Разработка и исследование частотного асинхронного электропривода на базе инвертора тока с внутренним контуром регулирования напряжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Пешков, Дмитрий Васильевич

• Пешков, Дмитрий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пешков, Дмитрий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЧАСТОТНЫМ И ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

1.1 Обзор схем и принципов управления преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

1.2 Анализ электромагнитной совместимости преобразователей частоты с двигателем и питающей сетью.

1.3 Оценка режимов работы и требований к электроприводу механизмов непрерывного действия.

1.4 Постановка задач исследования.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

2.1 Математическое описание асинхронного двигателя.

2.2 Математическое описание инвертора тока на полностью управляемых полупроводниковых ключах и управляемого тиристорного выпрямителя

2.3 Математическое описание системы управления инвертором тока с формированием напряжения на конденсаторах фильтра.

2.4 Метод определения величины тока промежуточного звена.

Выводы.•.

3 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ФОРМИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНДЕНСАТОРАХ ВЫХОДНОГО ФИЛЬТРА И РЕЖИМЫ ИХ РАБОТЫ

3.1 Исследование установившихся режимов работы электропривода с автономным инвертором тока и формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра.

3.2 Разомкнутая система управления электроприводом без обратной связи по скорости вала асинхронного двигателя.

3.3 Система управления электроприводом с поддержанием постоянства потокосцепления статора асинхронного двигателя.

3.4 Система управления электроприводом с поддержанием абсолютного скольжения асинхронного двигателя в установившемся режиме.

3.5 Система управления электроприводом с непрямым управлением токами статора асинхронного двигателя.

3.6 Исследование режима рекуперативного торможения в электроприводе с автономным инвертором тока и формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра.

Выводы.

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ

ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ИНВЕРТОРА ТОКА С ФОРМИРОВАНИЕМ

НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНДЕНСАТОРАХ ВЫХОДНОГО ФИЛЬТРА.

4.1 Исследование влияния преобразователя частоты с тиристорным выпрямителем на питающую сеть.

4.2 Математическая модель активного выпрямителя тока.

4.3 Система управления асинхронным электроприводом с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра, активным выпрямителем тока и поддержанием постоянства потокосцепления статора.

4.4 Оценка экономической целесообразности использования асинхронного электропривода с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование частотного асинхронного электропривода на базе инвертора тока с внутренним контуром регулирования напряжения»

В настоящее время частотно-регулируемый асинхронный электропривод находит все большее и большее применение во всех отраслях промышленности. Наиболее широкое применение находят асинхронные электроприводы на базе преобразователей частоты с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, что объясняется простотой системы управления. Однако применение широтно-импульсной модуляции для формирования выходного напряжения является причиной возникновения негативных воздействий на двигатель, приводящих к необходимости применения асинхронных двигателей с обмоткой специального исполнения, что увеличивает стоимость и время ремонта электропривода в целом. Кроме того, выходное напряжение в виде прямоугольных импульсов, как это имеет место в автономном инверторе напряжения, является причиной возникновения электромагнитных помех, негативных для находящихся в непосредственной близости вычислительных и управляющих устройств и сетей.

Существует класс преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока, которые формируют гораздо более благоприятные для двигателя формы токов и напряжений, но по причине сложности систем управления получившие распространение только в особо мощных электроприводах.

Целью работы является разработка и исследование принципа управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором тока, который позволяет создавать простые системы управления без датчика скорости на валу двигателя.

Идея работы заключается в создании системы управления электроприводом на базе автономного инвертора тока, которая, используя релейные регуляторы и сигналы обратной связи по напряжению, поддерживает напряжение на конденсаторах выходного фильтра в заданных границах, что придает инвертору тока некоторые свойства источника напряжения и позволяет отказаться от использования обратной связи по скорости вала асинхронного двигателя.

Научная новизна:

- предложен принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра автономного инвертора тока, отличающийся от существующих возможностью реализации систем управления без использования датчика скорости на валу двигателя;

- предложены системы управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором тока и формированием мгновенного значения напряжения на конденсаторах выходного фильтра на базе релейного регулятора напряжения с внутренним контуром регулирования напряжения;

- предложена система частотного управления асинхронным электроприводом, отличающаяся поддержанием на оптимальном уровне абсолютного скольжения с обеспечением минимума потерь в асинхронном двигателе.

Практическая ценность:

- предложенный принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра позволяет создавать разомкнутые по скорости системы управления асинхронными электроприводами на базе инверторов тока, а также использовать в них двигатели общего назначения;

- улучшена форма выходного напряжения инвертора, характеризующаяся уменьшением коэффициента несинусоидальности в 3 раза.

Методы и объекты исследования - практические исследования и хматема-тическое моделирование систем частотного асинхронного электропривода иа базе авюномного инвертора тока на языке моделирования Modelica.

Достоверность результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода и электротехники и экспериментальными данными.

Реализация работы. Полученные в исследовании математические модели внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» г. Уфа, 2009 г.; на научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры электропривода, 3 июля 2009 г., ЛГТУ, г. Липецк.; на региональной научно-технической конференции «Организационное, информационное и методическое содействие созданию и развитию инновационно-технологических центров, бизнес-инкубаторов, малых инновационных организаций по привлечению к инновационной деятельности высших учебных заведений», 2009 г., ЛГТУ, г. Липецк.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Пешков, Дмитрий Васильевич

выводы

Оценка качества тока, потребляемого исследуемым электроприводом из питающей сети, а также изучение рыночных цен на силовые компоненты преобразователя частоты, позволяют сформулировать следующие выводы:

- Наличие выходного фильтра существенной емкости при использовании тиристорного выпрямителя в электроприводе с АИТ и формированием выходного напряжения приводит к повышенному потреблению реактивного тока из питающей сети. В зависимости от частоты выходного напряжения и нагрузки на валу двигателя угол сдвига между первыми гармониками сетевого напряжения и потребляемого тока составляет от 50 до 87°.

- Для формирования входного тока активного выпрямителя тока целесообразно использовать алгоритм векторной ШИМ.

- Стоимость ПЧ-АИТ с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра выше, чем стоимость традиционного ПЧ-АИН с синусным фильтром на выходе в среднем на 38%. Более высокая стоимость предлагаемого типа электропривода вызвана высокой стоимостью сглаживающих дросселей промежуточного звена. Предлагаемый тип электропривода более надежен и обеспечивает возможность рекуперации энергии торможения в питающую сеть, реализация которой в традиционном электроприводе с ПЧ - АИН требует установки дополнительного комплекта полупроводниковых ключей, что существенно увеличивает стоимость установки электропривода на базе ПЧ - АИН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследования частотного асинхронного электропривода с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока была решена актуальная задача создания системы управления, которая, используя релейные регуляторы и сигналы обратной связи по выходному напряжению, придает инвертору тока некоторые свойства источника напряжения и позволяет отказаться от использования обратной связи по скорости вала асинхронного двигателя.

Основные научные результаты и выводы диссертации:

- Принцип формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра заключается в определении моментов коммутации силовых ключей автономного инвертора тока на основании данных об отклонении мгновенного значения напряжения на каждом из конденсаторов выходного фильтра от сигнала задания синусоидальной формы, тем самым преобразователь частоты с автономным инвертором тока приобретает некоторые свойства управляемого источника трехфазного синусоидального напряжения высокого качества.

- Анализ установившихся режимов работы асинхронного электропривода с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра показал следующее: коэффициент несинусоидальности формируемого напряжения составляет от 3 до 17%; возрастание частоты коммутации силовых ключей АИТ с ростом нагрузки при малых частотах выходного напряжения ограничивает нижний предел частоты выходного напряжения величиной порядка 10 Гц; имеет место влияние коэффициента запаса при определении задания на ток промежуточного звена на частоту коммутации силовых ключей инвертора, которое при изменении коэффициента запаса от 1,0 до 1,5 приводит к увеличению частоты коммутации ключей инвертора в три раза.

- Использование принципа формирования напряжения на конденсаторах выходного фильтра позволяет создавать разомкнутые по скорости вала двигателя системы управления. Для построения более сложных систем управления могут быть использованы детально разработанные и проверенные на практике принципы управления традиционными асинхронными электроприводами с преобразователями частоты на базе автономных инверторов напряжения.

- Наличие конденсаторов выходного фильтра с емкостью, увеличенной в 3 раза по сравнению с традиционными схемами, приводит к потреблению реактивной мощности из питающей сети, минимум на 20% превышающей потребляемую активную мощность. Данный недостаток может быть исключен применением активного выпрямителя тока.

- Стоимость преобразователя частоты с автономным инвертором тока с формированием напряжения на конденсаторах выходного фильтра выше, чем традиционного преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения и синусным фильтром на выходе в среднем на 38%. Более высокая стоимость предлагаемого типа электропривода вызвана высокой стоимостью сглаживающих дросселей промежуточного звена. Предлагаемый тип электропривода более надежен и обеспечивает возможность рекуперации энергии торможения в питающую сеть, реализация которой в традиционном электроприводе с ПЧ - АИН требует установки дополнительного комплекта полупроводниковых ключей, что существенно увеличивает стоимость установки электропривода на базе ПЧ - АИН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пешков, Дмитрий Васильевич, 2010 год

1. Ильинский, Н. Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода Текст. / Н. Ф. Ильинский // Электричество. — 2003. — № 2.

2. Бернштейн, А. Я. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе Текст. / А. Я. Бернштейн, Ю. М. Гусяцкий, А. В. Кудрявцев, Р. С. Сарбатов. — М.: Энергия, 1980.-328 с.

3. Чиженко, И. М. Справочник по преобразовательной технике Эл. ресурс. / И. М. Чиженко, П. Д. Андриенко, А. А. Баран. — К.: Техника, 1978. — 447 с.

4. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. 4.1 Эл. ресурс. / Г. С. Зиновьев. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.- 199 с.

5. Башарин, А. В. Управление электроприводами: учеб. пособие для вузов Эл. ресурс. / А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. — JL: Энергоиздат, 1982.-392 с.

6. Зимин, Е. Н. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями Эл. ресурс. / Е. Н. Зимин, В. J1. Кацевич, С. К. Козырев.— М.: Энергоиздат, 1981. — 192 с.

7. Перельмутер, В. М. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник Эл. ресурс. / В. М. Перельмутер. — М.: Энергоатомиздат, 1988.— 319 с.

8. Мелешин, В. И. Транзисторная преобразовательная техника Эл. ресурс. / В. И. Мелешин. — М.: Техносфера, 2005. — 632 с.

9. Розанов, Ю. К. Основы силовой электроники Эл. ресурс. / Ю. К. Розанов. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 296 с.

10. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника» Эл. ресурс. / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. — М.: Высш. школа, 1974. — 430 с.

11. Emadi, A. Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives Эл.ресурс. / A. Emadi. Boca Raton, USA: CRC, 2005.-736 pp.

12. Wu, B. High power converters and AC drives Эл. ресурс. / В. Wu. — New

13. Jersey, USA: A John Wiley & Sons, Inc., 2006. 333 pp.

14. Rashid, M. H. Power Electronics Handbook, Second Edition Эл. ресурс. /

15. М. Н. Rashid. — New York, USA: Academic Press, 2006.- 1192 pp.

16. Bose, В. K. Modern power electronics and AC drives Эл. ресурс. / В. К. Bose. New Jersey, USA: Prentice Hall, 2001. - 736 pp.

17. Irwin, D. J. Control of induction motors Эл. ресурс. / D. J. Irwin.— San Diego, USA: Academic press, 2000. — 228 pp.

18. Luo, F. Digital power electronics and applications Эл. ресурс. / F. Luo, H. Ye, M. Rashid. — San Diego, USA: Academic Press, 2005. — 421 pp.

19. Barnes, M. Practical Variable Speed Drives and Power Electronics Эл. ресурс. / M. Barnes. — London, GB: Newnes, 2003. — 304 pp.

20. Mohan, N. Power Electronics. Converters, applications and desing. Secondedition Эл. ресурс. / N. Mohan, Т. M. Undeland, W. P. Robbins. — New Jersey, USA:

21. A John Wiley & Sons, 1995. 824 pp.

22. Bose, В. K. Power Electronics and Motor Drives. Advances and Trends Эл.ресурс. / В. К. Bose. — New York, USA: Academic Press, 2006. — 936 pp.

23. Krishnan, R. Electric motor drives: modeling, analysis and control Эл. ресурс. / R. Krishnan. — New Jersey, USA: Prentice Hall, 2001. — 626 pp.

24. Skvarenina, T. L. The power electronics handbook Эл. ресурс. / Т. L. Skvarenina. Boca Raton, USA: CRC, 2001. - 664 pp.

25. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений Текст. / Г. Г. Соколовский. —

26. М.: Академия, 2006. — 272 с.

27. Карташов, Р. П. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией Текст. / Р. П. Карташов. — К.: Техника, 1979.— 152 с.

28. Моин, В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи Эл. ресурс. / В. С.- Моин. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 376 с.

29. Neacsu, D. О. Power-switching converters. Medium and High Power Эл. ресурс. / D. О. Neacsu. — Boca Raton, USA: CRC, 2006. — 384 ppi

30. Hughes, A. Electric Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications Эл. ресурс. / A. Hughes. — London, GB: Newnes, 2006. — 410 pp.

31. Hava, A. M. Simple analytical and graphical methods for carrier-based pwm-vsi drives Эл. ресурс. / A. M. Hava, R. J. Kerkman, T. A. Lipo // IEEE Transactionson power electronics. — 1999. — no. 14.

32. Изосимов, Д. Б. Алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции трёхфазного автономного инвертора напряжения Текст. / Д. Б. Изосимов,

33. C. В. Байда // Электротехника. — 2004. — № 4.

34. J.Rodriguez. Pwm regenerative rectifiers: state of the art Эл. ресурс. /

35. J.Rodriguez, J.Dixon, J.Espinoza, P.Lezana // IEEE Transactions on power electronics. — 2005. — no. 52.

36. Moran, L. Practical problems associated with the operation of the asd based on active front end converters in power distribution systems Эл. ресурс. / L. Moran, J. Espinoza, M. Ortiz et al. // Industry Applications Conference. — 2004.

37. Polka, D. Motors and drives. A practical technology guide Эл. ресурс. /

38. D. Polka. — USA: ISA The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2002. — 368 pp.

39. Моханд-Тахар, Белласел. Волновые параметры и перенапряжения в различных типах обмоток асинхронных двигателей, питаемых от ШИМ-преобразователей Текст. / Белласел Моханд-Тахар, В. Я. Беспалов // Электротехника. 2006. - № 3.

40. Беспалов, В. Я. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя Текст. / В. Я. Беспалов, К. Н. Зверев // Электротехника. — 1999. — № 9.

41. Ключев, В. И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов Эл. ресурс. / В. И. Ключев, В. М. Терехов.— М.: Энергия, 1980.-360 с.

42. Спиваковский, А. О. Транспортирующие машины: Учеб. пособие для машиностроительных вузов. 3-е изд., перераб. Эл. ресурс. / А. О. Спиваковский, В. К. Дьячков. — М.: Машиностроение, 1983. — 487 с.

43. Плавинский, В. И. Машины непрерывного транспорта Текст. / В. И. Плавинский.— М.: Машиностроение, 1969.— 720 с.

44. Дьячков, В. К. Подвесные конвейеры. Изд-е 3-е, перераб. и доп. Текст. /

45. В. К. Дьячков. — М.: Машиностроение, 1976. — 320 с.

46. Капунцов, Ю. Д. Электрооборудование и электропривод промышленных установок: Учебник для вузов Эл. ресурс. / Ю. Д. Капунцов, В. А. Елисеев,

47. JL А. Ильяшенко. — М.: Высшая школа, 1979.— 359 с.

48. Онищенко, Г. Б. Автоматизированный электропривод промышленных установок Эл. ресурс. / Г. Б. Онищенко, М. И. Аксёнов, В. П. Грехов [и др.]. — М.: РАСХН, 2001.-520 с.

49. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. Текст. / И. П. Копылов.— М.: Высш.школа, 2001.— 327 с.

50. Копылов, И. П. Электромеханические преобразователи энергии Текст. / И. П. Копылов. М.: Энергия, 1973. - 400 с.

51. Вешеневский, С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное Эл. ресурс. / С. Н. Вешеневский. — М.: Энергия, 1977. — 432 с.

52. Ионкин, П. А. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных цепей. Учебник для электротехн. вузов. Изд-е 2-е, перераб и доп. Эл.ресурс. / П. А. Ионкин. — М.: Высш. школа, 1976.— 544 с.

53. Сандлер, А. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями Эл. ресурс. / А. С. Сандлер, Р. С. Сарбатов. — М.: Энергия, 1974. — 328 с.

54. Рудаков, В. В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением Эл. ресурс. / В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. — JL: Энергоатомиздат, Ленингр.отд-е, 1987.— 136 с.

55. Радин, В. И. Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. для электромех. спец. вузов Эл. ресурс. / В. И. Радин, Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохо-вич. — М.: Высшая школа, 1988. — 328 с.

56. Ключев, В. И. Теория электропривода: Учеб. для вузов, 2-е изд., перераб. и доп. Текст. / В. И. Ключев. — М.: Энергоатомиздат, 2001.— 704 с.

57. Вольдек, А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений Эл. ресурс. / А. И. Вольдек. — Л.: Энергия, 1974.— 840 с.

58. Невраев, В. Ю. Системы автоматизированного электропривода переменного тока Эл. ресурс. / В. Ю. Невраев, Д. П. Петелин.— JL: Энергия, 1964.— 104 с.

59. Ковчин, С. А. Теория электропривода: Учебник для вузов Эл. ресурс. /

60. C. А. Ковчин, Ю. А. Сабинин. — СПб.: Энергоатомиздат, 1994. — 496 с.

61. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов по спец. «Электромеханика». 2-е изд., перераб. и доп. Текст. / И. П. Копылов. — М.: Высшая школа, 1994.— 318 с.

62. Потоцкий, К. В. Электрические машины и основы электропривода Эл. ресурс. / К. В. Потоцкий. — М.: Колос, 1964. — 495 с.

63. Масандилов, JI. Б. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. Эл. ресурс. / JI. Б. Масандилов, В. В. Москаленко. — М.: Энергия, 1978. — 96 с.

64. Онищенко, Г. Б. Электрический привод. Учебник для вузов Эл. ресурс. / Г. Б. Онищенко. М.: РАСХН, 2003. - 320 с.

65. Туровский, Я. Электромагнитные расчеты элементов электрических машин Эл. ресурс. / Я. Туровский. — М.: Энергоатомиздат, 1986.— 200 с.

66. Осипов, О. И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод:

67. Учебное пособие по курсу «Типовые решения и техника современного электропривода» Эл. ресурс. / О. И. Осипов. — М.: Издательство МЭИ, 2004.— 80 с.

68. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения пром-предприятий. 2-е изд., перераб. и доп. Эл. ресурс. / И. В. Жежеленко.— М.:

69. Энергоатомиздат, 1984.— 160 с.

70. Hartmann, D. P. IEEE519-1992. ШЕЕ Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Эл. ресурс. /

71. D. P. Hartmann, R. P. Stratford, С. K. Duffey.- New York, USA: IEEE Standards Board, 2004.- 101 pp.

72. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии с системах электроснабжения общего назначения Эл. ресурс. Введ. 01.01.1999. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 33 е.: ил.