внутрішнього короткого замикання в АІН-ШІМ ідентифікується при досягненні сумою вхідного струму інвертора та найбільшої з амплітуд фазних статорних струмів двигуна граничного значення, максимально припустимого для силового ключа інвертора.

3. Автоматичне зниження активної складової статорного струму асинхронного ЕП із АІН-ШІМ на час провалу напруги мережі живлення уповільнює розряд конденсатора силового фільтра перетворювача частоти та забезпечує збереження робочого значення потокозчеплення двигуна, що дозволяє прискорити процес виходу електропривода на задані робочі характеристики у разі відновлення напруги мережі живлення.

Наукова новизна отриманих результатів:– 

обґрунтовано, що отримані уточнені аналітичні залежності для розрахунку аварійного струму силових ключів автономного інвертора та найбільшого ударного електромагнітного моменту асинхронного двигуна при внутрішньому та зовнішньому коротких замиканнях в інверторі, які враховують енергію, накопичену в колі постійного струму перетворювача частоти й двигуні, дозволяють створити спосіб ідентифікації зазначених коротких замикань в інверторі та здійснити правильний вибір силових ключів інвертора й механічної міцності двигуна, редуктора та робочого механізму;– 

доведено, що отримані уточнені аналітичні залежності для розрахунку аварійних струмів й перенапруг на елементах перетворювача частоти, які виникають при короткочасних провалах напруги мережі живлення в асинхронних ЕП із АІН-ШІМ дозволяють створити ефективні способи автоматичного керування асинхронним електроприводом, що засновані на примусовому здійсненні уповільненого розряду при зникненні напруги або плавного заряду при відновленні напруги конденсатора силового фільтра;– 

вперше дана кількісна оцінка максимальних значень амплітуд статорного струму й електромагнітного моменту асинхронного двигуна, напруги на конденсаторі фільтра перетворювача, а також розмаху пульсацій зазначених параметрів, що виникають при неповнофазних режимах, викликаних зникненням імпульсів керування одним або кількома силовими ключами автономного інвертора, яка дозволяє встановити небезпеку таких режимів для асинхронного ЕП із АІН-ШІМ й створити узагальнений спосіб їх ідентифікації, що заснований на контролі нульового чи однополярного значення статорного струму двигуна.

Практична цінність роботи:– 

розроблені ефективні способи автоматичного керування ЧРАЕП з
АІН-ШІМ при аварійних режимах, які запобігають виходу з ладу елементів ЕП;– 

розроблений спосіб ідентифікації внутрішнього і зовнішнього коротких замикань в інверторі, що дозволяє вчасно розпізнати настання даних аварійних режимів, правильно обрати за струмом силові ключі інвертора;– 

розроблений узагальнений спосіб ідентифікації всіх можливих неповнофазних режимів ЧРАЕП з АІН-ШІМ, який дозволяє визначити зазначені аварійні режими та забезпечити захист ЕП у разі їх виникнення;– 

отримані уточнені розрахункові залежності лягли в основу інженерних методик проектування вітчизняних ЧРАЕП серій ЕКТ2Ч й ЕКТ4, а запропоновані способи ідентифікації та керування при аварійних режимах впроваджені в загальних функціональних схемах автоматичного керування зазначеними ЕП, що дозволило підвищити їх експлуатаційну надійність до рівня аналогічних електроприводів провідних іноземних виробників.

Достовірність отриманих результатів підтверджується:– 

даними математичного моделювання;– 

експериментальними дослідженнями на макетних і промислових
зразках асинхронних електроприводів з АІН-ШІМ, що збігаються з теоретичними положеннями роботи;– 

впровадженням розроблених принципів проектування та керування у промислових зразках вітчизняних електроприводів.

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідалися на чотирьох міжнародних науково-технічних конференціях: "Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації" (Кременчук, 2005 р., 2007 р.), "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика"
(Харків, 2005 р., Одеса, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковані 14 праць, серед яких: 7 статей у виданнях, які входять до переліку фахових наукових видань України, 4 – матеріали конференцій, 3 – авторські свідоцтва.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг роботи складає 206 сторінок, у тому числі 134 сторінки основного тексту, 43 рисунка, 12 таблиць, переліку використаних джерел (118 найменувань) і 4 додатка на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета й основні задачі дослідження, наведена загальна характеристика роботи й основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі здійснений аналіз існуючого стану і методів досліджень ЕМП, способів і пристроїв ідентифікації й автоматичного керування при аварійних режимах асинхронного ЕП з АІН-ШІМ за матеріалами вітчизняної і іноземної науково-технічної та патентної літератури. Питанням дослідження аварійних режимів для перетворювача частоти та асинхронного двигуна (АД) присвячені роботи вчених Є.М. Глуха, В.Є. Зеленова, К. Ковача, І. Раца. У результаті аналізу дана загальна оцінка стану досліджуваних питань, сформульовані мета та задачі дослідження дисертаційної роботи.

У другому розділі обґрунтовані обрані раціональні методи дослідження, зручні математичний опис й імітаційна модель ЧРАЕП з АІН-ШІМ, призначені для дослідження аварійних режимів, що відбуваються в зазначеному ЕП.

При розробці математичного опису асинхронного електропривода з трифазним АІН-ШІМ були прийняті такі основні вихідні допущення: загальноприйняте ідеалізоване подання короткозамкнутого АД (доповнене врахуванням нелінійності його кривої намагнічування); для ПЧ з АІН-ШІМ враховувалися часова дискретність роботи його силових приладів і несинусоїдна форма його вихідної напруги (струмів); опору силових вентилів (IGBT-транзисторів, діодів, тиристорів), що входять до складу перетворювача частоти з АІН-ШІМ, задавалися такими, що дорівнюються нулю – у ввімкненому стані вентилів, чи нескінченно великим – у вимкненому.

У третьому розділі виконаний аналіз ЕМП в асинхронному ЕП
з АІН-ШІМ при аварійних режимах внутрішнього і зовнішнього коротких замикань (КЗ) інвертора і розроблена для нерекуперативного і рекуперативного виконання асинхронних ЕП з АІН-ШІМ загальна функціональна схема системи автоматичного керування (САК) ЕП для різних аварійних режимах та при провалах напруги мережі живлення електропривода.

Для живлення від трифазної симетричної синусоїдної системи напруги мережі живлення (з амплітудою UM, частотою щф і початковим аргументом о) отримані залежності для розрахунку складових аварійного струму через силовий ключ при внутрішньому і зовнішньому КЗ в інверторі:

, (1)

У залежностях (1) використовуються такі позначення: I і I к – струми, що протікають на виході випрямляча й у конденсаторі С фільтра, відповідно; , I та и – узагальнений вектор статорного струму АД, його модуль та аргумент відповідно; I а – струм статорної обмотки фази "а" двигуна (у якій утворилось розглянуте КЗ інвертора); Uк(0), та – початкові значення (у момент виникнення КЗ при t = 0) напруги на конденсаторі С фільтра, узагальнених векторів статорного струму та ЕРС ротора двигуна відповідно; щ 1 і щ 0 – відповідно кутова частота основної гармоніки статорного струму АД та власна резонансна частота LC-фільтра; T d і T д – електромагнітні сталі часу кола постійного струму ПЧ та розсіювання двигуна; R s і L д – активний опір статора та сумарна індуктивність розсіювання АД відповідно; k – коефіцієнт зв'язку ротора двигуна; R та L d – еквівалентні відповідно активний опір та індуктивність кола постійного струму ПЧ; L – власна (внутрішня) індуктивність конденсатора C фільтра (у складі якої врахована також індуктивність проводів, що приєднують цей конденсатор ).

Обмежуючись розглядом процесів на нетривалому (тривалістю менше 15-30 мкс) інтервалі часу після початку режиму внутрішнього чи зовнішнього КЗ (оскільки на практиці не пізніше цього часу аварійні струми усуваються за допомогою САК, що впливає на примусове запирання всіх силових ключів інвертора і виключення вимикача Q), отримуємо спрощені співвідношення для інженерного розрахунку найбільшого значення аварійного струму I через силовий ключ інвертора:

, (2)

де I (0) – початкове значення (при t = ) струму силового ключа інвертора; I d (0), I к (0), й I s (0) – початкові значення відповідно вихідного струму випрямляча, струму конденсатора фільтра та модуля узагальненого вектора статорного струму. Для останнього доданка в першому співвідношенні з (2), зазначеного в дужках, знак "–" відповідає двигуновому, а знак "+" – генераторному режиму роботи АД.

На рис. надані відповідно з залежністю (2) графіки вихідного струму I випрямляча, струму I к розряду конденсатора фільтра, модуля Is узагальненого вектора статорного струму двигуна та найбільшого значення струму I, що протікає у силовому ключі інвертора та відповідають режимам: 1 – внутрішнього, 2 – зовнішнього КЗ в інверторі (пунктиром – експериментальні). Розрахунок, здійснений стосовно параметрів експериментального зразка нерекуперативного ЕП, що містить електродвигун 4А132S6У3 з потужністю 5,5 кВт (працюючого перед аварією в номінальному режимі) та перетворювач частоти на основі АІН-ШІМ типу ЕКТ4-10/380-50 (у якому застосовані IGBT-модулі типу РМ50CSА120 з максимально припустимим імпульсним значенням струму = 100 А). Щоб при аварійному режимі внутрішнього і зовнішнього КЗ зберегти справними всі силові ключі АІН-ШІМ, їх примусово необхідно закрити не пізніше проміжку часу tmax і t'max відповідно (поки струми I, що протікають через силові ключі, не перевищили свого максимально припустимого значення ).

Запропоновані залежності для розрахунку найбільшого значення M *М ударного момента АД при зовнішньому трифазному КЗ в АІН-ШІМ:

, (3)

де M1(0) – початкове значення (у мить початку КЗ при t = 0) електромаг-нітного момента двигуна; щmax і Шr max – найбільші робочі значення швидко-сті та модуля потокозчеплення ротора двигуна, T і z –  електромагнітна стала часу ротора та число пар полюсів АД.

На рис. наведені розраховані на імітаційній моделі ЕП криві зміни електромагнітного момента M двигуна для аварійних режимів внутрішнього КЗ, викликаного появою помилкового керуючого імпульсу (крива ) та виходом з ладу силового ключа інвертора (крива ), а також для зовнішнього трифазного (крива ) і двофазного (крива ) КЗ, що відбуваються при номінальній швидкості АД, вентиляторному характері навантаження і при запиранні всіх силових ключів АІН-ШІМ після аварії.

У четвертому розділі досліджені ЕМП і керування ЧРАЕП з АІН-ШІМ при короткочасному провалі і наступному відновленні напруги мережі живлення. На першому етапі розглянуті електромагнітні і механічні процеси при провалах напруги мережі живлення нерекуперативного ЕП. На рис. наведені розраховані для експериментального зразка нерекуперативного ЕП і відповідні різним значенням швидкості w й електромагнітного момента М двигуна графіки зміни напруги U к на конденсаторі C фільтра: 1 – для щ = щн та М Мн; 2 – для щ = 0,5 щн і М Мн; 3 – для щ = 0,1 щн і М Мн; 4 – для щ = щн і М Мн; 5 – для щ = щн і М ; 6 – для щ = щн, М Мн і при збільшеній у десять разів ємкості конденсатора фільтра (пунктиром – експериментальні), де щн та Мн – номінальні значення згаданих параметрів. Встановлено, що ефективним способом збереження працездатності ЕП при провалах напруги мережі живлення є примусове зменшення (на час дії провалу напруги) електромагнітного момента двигуна до нуля: М * = 0, що досягається в САК завданням на цей час нульового зна-чення активної проекції = 0 ста-торного струму АД (даному способі керування відповідає крива на рис. ). При відсутності запасу для автономного інвертора за вихідною напругою, щоб уникнути порушення нормального функціонування асин-хронного ЕП з АІН-ШІМ, необхідно здійснити примусове вимикання ЕП (наприклад, дати команду на закри-ття всіх силових ключів інвертора з подальшим виключенням вимикача Q).

На другому етапі розглянуте миттєве зворотне відновлення напруги мережі живлення нерекуперативного асинхронного ЕП з АІН-ШІМ, для якого (беручи до уваги, що САК ЕП підтримує ключі інвертора у закритому стані) отримані залежності для вихідного струму I випрямляча і напруги U к2 на конденсаторі C фільтра:

(4)

де щ'0 – кутова частота затухаючих коливань вихідного струму випрямляча, Uк1(0) – початкове значення напруги на конденсаторі C фільтра (у мить відновлення напруги мережі живлення); Edm – амплітудне значення вихідної ЕРС випрямляча; t – поточний час з відліком від моменту відновлення напруги мережі живлення.

Із залежностей (4) розраховане устале значення напруги на конденсаторі фільтра, і максимальне (амплітудне) значення струму Id випрямляча при відновленні напруги мережі живлення у вигляді:

, (5)

а також поточні значення зазначених параметрів Uк2 і Id, що розраховані для різних значень еквівалентного активного опору R випрямляча.

Встановлено, що при відновленні (після провалу) напруги мережі живлення спостерігаються значні (до 20-тиразових стосовно номінального струму двигуна) стрибки вихідного струму I випрямляча, а також небезпечні перенапруги (до подвійного від нормальної робочої напруги) на конденсаторі фільтра. Ефективне керування асинхронним ЕП у даному режимі полягає в тому, що для зменшення амплітуди стрибків струму через діоди випрямляча і зниження перенапруг на конденсаторі фільтра, діодах випрямляча і силових ключах інвертора потрібно на час заряду конденсатора фільтра примусово вводити у коло заряду фільтра перетворювача додатковий резистор R П, збільшуючи значення еквівалентного активного опору R d.

Після заряду конденсатора фільтра до робочої напруги (що становить 0,85 від номінального робочого значення) потрібно примусово вивести з роботи даний резистор R П. Одночасно від САК припиняється примусове нульове завдання активної проекції статорного струму двигуна. Після цього (внаслідок відпрацювання в ЕП активної та намагнічуючої складових статорного струму двигуна) автоматично відновлюються задані робочі координати ЕП.

На третьому етапі розглянуті електромагнітні процеси при провалах напруги мережі живлення рекуперативного ЧРАЕП з АІН-ШІМ. Для випадку глибокого провалу (стрибком до нуля) напруги мережі живлення рекуператив-ного ЕП з АІН-ШІМ розраховані процеси зміни вихідного струму I інвертор-ного моста "Назад" керованого випрямляча і напруги Uк на конденсаторі філь-тра, що зображено на рис. (1 – для L = 7,2 мГн, R = 0; 2 – для L = 7,2 мГн; R = 0,4 Ом; 3 – для L = 36 мГн, R = 0,4 Ом; 4 – для L = 72 мГн, R = 0,4 Ом).

Встановлено, що в рекуперативному ЕП провал напруги мережі живлення під час роботи інверторного моста керованого випрямляча викликає значні стрибки вихідного струму I d даного моста (до 20-разових стосовно номінального струму двигуна), що потрібно враховувати при виборі за струмом тиристорів керованого випрямляча і зворотних діодів автономного інвертора, а також – при виборі комутаційної здатності автоматичного вимикача. Після розряду конденсатора фільтра (до нульової напруги на ньому), що відбувається при провалах напруги мережі живлення, вихідний струм інверторного моста "Назад" керованого випрямляча протікає через зворотні діоди в АІН-ШІМ і характеризується (з урахуванням незначного опору R і великих значень індуктивності L) значною величиною (до 15–20-разового від номінального струму двигуна). Вказаний струм становить небезпеку для діодів інвертора і тиристорів моста "Назад" керованого випрямляча. Тому для якнайшвидшого припинення вихідного струму випрямляча, одночасно з ідентифікацією режиму провалу напруги мережі живлення, треба подати команду від САК на приму-сове виключення швидкодіючого розчіплювача силового вимикача в схемі ЕП.

На четвертому етапі розглянуті ЕМП при відновленні напруги мережі живлення рекуперативного асинхронного ЕП з АІН-ШІМ. У даному ЕП запропоновано плавно в часі збільшувати до свого робочого значення (відповідною повільною зміною кута керування тиристорів моста "Уперед" керованого випрямляча) вихідну ЕРС E цього випрямляча. Розраховані процеси зміни вихідного струму I випрямляча і напруги U к конденсатора фільтра для аперіодичного і лінійного законів зміни ЕРС E після відновлення напруги мережі живлення. Дані графіки на рис. відповідають різним зна-ченням T сталих часу аперіодичного процесу зростання вихідної ЕРС E (1 – для T = ; 2 – для T = 0,005 с; 3 – для T = 0,01 с; 4 – для T = 0,05 с).

Встановлено, що поступова зміна в часі (за аперіодичним чи лінійним законом) вихідний ЕРС керованого випрямляча дозволяє істотно (у 5-10 разів) зменшити ампліту-ду стрибків струму через тиристори випрямляча та знизити перенапругу на конденсаторі фільтра (пра-ктично не перевищуючи встановлене для нього припустиме значення).

З використанням розробленої імітаційної моделі здійснений (для значень параметрів експе-риментального зразка не-рекуперативного ЕП з вен-тиляторним навантажен-ням) розрахунок електро-механічних процесів при провалах (тривалістю 1 с) напруги мережі живлення, що представлені на рис. (де щ, М і Ш r – відповідно швидкість, електромаг-нітний момент і модуль узагальненого вектора потокозчеплення ротора АД; U sa, I sa, E r – фазні статорні напруга та струм, модуль узагальненого вектора ЕРС ротора двигуна; U фА,  IфА, U к – фазні напруга і струм мережі живлення електропривода, напруга на конденсаторі фільтра ПЧ).

У п'ятому розділі методом імітаційного моделювання досліджені ЕМП в асинхронному ЕП з АІН-ШІМ, які виникають при різних випадках зникнення керуючих імпульсів на силових ключах АІН-ШІМ: на одному, двох, трьох чи чотирьох ключах (в одній чи різних фазах, у одному чи різних полюсах інвертора). Зазначені аварійні режими названі "неповнофазними режимами інвертора". При всіх можливих неповнофазних режимах інвертора розраховані (для параметрів експериментального зразка ЕП) процеси зміни статорних струмів I, I, I, електромагнітного момента M двигуна, а також напруги U к на конденсаторі фільтра у стаціонарному режимі роботи при номінальному навантаженні та без навантаження. На рис. і рис. наведені зазначені розраховані електромагніт-ні процеси, що відповідають зникненню керуючих імпульсів на одному (у по-зитивному полюсі) і двох (для однієї фази інвертора) силових ключах АІН-ШІМ.

Результати розрахун-ків усіх неповнофазних режимів зведені у табл. , в
якій показані відносні зна-чення: розмахів пульсацій електромагнітного момен-та М /М н і напруги на конденсаторі фільтра U к /U кн, амплітуд статор-ного струму I /Iн і на-пруги U кM /U кн на конден-саторі фільтра (де U кн і Iн – номінальні значення напруги на конденсаторі фільтра та амплітуда статорного струму АД), що відповідають номінальному навантаженню двигуна. Прийняте в табл. умовне позначення силових ключів АІН-ШІМ відповідає їх приналежності: полюсам “+” або “–” та фазам А, В або С інвертора.

Встановлено, що неповнофазні режими трифазного АІН-ШІМ, що виникають при зникненні керуючих імпульсів на одному чи декількох силових ключах інвертора, призводять до збільшення: у 1,5-6 разів амплітуди фазного статорного струму двигуна, у 3,5-9 разів розмаху пульсацій електромагнітного момента двигуна, а також – у 1,04-1,5 рази і 1,3-8 разів відповідно амплітуди і розмаху пульсацій напруги на конденсаторі фільтра. Зазначені збільшені значення параметрів у неповнофазних режимах небезпечні для електропривода, тому що можуть викликати вихід з ладу силових елементів ПЧ (напівпровідникових силових приладів, конденсатора фільтра) чи двигуна.

Запропонований узагальнений спосіб ідентифікації всіх можливих неповнофазних режимів інвертора, який полягає у контролі фазних статорних струмів АД, а початок неповнофазних режимів ідентифікується, якщо в одній з фаз двигуна відсутній статорний струм, або даний струм – однополярний.

ВИСНОВКИ

У дисертації, яка є завершеною науково-дослідною роботою, вирішена важлива науково-технічна задача уточненого визначення параметрів аварійних режимах асинхронного ЕП з АІН-ШІМ, ідентифікації таких режимів й ефективного керування електроприводом у зазначених режимах, що дозволило запобігти виходам з ладу силових елементів (перетворювача частоти, двигуна, редуктора й робочого механізму) електропривода при виникненні в ньому аварійних режимів.

1. Виконаний аналіз стану існуючих досліджень електромагнітних процесів і автоматичного керування ЧРАЕП з АІН-ШІМ при аварійних режимах показав, що ці дослідження гостро затребувані практикою й водночас висвітлені поки недостатньо у відомій науково-технічній і патентній літературі.

2. Запропоновані нові аналітичні залежності для розрахунку аварійних струмів силових ключів інвертора і для найбільшого значення ударного електромагнітного момента двигуна, які отримані для внутрішнього і зовнішнього коротких замикань в автономному інверторі, дозволяють пра-вильно здійснити вибір силових ключів інвертора і закласти необхідний запас механічної міцності редуктора, робочого механізму і двигуна, запобігши вихід з ладу силових елементів ЧРАЕП з АІН-ШІМ при зазначених аварійних режимах.

3. Отримані нові аналітичні залежності для розрахунку струмів та напруги елементів перетворювача частоти у нерекуперативному і рекуперативному виконанні асинхронних ЕП з АІН-ШІМ при короткочасних провалах напруги мережі живлення дозволяють кількісно оцінити надструми і перенапруги, які виникають на елементах перетворювача в зазначених режимах, правильно здійснити вибір силових ключів перетворювача, що виключає вихід з ладу його силових елементів і забезпечує підвищення експлуатаційної надійності роботи ЕП у даних режимах.

4. Запропонований спосіб автоматичного керування асинхронним ЕП з АІН-ШІМ при короткочасних провалах напруги мережі живлення дозволяє прискорити процес виходу ЕП на задані робочі характеристики за рахунок уповільнення розряду конденсатора силового фільтра перетворювача частоти й збереження робочого рівня потокозчеплення асинхронного двигуна.

5. Запропонований узагальнений спосіб ідентифікації неповнофазних режимів інвертора, викликаних зникненням одного чи декількох імпульсів керування силовими ключами, дозволяє вчасно розпізнати та припинити подальшу роботу асинхронного ЕП з АІН-ШІМ у зазначених аварійних режимах, для яких проведене оцінювання небезпеки електропривода.

6. За допомогою застосування розробленої загальної функціональної схеми САК асинхронним ЕП з АІН-ШІМ, яка призначена для керування в аварійних режимах, виключаються виходи з ладу силових елементів перетворювача частоти і двигуна в різноманітних аварійних режимах (внутрішньому і зовнішньому коротких замиканнях в інверторі, струмовому перевантаженні двигуна або перетворювача частоти, неповнофазних режимах інвертора, короткочасних провалах напруги мережі чи напруги живлення власних потреб електропривода).

7. Основні наукові результати дисертаційної роботи впроваджені в схемотехнічних рішеннях або використані в різних інженерних методиках при розробці й виготовленні вітчизняних комплектних електроприводів змінного струму типів: ЕКТ2Ч, ТТЕ і ТТП (створених в ВАТ НДІ "Перетворювач", м. Запоріжжя) і ЕКТ4 (які випускаються в ВАТ "Запорізький електроапаратний завод"), а також застосовані в навчальному процесі Запорізького національного технічного університету при викладанні дисциплінах: "Системи керування електроприводами" та інші. Точність отриманих наукових результатів підтверджена належним збігом (з відхиленням менше за 5-8з результатами експериментальних досліджень, які проведені на дослідних і промислових зразках зазначених ЕП різної потужності (5, 13, 30, 75, 125, 250 і 315 кВт) напругою 380 В.

8. Результати дисертаційної роботи рекомендуються проектувальникам і експлуатаційникам асинхронних електроприводів з АІН-ШІМ, а також у навчальних курсах при підготовці інженерів спеціальностей фахового напрямку "Електромеханіка", в першу чергу – 8.092203 "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод".

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лохматов А.Г. Имитационная модель для расчета электромагнитных процессов при аварийных режимах коротких замыканий в автономном инверторе // Електротехніка та електроенергетика. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2007. – № . – С. .

2. Метельский В.П., Лохматов А.Г. Эффективные алгоритмы управления в аварийных режимах частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с автономными инверторами напряжения // Електротехніка та електроенергетика. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2005. – № . – С. .

3. Метельский В.П., Лохматов А.Г. Исследование, анализ и идентификация неполнофазных режимов инвертора в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе // Електротехніка та електроенергетика. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2006. – № . – С. .

4. Волков А.В., Метельский В.П., Лохматов А.Г. Анализ аварийного режима внутреннего короткого замыкания в асинхронном электроприводе с АИН-ШИМ // Техн. електродинаміка. – 2006. – № . – С. 29-36.

5. Волков А.В., Метельский В.П., Лохматов А.Г. Управление нерекуперативным асинхронным электроприводом с АИН-ШИМ при провале сетевого напряжения // Електротехніка та електроенергетика. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2006. – № . – С. .

6. Волков А.В., Метельский В.П., Лохматов А.Г. Анализ электромагнитных процессов и управление в рекуперативном асинхронном электроприводе с АИН-ШИМ при провале сетевого напряжения // Техн. електродинаміка. – 2007. – № . – С. .

7. Андриенко П.Д., Волков А.В., Лохматов А.Г. Преобразователи частоты серии ТТП(Е)1 // Промышленная энергетика. – 1992. – № . – С. .

8. А.с. СССР, МКИ Н 02 Н 7/12. Устройство для защиты тиристорного преобразователя от минимального напряжения с выдержкой времени / А.В. Волков, А.Г. Лохматов (СССР). – № /07; Заявлено 03.07.89; Опубл. 23.10.91. Бюл. № . – 1 с.

9. А.с. СССР, МКИ Н 02 Н 7/12. Способ защиты тиристорного преобразователя частоты / А.В. Волков, А.Г. Лохматов, Е.В. Носов, В.П. Танаевский (СССР). – № 4953191/07; Заявлено 07.05.91; Опубл. 07.01.93. Бюл. № . – 1 с.

10. А.с. СССР, МКИ Н 02 Р 7/42. Устройство для управления асинхронным электродвигателем / А.В. Волков, А.С. Гринченко, А.Г. Лохматов (СССР). – № /07; Заявлено 16.03.90; Опубл. 23.07.93, Бюл. № . – 1 с.

11. Метельский В.П., Лохматов А.Г. Управление частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами при просадках и провалах питающего напряжения // Матеріали конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації". Вісник КДПУ. – Кременчук. – 2005. – Вип. 4/33. – С. .

12. Волков А.В., Метельский В.П., Лохматов А.Г. Принципы управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с широтно-импульсной модуляцией в аварийных режимах // Матеріали конференції: "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". Вісник НТУ–ХПІ – Харків, 2005. – № . – С. .

13. Волков А.В., Метельский В.П., Лохматов А.Г. Неполнофазные режи-мы работы частотно-регулируемого асинхронного электропривода с широтно-импульсной модуляцией // Матеріали конференції: "Проблемы автоматизиро-ванного электропривода. Теория и практика". Електромашинобудування та електрообладнання. – К.: Техніка. – 2006. – Вип. . – С. .

14. Метельский В.П., Лохматов А.Г. Ударный момент асинхронного двигателя в частотно-регулируемом электроприводе при коротких замыканиях // Матеріали конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації". Вісник КДПУ. – Кременчук. – 2007. – Вип. 3/44. Ч.1 – С. 40-43.

Особистий внесок автора. Автор самостійно розробив у роботі [1] імітаційну модель асинхронного ЕП з АІН-ШІМ для дослідження аварійних режимів при КЗ в інверторі; у роботі [14] запропонував аналітичну залежність для розрахунку ударного електромагнітного момента двигуна при КЗ в інверторі; у роботах [7, ] створив загальну функціональну схему САК ЕП; у роботах [2, ] запропонував способи ідентифікації й ефективного керування асинхронними ЕП з АІН-ШІМ в аварійних режимах; у роботах [3, ] розробив імітаційну модель вказаного електроприводу та виконав дослідження неповно-фазних режимів, а також запропонував узагальнений спосіб ідентифікації цих режимів; у роботі [4] отримав аналітичні залежності для розрахунку аварійного струму силових ключів в режимах КЗ в інверторі та запропонував спосіб ідентифікації цих режимів; у роботах [5, ] отримав аналітичні залежності для електромагнітних процесів, що протікають у нерекуперативному і рекуператив-ному виконанні асинхронних ЕП з АІН-ШІМ при провалах напруги мережі живлення; у роботах [8, , ] запропонував ефективні способи автоматичного керування асинхронними ЕП при провалах напруги мережі живлення.

АНОТАЦІЇ

Лохматов А.Г. Визначення та попередження аварійних режимів асинхронних частотно-регульованих електроприводів – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню електромагнітних процесів, питанням ідентифікації й автоматичного керування при аварійних режимах в асинхронному електроприводі (ЕП) на основі автономного інвертора напруги (АІН) із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Для виконання досліджень електромагнітних процесів при аварійних режимах асинхронного ЕП з АІН-ШІМ розроблені орієнтовані на це математичний опис і імітаційна модель зазначеного ЕП, якими враховуються дискретні властивості і несинусоїдна форма вихідної напруги (струму) інвертора, нелінійність кривої намагнічування двигуна.

Методами операторного зображення, узагальнених векторів, еквівалентних джерел розраховані електромагнітні процеси в асинхронному ЕП з АІН-ШІМ при аварійних режимах: внутрішнього короткого замикання в інверторі, провалах і відновленні напруги мережі живлення ЕП, неповнофазних режимів інвертора, викликаних зникненням одного чи декількох керуючих імпульсів на його силових ключах.

На основі проведеного аналізу цих електромагнітних процесів отримані аналітичні залежності для інженерного розрахунку, запропоновані ефективні способи ідентифікації та автоматичного керування асинхронним ЕП з АІН-ШІМ при аварійних режимах, що запобігають виходу з ладу силових елементів електропривода при експлуатації.

Ключові слова: асинхронний електропривод, автономний інвертор напруги, широтно-імпульсна модуляція, аварійні режими, автоматичне керування.

Лохматов А.Г. Определение и предупреждение аварийных режимов асинхронных частотно-регулированных электроприводов – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Национальный горный университет. Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена исследованию электромагнитных процессов, вопросам идентификации и автоматического управления при аварийных режимах в асинхронном электроприводе (ЭП) на основе автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН-ШИМ).

Для выполнения исследований электромагнитных процессов в асинхронном ЭП с АИН-ШИМ при аварийных режимах разработаны ориентированные на это математическое описание и имитационная модель указанного ЭП, которыми учитываются дискретные свойства и несинусоидальная форма выходных напряжений (токов) инвертора, нелинейность кривой намагничивания двигателя.

Методами операторного изображения, обобщенных векторов и имитационного моделирования исследованы электромагнитные процессы асинхронного ЭП с АИН-ШИМ, протекающие при внутреннем и внешнем коротких замыканиях в инверторе, получены аналитические расчетные зависимости для аварийного тока в силовом ключе и предельного (максимально возможного) ударного электромагнитного момента двигателя в данных режимах. Разработана общая функциональная схема автоматического управления асинхронным ЭП с АИН-ШИМ при различных возможных аварийных режимах (внутреннем и внешнем коротких замыканиях, токовой перегрузке двигателя или преобразователя, неполнофазных режимах инвертора, кратковременных провалах сетевых силового напряжения или напряжения собственных нужд электропривода), предотвращающая выход из строя силовых элементов указанного электропривода в этих режимах.

С использованием методов операторного изображения и эквивалентных источников, кусочно-припасовочного метода исследованы электромагнитные процессы для асинхронного ЭП с АИН-ШИМ при кратковременных глубоких провалах и последующем восстановлении сетевого напряжения, получены ана-литические зависимости для тока выпрямителя и напряжения на конденсаторе фильтра в указанных режимах. Предложено эффективное автоматическое управление при провале сетевого напряжения, предотвращающее выход из строя силовых элементов электропривода в указанном режиме и обеспечивающее автоматическое повторное включение ЭП после восстановления сетевого напряжения.

Методом имитационного моделирования исследованы на холостом ходу и под нагрузкой электромагнитные процессы при неполнофазных режимах инвертора в асинхронном ЭП с АИН-ШИМ, возникающих при исчезновении одного, двух, трех и четырех управляющих импульсов с силовых ключей инвертора. Установлена опасность указанных аварийных режимов (заключающаяся в значительном увеличении амплитуды размаха пульсаций статорного тока и электромагнитного момента двигателя, напряжения на конденсаторе фильтра преобразователя частоты) и предложен способ их идентификации.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждена экспериментальными исследованиями на опытных и серийных образцах асинхронных ЭП с АИН-ШИМ. Результаты диссертационной работы нашли использование при разработке и изготовлении комплектных электроприводов типов ЭКТ2Ч, ТТП(Е) в ОАО НИИ "Преобразователь" (г. Запорожье) и ЭКТ4 на ОАО "Запорожский электроаппаратный завод".

Ключевые слова: асинхронный электропривод, автономный инвертор напряжения, широтно-импульсная модуляция, аварийные режимы, автоматическое управление.

Lohmatov A.G. Determining and preventing of fault modes in variable-frequency asynchronous electric drives – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 “Electrical engineering complexes and systems”. National Mining University. Dnipropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to research of electromagnetic processes, problems of identification and automatic control in emergency operation for the asynchronous electric drive on the basis of the voltage source inverter (VSI) with pulse-width modulation (PWM).

For performance of researches of electromagnetic processes at emergency operation asynchronous electric drive with VSI-PWM mathematical description and simulation model of electric drive are developed, by which discrete properties and nonsinusoidal wave form of output voltages (currents) of the inverter, nonlinearity of a curve of magnetization of the motor are considered.

With operational image, generalized vectors, equivalent sources techniques electromagnetic processes in asynchronous electric drive with VSI-PWM are calculated at fault modes: internal short-circuit in the inverter, a failure and restoration of grid voltage, open-phase modes of the inverter caused