НАЦIОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ “ЛЬВIВСЬКА ПОЛIТЕХНIКА”

ХIШАМ БУКIЛI

УДК 62-83:621.314.5

АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВIД З ЧАСТОТНИМ КЕРУВАННЯМ

ПІДЙОМНО – ТРАНСПОРТНИХ МЕХАНІЗМІВ

ЗА НОРМАЛЬНИМИ ТА АНОМАЛЬНИМИ РЕЖИМАМИ

05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Львiв – 2000

Дисертацiєю ? рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий керiвник – доктор технiчних наук, доцент

Радiмов Сергiй Миколайович,

Одеський державний морський університет,

професор кафедри електротехніки і

електрообладнання суден

Офiцiйнi опоненти – доктор технiчних наук, професор

Плахтина Омелян Григорович,

НУ “Львiвська полiтехнiка”,

професор кафедри електроприводу

кандидат технiчних наук, доцент

Рудий Тарас Володимирович,

Український державний лiсотехнiчний унiверситет,

доцент кафедри обчислювальної технiки та

моделювання технологiчних процесiв

Провiдна установа Нацiональний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”, кафедра автоматизованих

електромеханiчних систем Міністерства освіти

і науки України, м. Харків

Захист відбудеться 02.03.2001 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02. в Національному університеті “Львiвська полiтехнiка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд.__ )

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львiвська полiтехнiка" (79013, Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розiсланий 28.01.2001 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради Коруд В. I.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота направлена на дослідження електромеханічних процесів в пускових і робочих режимах електроприводів (ЕП) підйомно-транспортних машин (ПТМ) з урахуванням впливу фактичної вихідної напруги несинусоїдальної форми автономного інвертора напруги (АIН), яка формується за методами широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), широтно-імпульсного (ШІР) або амплітудно-імпульсного регулювання (АIР). Актуальність теми дисертаційного дослідження визначається, з одного боку, застосуванням ЕП, що все більш поширюються за системою "транзисторний перетворювач частоти (ПЧ) – асинхронний двигун (АД)", які працюють в напружених, повторно-короткочасних режимах в умовах нестабільного електропостачання, і тому характеризуються раптовими відключеннями напруги живлення та пов'язаними з ними аномальними процесами в електричній і механічній частинах ЕП, і, з іншого боку, - відсутністю результатів досліджень подібних процесів в науковій літературі.

Вказаний комплекс наукових досліджень направлений на підвищення надійності, поліпшення експлуатаційних показників асинхронних частотно-керованих електроприводів (АЧКЕП).

Для країн, що розвиваються, в тому числі і Марокко, всілякий розвиток науково-технічного рівня і широке промислове впровадження АЧКЕП набуває особливо актуального і важливого практичного значення з наступних причин. По-перше, це зумовлене високою економічною ефективністю цього виду техніки: він характеризується терміном окупності, що не перевищує 1–3 роки, та дозволяє на його основі впроваджувати нові високопродуктивні і енергозберігаючі технології, забезпечити істотну економію електроенергії (до 40 % і більше), підвищити продуктивність робочих механізмів на 20 %, зменшити експлуатаційні витрати на обслуговування в 5–10 разів і продовжити більш, ніж в 2 рази, термін служби електродвигунів. По-друге, при переході від регульованого ЕП постійного струму до АЧКЕП значно знижується споживання електротехнічної міді.

Електромеханічні системи (ЕМС) можна умовно поділити на інформаційну (керуючу) і енергетичну (силову) частини. У даній дисертаційній роботі основна увага приділена силовій частині ЕМС. Перелічені вище проблемні питання, розглянуті в даній роботі, підтверджують актуальність теми та її значність для широкого кола технологічних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертація виконувалася у відповідності з г/б НIР № 339-52 "Математичне моделювання регульованих електроприводів і систем автоматизації технологічних процесів".

Мета дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз процесів, що відбуваються в приводі за системою "Перетворювач частоти – асинхронний двигун", який працює в пуско-гальмових режимах, при комутації ключів АIН з частотою ШІМ, а також електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під впливом вихідної напруги інвертора, що формується за різними варіантами методу ШІМ, ШІР або АIР і що має несинусоїдальну форму.

Основні задачі дисертацiйної роботи. Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

1. обгрунтувати необхідність і доцільність побудови моделі трифазного АД в трифазних природних осях на основі узагальненого математичного представлення його без проміжного переходу до двофазних систем з супутними координатними перетвореннями;

2. розробити універсальну математичну модель ЕП за системою ПЧ-АД, яка доповнює відомі, раніше розроблені математичні моделі (MATHLAB, PSPICE і т.п.) і значно розширює їх функціональні можливості; модель повинна дозволяти дослідження електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в сталих і перехідних режимах роботи ЕП;

3. запропонувати і зіставити різні варіанти методів ШІМ, ШІР та АIР формування вихідної напруги АIН частотного ЕП і встановити алгоритм визначення комбінацій одночасно працюючих силових ключів інвертора і послідовності їх чергування; виходячи з вимог до асинхронного ЕП ПТМ, вибрати найбільш відповідні варіанти формування вихідної напруги;

4. проаналізувати аномальні режими ЕП, зумовлені раптовим відключенням живлення під час рекуперації енергії в мережу;

5. здійснити експериментальну перевірку основних теоретичних результатів і результатів моделювання на лабораторному експериментальному стенді та промислових зразках частотного електроприводу.

Об'єкт дослідження. Електропривід ПТМ за системою "перетворювач частоти – асинхронний двигун".

Предмет дослідження. Електричні, електромагнітні і електромеханічні процеси, супроводжуючі нормальні і аномальні режими роботи приводу.

Методи дослідження. Теорія електроприводу, теорія вентильних перетворювачів і теорія електричних машин – при аналізі електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в частотно керованому приводі; теорія автоматичного управління – при ідентифікації параметрів вхідних кіл; диференціальне і інтегральне числення – при розрахунку перехідних процесів; математичне моделювання.

Достовірність отриманих результатів дослідження на математичній моделі підтверджена експериментальними дослідженнями з перевіркою отриманих результатів на промислових приводах потужністю від 3 до 90 кВт, виконаних за системою ПЧ-АД, і на лабораторному стенді.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в тому, що були отримані і викладені наступні наукові результати:

– вперше виконано аналіз внутрішніх комутаційних процесів, що відбуваються в АIН на інтервалах між основними комутаціями при різних варіантах формування вихідної напруги інвертора за методами ШІМ, ШІР і АIР, та запропоновано рекомендації щодо вибору раціонального варіанта;

– вдосконалена двофазна модель ЕП за системою ПЧ-АД з урахуванням несинусоїдальності вихідної напруги інвертора і внутрішніх комутацій силових ключів;

– обгрунтована необхідність і доцільність побудови моделі АД, що живиться від АІН, в трифазних природних осях з урахуванням реальної несинусоїдальної форми вихідної напруги АIН без проміжного переходу до двофазних систем координат;

– вперше отримані аналітичні вирази для максимального значення струму аварійного режиму, викликаного раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу, а також миттєвості часу, при якому він досягається.

Практичне значення роботи і впровадження результатів досліджень:

– розроблені принципи визначення алгоритмів перемикання силових ключів АIН;

– розроблені рекомендації щодо застосування варіантів ШІМ в схемах АIН;

– розроблене програмне забезпечення для докладного дослідження окремих блоків і загалом ЕП за системою ПЧ-АД на цифровій моделі, що складається з блоків: реального керованого випрямляча (КВ) замість інерційної ланки, АIН з реальною формою вихідної напруги замість синусоїдальної чи напруги прямокутної форми і АД в трифазній системі координат замість двофазного його представлення;

– створена універсальна модель, яка може бути використана для аналізу роботи як існуючих електромеханiчних об'єктів, так і при проектуванні нових ЕП механізмів різного призначення; модель, яка представлена у вигляді програмного комплексу MCF-Hicham (Modulation Converter Frequency) "Електропривід за системою ПЧ-АД", призначена для вивчення взаємодії елементів АЧУЕП і дослідження його статичних і динамічних характеристик в робочих та аварійних режимах; програмний комплекс застосований в навчанні енергетиків газоперекачуючих станцій “УКРТРАНСГАЗ" (м. Київ, 2000); модель використана в Інституті проблем атомних станцій (м. Одеса) при аналізі варіантів приводу машини перевантаження ядерного палива АЕС і в учбовому процесі у вузах м. Одеси: морському і політехнічному університетах, Академії холоду. За допомогою моделі вдалося істотно скоротити витрати часу на пошук та усунення несправностей в промислових ПЧ потужністю 75 і 90 кВт.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто запропоновані підходи і способи побудови універсальної математичної моделі приводу за системою ПЧ-АД на основі узагальненого математичного представлення в природних трифазних осях без переходу до двофазних систем з супроводжуючими його координатними перетвореннями і з різними варіантами формування вихідної напруги інвертора за методами ШІМ, ШІР і АIР. У спільних публікаціях автору належать постановка задач, розробка універсальної математичної моделі ЕП за системою ПЧ-АД і результати виконаних за її допомогою досліджень.

У роботі [1] обгрунтована доцільність дослідження електромеханічних процесів у приводі за системою "ПЧ-АД" методами математичного моделювання. Аналіз процесів заряду-розряду у вхідних колах приводів з ШІМ та методи параметричного обмеження аварійного струму розглянуто у [2,3]. Внутрішні комутаційні процеси при формуванні вихідної напруги за методом ШІМ та деякі варіанти цього методу проаналізовані у роботі [4]. Переваги використання моделі АД, з'єднаного з АІН, у трьохфазних природних осях з урахуванням реальної несинусоїдальної форми вихідної напруги АІН без проміжного переходу до двофазних систем координат наведені у [5]. Ідентифікація параметрів вхідних кіл за метою керування процесами заряду-розряду конденсатора ланки постійного струму розглянуто у [6]. Загальна структура математичної моделі приводу за системою "ПЧ-АД" обгрунтована у [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на трьох семінарах Інституту електродинаміки Національної Академії Наук України з комплексної наукової проблеми "Наукові основи електроенергетики", на двох науково - технічних конференціях з міжнародною участю "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (м. Алушта, 1997, 2000 р.); програмний комплекс MCF-HICHAM експонувався на міжнародній виставці “Hi–Tech 2000" (м. Одеса, 2000 р.).

Публікації. Основні результати і матеріали дисертації відображені у семи наукових роботах, з яких 6 статей опубліковані в наукових журналах і міжвідомчих збірниках наукових робіт і одна доповідь опублікована в працях науково - технічної конференції.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 157 найменувань і 3 додатків. Робота містить 238 сторінок, 56 ілюстрацій і 33 таблиць. Загальний обсяг роботи 130 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи і дана приведена вище характеристика роботи, анотовано зміст розділів; відзначено, що всі результати, розміщені в розділах 1-4, отримані у поєднанні експериментальних досліджень на ряді промислових зразків ЕП з транзисторними ПЧ і моделювання за допомогою розробленого програмного комплексу MCF-Hicham, який відображає специфіку процесів, що відбуваються в основних блоках ПЧ і АД.

У першому розділі проведено аналіз виконаних робіт щодо дослідження електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів, які супроводжують функціонування ЕП за системою ПЧ-АД (рис.1). Результати досліджень частотно-керованого ЕП відображені в численних публікаціях зарубіжних і вітчизняних авторів. В Україні вагомий внесок в розвиток теорії та створення таких ЕП внесли колективи Інституту електродинаміки (м. Київ), НДІ Перетворювач (м. Запоріжжя), НДІ ХЕМЗ (м. Харків). Визначені основні напрями, постановка задач, припущення, підходи і методи дослідження. Проаналізовані проблеми дослідження електромеханічних процесів АЧКЕП і аварійні режими системи ПЧ-АД вантажопiдйомних машин. Наведено огляд та аналіз відомих математичних моделей.

Рис. 1. Функціональна схема приводу за системою ПЧ-АД

У другому розділі розглянуто принципи побудови універсальної математичної моделі АЧКЕП. Наведено моделі асинхронної машини і рівняння електричної рівноваги АД при частотному регулюванні швидкості.

Аналіз робіт щодо дослідження частотного ЕП і методів моделювання АД свідчить про те, що практично всі дослідники при моделюванні АД і приводу за системою ПЧ-АД використовують перехід до двофазних систем координат (a,b) або (х,у). При дослідженні ЕП за системою ПЧ-АД поставлена задача запису рівнянь динаміки з урахуванням внутрішніх комутаційних процесів АIН, пульсуючого характеру вихідної напруги, взаємного впливу трифазного ПЧ і трифазного АД при використанні двофазної моделі є важкою, складною і недоцільною. Очевидно, вимогам наглядності, зручності спостереження і реєстрації процесів, які відбуваються в ПЧ з ШІМ та досліджуються, відповідає уявлення АД і ПЧ в природних трифазних осях.

Початкова система диференціальних рівнянь в трифазній системі координат, записаних для кожної фази обмоток статора і ротора, в своєму складі має лінійно-залежні рівняння, тобто ця система є виродженою і її визначник тотожно дорівнює нулю. Для усунення лінійної залежності системи потрібно її модифiкувати: замість трьох диференціальних рівнянь залишити тільки два рівняння, записаних або для фазних, або для лінійних величин, а третє рівняння замiнити на алгебраїчне. Модифіковані диференціальні рівняння ПЧ-АД, записані в природних осях відносно перших похідних лінійних потокозчеплень статора і ротора, представляються:

, (1)

де , –лiнiйнi напруги, пiдведенi до статора.

Фазні потокозчеплення статора і ротора визначаються також за допомогою алгебраїчних співвідношень

. (2)

У алгоритмі розрахунку струмів необхідно враховувати, що при чисельному інтегруванні диференціальних рівнянь на кожному кроці обчислень відомі тільки ті потокозчеплення, які виступають як змінні стану. Рівняння потокозчеплень у векторно-матричному вигляді

, (3)

де – індуктивності статора; – приведена до статора індуктивність ротора; – взаємні індуктивності статора і ротора; – магнітний зв'язок однієї з обмоток статора з двома іншими обмотками; – магнітний зв'язок однієї з обмоток ротора з двома іншими обмотками.

Взаємні індуктивності статора і ротора в координатних осях a, b, с визначаються як функції взаємного кутового положення обмоток:

. (4)

Рішення невиродженої системи диференціальних рівнянь дозволяє визначити лінійні струми статора і ротора та на їх основі отримати фазні струми статора і ротора

. (5)

Електромагнітний момент двигуна розраховується в трифазній системі координат за виразом

. (6)

Розглянутий принцип побудови моделі трифазного АД спільно з ПЧ в трифазних природних осях дає можливість практичної реалізації і дослідження різних законів формування вихідної напруги та їх реалізуючих послідовностей комутації силових ключів АIН, дозволяє спростити модель і зменшити число рівнянь, а самі рівняння спростити завданням станів силової частини джерела напруги. При розгляді моделі роботи двофазного АД з трифазним АIН втрачається фізика протікання контурних струмів між цими блоками, і тому неможливо для конкретного такту внутрішніх комутацій АIН визначити напругу, що підводиться до статора, залежну від струму навантаження.

Основною вимогою, що пред'являється при формуванні структури і побудові моделі АЧКЕП, є можливість розгляду комутаційних процесів в трифазних АIН при формуванні вихідної напруги за методом ШІМ.

Виходячи з складності процесів в приводі ПЧ-АД, інструментами їх дослідження є математична модель ЕП, представлена в природних трифазних осях, і експериментальний метод дослідження; в доступній літературі внутрішні комутаційні процеси в приводі ПЧ-АД не відображені. Процес формування математичної моделі відбувався на основі поєднання результатів експеримента на промислових зразках ЕП і моделювання, внаслідок чого цілеспрямовано коректувалася модель об'єкта дослідження (рис.2).

Рис. 2. Процес формування математичної моделі АЧКЕП та її структура

Загальна структура моделі містить основні і допоміжні блоки. До основних відносяться блоки, що моделюють ПЧ і АД. До допоміжних можна віднести блоки зв'язку ПЧ з мережею живлення, пристроїв управління і захисту. При дослідженні динамічних процесів в цифровій моделі, представленій у вигляді програмного комплексу, враховується фактичне перемикання силових ключів АIН.

Відомо, що трифазний АIН має вісім станів (рис.3), що описуються в двійковому коді комбінаціями від 000 до 111. Шість основних векторів U0,…, U300 розташовані в просторі зі зсувом 60° і відповідають наборам з трьох включених транзисторів; при стані 000 всі верхні транзистори (Т1, Т3 і Т5 – див. рис.1) відключені; стан 111 відповідає одночасному включенню трьох верхніх транзисторів. Розроблена модель дозволяє аналізувати процеси, що відбуваються не тільки при основних, але і, що особливо цінно, при всіх внутрішніх комутаціях, що відбуваються між основними комутаціями, даючи найбільш точне наближення до реальних процесів.

Рис. 3. Основні просторові вектори і послідовності переключень

Розглянуто процеси в статичних і динамічних режимах роботи АIН в складі частотного ЕП з урахуванням реальної форми вихідної напруги АIН (методи АIР, ШІР, ШІМ) або з вихідним напруженням синусоїдальної форми (як з виходу синхронного генератора). Передбачено вибір вигляду модуляцiйної функції АIН: з однополярною напругою, що розгортається від нуля до +UС; з двополярною напругою, що розгортається від мінус UC до +UС; зі зміщенням відносно початку

відліку. Розглянуто всі можливі робочi комбінації з трьох керованих (три транзистори) або некерованих (три зворотних діоди) силових ключів. З урахуванням того, що в кожній фазі АIН для виключення режиму короткого замикання (к.з.) повинен відкриватися тільки один ключ (верхній або нижній), серед можливих виділені по 6 реальних комбінацій, вказаних, відповідно, для транзисторів (табл.1) і для зворотних діодів (табл.2).

У таблицях 1 і 2 приведена інформація про підведені до навантаження АIН фазні напруги та струми, що протікають по навантаженню і силових ключах. При розгляді всіх можливих комбінацій перемикання керованих і некерованих силових ключів (один транзистор і два зворотних діоди або два транзистори і один зворотний діод) залишимо по 12 реальних комбінацій, вказаних, відповідно, при 2 керованих силових ключах (табл.3) і при двох некерованих ключах (табл.4).

Таблиця 1

Комбінації з трьох керованих силових ключів

Таблиця 2

Комбінації з трьох некерованих силових ключів

Таблиця 3

Комбінації з двох керованих силових ключів

Таблиця 4

Комбінації з двох некерованих силових ключів

Таким чином, в трифазних АIН можливі всього 36 реальних комбінацій одночасного включення силових ключів. Струми силових ключів АIН визначаються за допомогою логічних рівнянь. Вхідний струм АIН визначається з урахуванням того, що в кожному такті враховуються струми силових ключів, шлях протікання яких замикається тільки через конденсатор ланки постійного струму (ЛПС). Струм, що протікає через позитивний i негативний вивід

; . (7)

При визначенні вхідного струму АIН за рівняннями (7) не враховуються струми некерованих ключів при роботі двох транзисторів і одного зворотного діода або струми керованих силових ключів при роботі одного транзистора і двох зворотних діодів, оскільки відповідні контурні струми при одночасній роботі керованих і некерованих силових ключів не замикаються через конденсатор ЛПС. З урахуванням динамічних процесів в приводі ПЧ-АД визначено баланс між кінетичною енергією рухомих частин ЕП і електростатичною енергією конденсатора ЛПС.

Запропоновано структуру цифрової математичної моделі процесів заряду і розряду конденсатора приводів змінного і постійного струму з проміжною ЛПС, що передбачають рекуперацiю енергії в мережу. Модель дозволяє дослідити як макро, так і мiкропроцеси.

При моделюванні трифазного АД використовується блок введення початкових даних, відповідаючих Т-образній або Г-образній спрощеним схемам заступлення. Також задаються режими, що досліджуються: прямий пуск, частотний пуск, сталий режим, гальмування, реверс АД, підключеного безпосередньо до мережі (М-АД), до синхронного генератора (СГ-АД) або до перетворювача частоти (ПЧ-АД). Передбачений вибір типу моделі з представленнями в трифазній системі координат та природних осях або в двофазній системі координат при wk = w0 або wk = 0.

Третій розділ присвячено дослідженню процесів в основних блоках електроприводу за системою ПЧ-АД. Розглянуті процеси, що протікають при комутації ключів в трифазних АIН (рис.3), які супроводжують формування напруги за методом ШІМ на виході iнвертора. Двійкові представлення двох суміжних основних просторових векторів відмінні тільки в одному біті. Тобто, тільки один з верхніх транзисторів перемикається, коли стан перемикання змінюється від UХ до UХ+60 або від UХ+60 до UХ. Для оцінки прикладеної до двигуна напруги Uвих (рис.3) недостатньо враховувати стани тільки верхніх транзисторів. Тому розглянуто процеси, що відбуваються при багаторазовій комутації всіх силових ключів за період вихідної напруги, і послідовність роботи ключів при формуванні на виході ПЧ напруги несинусоїдальної форми, прикладеної до статора АД.

Розглядається функціонування елементів АIН як складової частини ПЧ. Для аналізу комутаційного процесу зіставлені бажані напруги, модуляцiйнi функції і можливі зони ввімкнення ключів фаз a, b і с (рис.4,а). На основі їх знаходимо лінійні напруги (рис.4,б) і фактичні фазні напруги (рис.4,в), які мають 3 рівня (0, 1/3, 2/3); за базове значення прийнята напруга ЛПС.

а) б) в)

uб - бажана напруга, Fм - модуляцiйна функція; лінійні напруги:

бажана Uб.л і фактична Uл; фазні напруги: бажана Uб.ф і фактична Uф

Рис. 4. Формування вихідної напруги трифазного АIН за методом ШІМ

Розглянуто процеси, що відбуваються при роботі трифазного АIН, який живить симетричне R-L навантаження. Особливість роботи трифазного АIН полягає в тому, що струм протікає в навантаженні лише в тих випадках, коли одночасно співпадають умови відкритого стану ключів в трьох фазах. Тому функціонування iнвертора характеризується циклічним чергуванням декількох комбінацій провідних станів ключів, по яких одночасно протікають струми трифазного симетричного R-L навантаження: три транзистори, два транзистори і діод, два діоди і транзистор, а також три діоди.

Встановлено комбінації ключів iнвертора, що проводять струм, і послідовність їх чергування; визначено напрями протікання струмів в фазах навантаження і ключі iнвертора, через які вони замикаються. Приведено графіки бажаних напруг, однополярних і двополярних модуляцiйних функцій і відкритих станів ключів фаз a, b і с. Отримано часові графіки зміни фазних напруг і протікаючих в навантаженні струмів фаз a, b і с, показано еквівалентні схеми iнвертора, відповідні конкретним тактам.

Рівняння електричної рівноваги для першого такту записуються:

при лінійних змінних при фазних змінних

(8)

Приведені матеріали свідчать про багатофакторнiсть протікаючих процесів комутації, їх залежність від частоти ШІМ та параметрів навантаження. Не менш складні процеси відбуваються в ЕП, коли до виходу АIН підключено АД, оскільки одночасно доводиться враховувати стани ключів, умови їх включення і односторонню провідність, напрям протікання і характер струмів (безперервний, переривистий) в навантаженні. Стани керованих і некерованих ключів АIН визначаються як сигналами управління, так і фазними напругами і струмами статора на кожному кроці розрахунку.

Проаналізовано алгоритми утворення варіантів формування вихідної напруги АIН. Показано розрахункові співвідношення для фазних напруг, визначено фактичні лінійні напруги шляхом розв'язання рівнянь співпадання бажаних миттєвих лінійних напруг uб.аb, uб.bc та uб.ca з розгортаючими сигналами ; позначені ситуацїї, коли лінійні напруги не співпадають з різницями фазних напруг uлab № uфa – uфb, що відповідає двом ключам, ввімкненим одночасно в одному плечі АІН, які приводять до режиму к.з. За першим способом усунення режиму к.з. лінійна фактична напруга ubc обчислюється при рішенні рівняння збігу бажаної миттєвої лінійної напруги uб.bс з сигналом , що розгортається; воно дорівнює напрузі ЛПС при умові, що лінійні напруги uаb і ubс співпадають за знаком, тоді знак лінійної напруги ubс буде протилежний; лінійна фактична напруга uса обчислюється за формулою uca = – uab – ubc; встановлено, що якщо лінійні напруги співпадають з різницями фазних напруг uлab = uфa – uфb, то режим к.з. усувається. Аналогічно аналізуються і розглядаються інші варіанти АIР, ШІР і ШІМ, приведені у відповідних таблицях. Методика визначення і алгоритм формування вихідної напруги АIН, а також умови комутації силових ключів показані при однополярній і двополярній функціях, що розгортаються. Представлено спосіб утворення і модифікації варіантів формування вихідної напруги АІН.

Розглянуто 73 варіанти формування вихідної напруги АIН: 56 варіантів з ШІМ, 15 варіантів з ШІР і два варіанта з АІР. З 56 варіантів з ШІМ 49 варіантів отримані з двополярною функцією, що розгортається, і 7 варіантів – з однополярною функцією. З 15 варіантів з ШІР 8 варіантів – з двополярною функцією, що розгортається, і 7 варіантів – з однополярною функцією. Виконано порівняльний аналіз варіантів формування вихідних напруг АIН за методами АIР, ШІР та ШІМ; дано рекомендації щодо їх застосування. Встановлено варіанти, при яких фактична частота напруги подвоюється відносно бажаної. Порівняння бажаних і фактичних вихідних напруг АIН при їх формуванні за різними методами проводилося за величиною відносної помилки D

%, (9)

де Uб – бажана напруга; U – фактична напруга.

На основі порівняння середніх, средньоквадратичних і максимальних значень вихідних бажаних і фактичних напруг АIН з однополярною і двополярною модуляційною функцією сформульовано рекомендації щодо застосування варіантів формування вихідної напруги.

Для одного з варіантів формування вихідної напруги АIН представлені (табл.5) комбінації ключів інвертора, що проводять струм, і послідовність їх чергування в інтервалі p/3 (60°) між двома основними комутаціями (внутрішні комутації з ШІМ). Вказано відносні рівні фазних напруг, напрями фазних струмів і ключі, через які вони протікають. Зображені еквівалентні схеми, відповідні тактам роботи приводу ПЧ-АД (рис.5) та ілюструючі їх комбінації. Приведено графіки зміни в часі фазних напруг і протікаючих струмів фаз a, b і с двигуна (рис.6).

Таблиця 5

Послідовність робочих комбінацій ключів АIН в складі ПЧ-АД

Рис. 5. Еквівалентні схеми, відповідні тактам 1, 2 і 4

Рис. 6. Фазні напруги і струми АД

За допомогою моделi досліджено реверсивний тиристорний перетворювач РТП у режимi заряду і розряду конденсатора ЛПС. Приведено схемні рішення вхідного блоку, що передбачають рекуперацию енергії. Для цього замість некерованого діодного випрямляча встановлюють керований реверсивний тиристорний перетворювач або діодний випрямляч шунтується зустрічно - паралельно включеними повністю керованими вентилями (тиристорними або транзисторними).

Зміни основних величин, що характеризують процес заряду – розряду, подаються у вигляді часових діаграм миттєвих значень (рис.7) при розiмкнутiй системі керування (СК): напруг u2ф і струмів i2ф вторинної обмотки НН трансформатора і напруги uC на конденсаторі ЛПС.

Рис. 7 Процеси заряду-розряду конденсатора ЛПС

Розглянуто параметричний спосіб обмеження величини максимального значення струму в процесах заряду і розряду шляхом введення додаткового резистора Rдод. або індуктивності Lдод.. Досліджено їх вплив на зміну струму розряду конденсатора в режимі рекуперацiї енергії в мережу.

Розглянуто керування величиною струму заряду-розряду конденсатора ЛПС. Для цього ідентифіковано параметри об'єкта управління і визначена структура замкненої СК процесами заряду-розряду конденсатора проміжної ЛПС, запропоновано настройку регуляторів. Проведено моделювання процесів заряду-розряду конденсатора фільтра ЛПС при розімкненій і синтезованій замкненій СК, що підтвердило правильність прийнятих рішень.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням і моделюванню приводу за системою ПЧ-АД. Зіставляються результати експериментальних досліджень і моделювання процесів, що відбуваються в ЕП за системою ПЧ-АД. Як відзначено в розділі 2, створення математичної моделі об'єкта тісно пов'язане з експериментом. При цьому потрібно розрізнювати як якісну достовірність результатів моделювання і правильне відображення ними суті фізичних процесів, що спостерігаються в об'єкті, так і кількісну близькість або наближення результатів розрахунку на моделі і отриманих експериментально.

Проаналізовано перехідні і сталі режими роботи ряду частотно-керованих промислових ЕП і приводу на лабораторному дослідницькому стенді. Початкова інформація отримана при проведенні експериментів на ЕП наступних механізмів і установок: 1- пересування і висунення завантажувальної головки судонавантажувача Одеського припортового заводу, обладнаних ПЧ серії Simovert фірми Siemens потужністю 55 кВт з потужністю привідних двигунів 4 х 11 кВт, у приводах передбачена рекуперация енергії в мережу; 2- лабораторна установка з ПЧ серії Altivar 45 фірми Schneider Electric (SE) потужністю 11 кВт, двигун типу АОК2-52-6 потужністю 5,5 кВт, на валу двигуна встановлений маховик, момент інерції якого в 9,63 рази більше моменту інерції двигуна; 3- пересування мостового крана з підлоговим керуванням (порт “Южный”) – ПЧ серії Altivar 18 фірми SE потужністю 3 кВт, привідні двигуни типу АИР потужністю 2 х 0,55 кВт; 4- стартерний привід газової турбіни з ПЧ серії Altivar 66 фірми SE потужністю 90 кВт, двигун типу АСТ потужністю 75 кВт; 5- привід повороту портального крана "Сокол" (порт “Южный”) – ПЧ серії Altivar 66 фірми SE потужністю 55 кВт, привідні двигуни 2 х 26 кВт; 6- лабораторний стенд фірми Siemens з ПЧ Simovert потужністю 1,5 кВт, АД типу 1LA5090-4AAG0Z потужністю 1,1 кВт, з'єднаний з навантажувальною машиною постійного струму за допомогою муфти з вбудованим прецизійним тахогенератором.

На вказаних приводах осцилографувались процеси пуску і гальмування приводу, а також ті, що відбуваються при першому підключенні ПЧ до мережі, пов'язані з зарядом конденсатора ЛПС.

Перевірка адекватності моделі приводу з частотним керуванням виконувалася поетапно. На попередньому етапі зіставлялися результати експериментів на лабораторному стенді з моделюванням АД, отримуючого живлення від мережі: осцилографувались пускові режими при підключенні АД до мережі, обмотки статора сполучалися за схемою трикутника і зірки. За даними експеримента розраховані і побудовані динамічні механічні характеристики w = f(M) і зміни коефіцієнта потужності cos j в функції швидкості w під час пуску. Для порівняння були промодельовані аналогічні режими прямого пуску АД при з'єднанні обмоток в трикутник і зірку. Порiвняння результатів експеримента і моделювання свідчить, що вони відрізняються незначно (в межах 3-5 %). Це дозволяє стверджувати про достовірність результатів моделювання і адекватність моделі власне АД, представленої в природних трифазних осях.

На наступному етапі перевірки проведено зіставлення режимів частотного пуску АД за результатами експеримента і моделювання. Для цього проводився пуск приводу лабораторної установки з різною тривалістю; осцилограми струму і кутової швидкості АД при тривалості пуску 3,3 с представлені на рис.8.

Рис. 8. Осциллограми кутової швидкості (1) та фазного струму (2) при частотному пуску АД

Розроблено методику моделювання аварійних режимів приводу за системою ПЧ-АД.

Створена математична модель дозволяє дослідити макро і мікропроцеси. Крім процесів, що протікають при нормальному функціонуванні приводу, модель дозволяє проводити дослідження деяких аномальних і аварійних режимів. Приведено блок-схему моделі дослідження аварійних процесів. Отримані графіки аварійного процесу в режимі рекуперації, викликаного раптовим відключенням напруги живлення при t = 0.06 с (рис.9).

Рис. 9. Аварійний режим при раптовому відключенні напруги живлення

Визначено аналітичні вирази максимального значення аварійного струму Id.макс і миттєвості часу tмакс, при якій аварійний струм досягає свого пікового значення id = Id.макс. Достовірність аналітичних виразів перевірена зіставленням результатів розрахунку і експерименту.

З цією метою на приводі висунення головки судонавантажувача проведено експеримент з раптовим відключенням напруги живлення при гальмуванні механізму, що опускається. Для зменшення викиду струму в ЛПС введено струмообмежуючий резистор. Зафіксоване при експерименті максимальне значення струму практично збіглось з результатом моделювання. Цим і іншими експериментами підтверджена адекватність процесів, що моделюються і зафіксованих експериментально на лабораторних та промислових установках.

ВИСНОВКИ

Внаслідок виконаних в дисертаційній роботі досліджень отримані наступні наукові і технічні результати:

1. Проаналізовано стан і методи дослідження процесів, що відбуваються в приводах за системою ПЧ-АД, призначених для механізмів підйомно-транспортних машин, на основі яких сформульовані мета і задачі роботи.

2. Обгрунтовано необхідність і доцільність побудови моделі АД, який живиться від АIН, в трифазних природних осях з урахуванням реальної несинусоідальної форми вихідної напруги інвертора без проміжного переходу від двофазного представлення, що широко застосовується, до трифазної системи координат.

3. Вперше виконано аналіз внутрішніх комутаційних процесів, що відбуваються в АIН в інтервалах p/3 між основними комутаціями при різних варіантах формування його вихідної напруги за принципами ШІМ, ШІР та АIР.

4. Розроблено рекомендації щодо вибору раціонального варіанту формування вихідної напруги АIН за принципами ШІМ, ШІР та АIР.

5. Розроблено універсальну математичну модель електроприводу за системою ПЧ-АД, яка доповнює відомі, раніше розроблені моделі, такі, як MATHLAB, PSPICE, та розширює їх функціональні можливості під час проведення досліджень електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в сталих і перехідних режимах роботи приводу, а також дозволяє аналізувати аномальні режими, зумовлені раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу.

6. Вперше отримані аналітичні вирази максимального значення струму аварійного режиму у вхідних колах ПЧ, викликаного раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу, а також миттєвості часу, при якій він досягається.

7. Проведено експериментальну перевірку основних теоретичних результатів та результатів моделювання на промислових зразках частотного приводу і лабораторній установці, яка підтвердила їх адекватність.

8. Створений на основі моделі приводу за системою ПЧ-АД програмний комплекс "MCF-HICHAM" використано в учбовому процесі у трьох одеських вузах, а також при навчанні енергетиків газоперекачуючих станцій "УКРТРАНСГАЗ" і застосовано в Інституті проблем атомних станцій для аналізу варіантів приводу перевантажувальної машини АЕС. Комплекс був представлений на виставці “Hi-Tech 2000" у березні 2000 р.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Радимов С.Н.,Букили Хишам, Хандакжи К.А. Математические модели регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока грузоподъемных машин // Електромашинобудування та електрообладнання, 1997. Вип. 49. - С. 27-32.

2. Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическое моделирование процессов заряда- разряда емкости звена постоянного тока частотного электропривода с рекуперацией энергии // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. Межвузовский журнал, изд. ХГТУ, Херсон, 1998, № 2.- С. 12-23.

3. Радимов С.Н., Букили Хишам. Исследование на математической модели аварийных режимов в звене постоянного тока регулируемых приводов постоянного и переменного тока с ШИМ и рекуперацией энергии в сеть // Електромашинобудування та електрообладнання, 1998. Вип. 50. - С. 26 - 33.

4. Радимов С.Н., Букили Хишам. Коммутационные процессы в трехфазных АИН при формировании выходного напряжения по методу ШИМ // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. Научно-технический журнал, изд. ХГТУ, Херсон, 2000, № 1(6).- С. 121-128.

5. Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическая модель частотного привода, представленная в естественных трехфазных осях // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вісник Харківського державного політехнічного університету. Зб. наук. пр., Вип. 113. Харків, ХДПУ, 2000. - С. 57-60.

6. Букили Хишам. Идентификация параметров звена постоянного тока электроприводов с ШИМ // Холодильная техника и технология. Научное издание, Одесская госуд. акад. холода. 2000, вып. 68.- С. 95-98.

7. Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическая модель для исследования асинхронного электропривода с частотным регулированием скорости // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: [Труды научно-технической конференции].- Харьков: Основа, 1997. С. 88 - 89.

АНОТАЦІЯ

ХIШАМ БУКIЛI. Асинхронний електропривiд з частотним керуванням підйомно - транспортних механізмів за нормальними та аномальними режимами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Національний університет “Львiвська полiтехнiка”, Львів, 2000.

Дисертація присвячена аналізу процесів, що відбуваються в приводі за системою ПЧ-АД, який працює в пуско-гальмових режимах, при комутації ключів автономного інвертора напруги (АIН) з частотою ШІМ, а також електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під впливом вихідної напруги інвертора, що формується за різними варіантами методу ШІМ, ШІР або АIР. Особлива увага приділена дослідженню внутрішніх комутаційних процесів в АІН і аварійних процесів приводу, що відбуваються при раптовому відключенні напруги живлення. Проведено порівняльний аналіз 73 варіантів формування вихідної напруги АІН, розроблені рекомендації щодо їх ефективного застосування. Запрпонований універсальний програмний комплекс "MCF-Hicham" дозволяє дослідити нормальні і аномальні режими приводу в природних трифазних осях без проміжного переходу від двофазного представлення, що широко застосовується, до трифазної системи координат. Модель використовується на виробництві для пошуку і усунення несправностей ПЧ, в науково-дослідних установах для вибору варіантів привода і у вузах для аналізу процесів, які відбуваються в приводі.

Ключові слова: підйомно-транспортні машини, асинхронний частотно-керований електропривід, автономний інвертор напруги, внутрішні комутації, моделювання, аварійні режими.

АННОТАЦИЯ

Хишам БУКИЛИ. Асинхронный электропривод с частотным управлением подъемно - транспортных механизмов при нормальных и аномальных режимах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы. – Национальный университет “Львiвська полiтехнiка”, Львов, 2000.

Диссертация посвящена анализу процессов, происходящих в приводе по системе ПЧ-АД, работающем в пуско-тормозных режимах, при коммутации ключей АИН с частотой ШИМ, а также электрических, электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронных электроприводах при воздействии напряжений, формируемых в инверторе по различным вариантам метода ШИМ, ШИР или АИР. Особое внимание уделено исследованию внутренних коммутационных процессов в АИН и аварийных процессов привода, происходящих при внезапном отключении питающего напряжения.

В разделе 1 проведен анализ выполненных работ по исследованию процессов, сопровождающих работу ЭП по системе ПЧ-АД. Определены направления исследования электромеханических процессов и аварийных режимов в приводе по системе ПЧ-АД грузоподъемных машин.

В разделе 2 рассмотрены принципы построения универсальной математической модели привода. Приведены модели асинхронной машины и модифицированные уравнения динамики АД при частотном регулировании, учитывающие внутренние коммутационные процессы АИН, пульсирующий характер выходного напряжения, взаимовлияние ПЧ и АД; уравнения записаны в естественных трехфазных осях без промежуточного перехода от широко применяемого двухфазного представления к трехфазной системе координат. Процесс формирования математической модели происходил на основе сочетания результатов эксперимента на промышленных образцах ЭП и моделирования, в результате чего целенаправленно корректировалась его модель. Описаны основные и вспомогательные блоки цифровой модели, представленной в виде программного комплекса “MCF-HICHAM”, учитывающей фактические