Разработка и исследование векторных систем управления асинхронными электроприводами с автономными инверторами тока с релейным регулированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Абросимов, Александр Сергеевич

• Абросимов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абросимов, Александр Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНЫМ И ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

1.1 Обзор структур преобразователей частоты используемых в настоящее время

1.2 Сравнительный анализ преобразователей частоты на базе АИН и преобразователей частоты на базе АИТ

1.3 Классификация способов частотного регулирования асинхронным электроприводом

Выводы

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

2.1 Математические модели асинхронного двигателя

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

2.3 Описание релейного принципа формирования напряжения и тока на обмотке двигателя, питающегося от ПЧ на базе АИТ

2.4 Математическое описание векторных систем управления

Выводы

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА БАЗЕ

АИТ С РЕЛЕЙНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

3.1 Разработка принципиальной схемы частотного векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором на базе инвертора тока с релейным регулятором тока

3.2 Разработка принципиальной схемы частотного векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором на базе инвертора тока с релейным регулятором напряжения

3.3 Оптимизация конструкции инвертора тока с РРТ и РРН

3.4 Сравнительный анализ предложенных систем векторного управления

Выводы

4 АДАПТАЦИЯ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АИТ С РРТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ДРЕССИРОВОЧНОМ СТАНЕ ПХПП ОАО «НЛМК»

4.1 Описание технологического процесса. Формулирование требований к системе управления

4.2 Разработка системы автоматизации и управления дрессировочным

станом

4.3 Векторно-токовое управление двухдвигательным электроприводом дрессировочного стана

4.4 Исследование динамических и энергетических показателей предложенной системы управления

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Модель асинхронного электропривода на базе АИТ с РРТ

с векторным управлением

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Модель асинхронного электропривода на базе АИТ с РРН

с векторным управлением

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Графики переходных процессов при векторном управлении асинхронным электроприводом на базе АИТ с РРН

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Описание технологического процесса дрессировочного

стана ПХПП ОАО «НЛМК»

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Технические данные асинхронного двигателя с коротко-

замкнутым ротором типа 1LA8407 Siemens и расчет параметров обмоток

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Методика расчета емкости коммутирующих конденсаторов и индуктивности сглаживающего реактора

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Реализация лабораторной установки на базе контроллера

TMS320 F2812

ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Расчет ожидаемого экономического эффекта

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Акты об использовании результатов диссертации

У

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование векторных систем управления асинхронными электроприводами с автономными инверторами тока с релейным регулированием»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется необходимостью повышения качества напряжения на обмотке статора электродвигателя путем формирования синусоидальной формы первой гармоники напряжения при питании от преобразователя частоты при сохранении высокой точности регулирования, обеспечения жесткости механических характеристик. Широко используемые преобразователи частоты на основе автономных инверторов напряжения формируют несинусоидальные импульсные по форме напряжения на обмотке статора асинхронного электродвигателя, определяемые принципом ШИМ- модуляции ключей инвертора. Существующие системы управления, обеспечивающие высокую точность регулирования и жесткость механических характеристик, не позволяют достичь формы напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного электродвигателя близкой к синусоидальной. Это приводит к необходимости применения специальных мер, увеличивающих стоимость установки электропривода и время его ремонта в случае выхода из строя. Системы ПЧ-АД на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения позволяют получить форму тока и напряжения близкую к синусоидальной с минимальным уровнем высших гармоник на зажимах обмотки статора электродвигателя, что определяет актуальность проведения исследований по данному направлению.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 годы)».

Цель работы - разработка и исследование векторных систем частотного управления асинхронным электроприводом с замкнутым внутренним контуром релейного регулирования переменных статора с обеспечением улучшенного качества питающего напряжения.

Идея работы заключается в создании векторной системы управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения, которые поддерживают мгновенные значения тока или напряжения

г

на обмотке статора электродвигателя в заданных границах, что позволяет получить кривые напряжения и тока близкие к синусоидальным.

Научная новизна:

- предложен способ формирования напряжения на обмотке статора электродвигателя, питающегося от преобразователя частоты на базе автономного инвертора тока, отличающийся от существующих поддержанием высокого качества напряжения на обмотке статора электродвигателя за счет новых алгоритмов управления ключевыми элементами автономного инвертора тока;

- предложена система векторного частотного управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока, отличающаяся обеспечением высокой точности регулирования с достижением высоких показателей качества электроэнергии на обмотке статора электродвигателя;

- предложена система векторного частотного управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором напряжения, отличающаяся обеспечением форм тока и напряжения близких к синусоидальной с достижением высокой точности регулирования и жесткости механических характеристик;

- разработаны математические модели систем векторного управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока, отличающиеся учетом релейных регуляторов и вентильных элементов, входящих в систему электропривода.

Практическая значимость:

- предложены системы управления обеспечивают высокие показатели качества электроэнергии на выходе инвертора, характеризующиеся низким коэффициентом несинусоидальности напряжения ТНБи = 2...10% в различных режимах работы;

- предложены системы управления асинхронным электроприводом позволяют расширить область применения преобразователей частоты на базе авто-

$

номных инверторов тока, которые обеспечивают высокие качества электроэнергии на выходе преобразователя.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования являлась векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ БтиНпк.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов математического моделирования с результатами расчетов, а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода.

Реализация работы. Полученные результаты используются при разработке проекта модернизации дрессировочного стана №1 цеха ПХПП ОАО «НЛМК» и внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета.

На защиту выносится:

-разработанная векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока, позволяющая обеспечить высокую точность регулирования с достижением высоких качеств электроэнергии на зажимах обмотки статора;

-разработанная векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором напряжения, позволяющая обеспечить формы тока и напряжения близкие к синусоидальным с достижением высокой точности регулирования и жесткости механических характеристик;

- схемы АИТ, позволяющие формировать в нагрузке трехфазные синусоидальные токи и напряжения с низким уровнем коэффициентов нелинейных

искажений;

- алгоритм оптимизации работы ключей автономного инвертора тока, обеспечивающий непрерывность протекания тока через нагрузку;

-результаты исследования векторных систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (Иваново 2012); на IX конференции «Управление большими системами» (Липецк 2012); на Международной научно-технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130-летию изобретения электродуговой сварки Н.Н. Бенардосом) (Иваново 2011); на IX Международную научно-практическую интернет-конференцию «Энерго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК " (Орел 2011); на III Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (МК-1-412) (Пенза 2012); на международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 111 наименований, и 10 приложений. Общий объем работы - 189 страниц. Основная часть изложена на 144 страницах текста, содержит 69 рисунков, 6 таблиц.

1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНЫМ И ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ

1.1 Обзор структур преобразователей частоты используемых в настоящее время

Очевидной является тенденция непрерывного замещения нерегулируемого электропривода общепромышленных механизмов (конвейеры, компрессоры, вентиляторы, транспортеры, дымососы и т.д.) регулируемым [1]. К основным достоинствам регулируемого электропривода можно отнести следующие показатели: уменьшение энергопотребления конвейеров и транспортеров на 20-30 %, и до 50 % для вентиляторов насосов, увеличение межремонтного срока службы за счет снижения динамических нагрузок, повышение качества получаемой продукции. Долгое время его широкое применение в промышленности сдерживалось отсутствием требуемой элементной базы.

Необходимость регулирования в технологических процессах стала причиной изучения и разработки различных систем электропривода. Наибольшее внимание отдается разработке и созданию регулируемых электроприводов с двигателями переменного тока [2, 3, 4]. При этом основной задачей является создание систем электропривода не уступающих по качеству регулирования приводам постоянного тока. До последнего времени исследование систем электропривода переменного тока было затруднено неглубоким изучением двигателей переменного тока, применяемых в системах автоматического регулирования и малым развитием силовой и интеллектуальной полупроводниковой элементной базы [5, 6, 7, 8]. Развитие частотного управления на основе регулирования частоты питающего напряжения является одним из основных направлений развития современного электропривода [9, 10, 11]. На данном этапе развития электропривода разработано множество системм управления асинхронными двигателями (АД), отличающиеся своими принципами работы и достигаемыми механическими характеристиками [12, 13, 14]. Выбор в пользу той или иной системы приходится соотносить с тре-

бованиями к технологическому процессу, к быстродействию, к качеству регулирования параметров электропривода [15,16, 17]. Также важной характеристикой электропривода является его энергетический показатель [18, 19].

Регулируемый автоматизированный электропривод — сложная взаимозависимая система, которая описывается системами алгебраических, разностных и дифференциальных уравнений [20, 21]. Широко используемый регулируемый асинхронный электропривод состоит из следующих основных частей:

- асинхронного двигателя, выбранного по критериям надежности, массога-баритным размерам, стоимостным и энергетическим показателям;

- преобразователя частоты на полностью управляемых ключах;

- системы управления на базе микропроцессорной техники с возможностью прямого регулирования выходных координат, реализации законов ШИМ - управления, обмена данными с другими вспомогательными электропривода, самодиагностики и защиты;

- датчиков, контролирующих механические, энергетические и технологические параметры регулирования, необходимых для достижения требуемой точности регулирования в замкнутой системе.

В 80-е годы произошли значительные изменения: появилось понимание в необходимости применения регулируемого электропривода, которое стало причиной разработки новых, современных элементов и технических устройств - силовых полностью управляемых полупроводниковых ключей (транзисторов) и систем управления ими, которое стало экономически оправдано. Развитие силовых полупроводниковых элементов и интеллектуальных систем электронного управления, большие капиталовложения в эту сферу по всему миру привели к революционным изменения, главным образом в широко используемом асинхронном электроприводе. В результате стали доступны высокоэффективные преобразователи частоты (ПЧ) для работы с асинхронными электродвигателями с коротко-замкнутым ротором промышленного исполнения.

.Первые прототипы асинхронного электропривода с частотным управлением были построены на полностью управляемых тиристорах с ёмкостными

схемами коммутации [22]. Преобразователи частоты в таких частотно-управляемых электроприводах были построены по схеме тиристорный управляемый выпрямитель — индуктивный либо емкостной накопитель энергии — инвертор. Применение ёмкостного накопителя энергии (конденсатора значительной ёмкости) приводило к тому, что инвертор формировал на выходе напряжение прямоугольной формы, длительность которого определялась выбранным алгоритмом включения тиристоров. 120-ти, 150-ти и 180-ти градусные схемы управления получили широкое применение в таких системах управления. Управляемый выпрямитель выполнял функцию регулирования амплитуды выходного напряжения. Для рекуперации электроэнергии в сеть устанавливался параллельно выпрямителю, ведомый сетыо инвертор. Преобразователь

I

частоты, управляющий выходными значениями частоты и амплитуды напряжения, получил название преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения (ПЧ с АИН). Вышеописанный принцип управления полностью управляемыми тиристорами применялся и в преобразователях частоты с автономным инвертором тока (ПЧ с АИТ), которые управляют выходными значениями частоты и амплитуды тока. ПЧ с АИТ без применения дополнительных силовых элементов в схеме преобразователя могут реализовать режим рекуперации электроэнергии. В ПЧ с АИТ фильтрующий конденсатор в звене постоянного тока заменяется на дроссель большой индуктивности. При создании ин-верторной части в преобразователях частоты на базе автономного инвертора тока широкое применение получила схема с отсекающими диодами, представленная в [23, 24, 25, 26]. В ПЧ с АИТ массово использовались классические ти-ристорные выпрямители, теория которых рассмотрена в технической литературе [27, 28, 29, 30].

Выходное напряжение и ток с большим коэффициентом несинусоидальности становилось причиной неравномерного вращения ротора электродвигателя [31, 32, 33, 34], проявляющееся наиболее сильно на низкой скорости вращения с малым статическим моментом. В особо неблагоприятных условиях это приводило

к возникновению шагового режима работы электродвигателя [35, 36, 37, 38] при котором двигатель вращается с кратковременными остановками [39, 40, 41, 42]. Высшие гармоники, которые в большом количестве присутствовали в выходном значении тока и напряжения приводили к большим потерям на нагрев, что уменьшало энергоэффективность всего привода в целом. Также данный тип преобразователей частоты имели низкое быстродействие, т.к. конденсатор оказывал влияние на скорость изменения значения выходного напряжения. ПЧ-АИН от General Electric мощностью до 500 кВА и ПЧ-АИТ Lancer 44XL мощностью до 800 кВА от Louis Allis. [22] были наиболее мощными образцами, выпускаемыми зарубежной промышленностью. Максимальная мощность отечественных ПЧ с АИН с амплитудным регулированием составляла 125 кВА (серии ТПЧ и ПЧИ), а преобразователи частоты с автономным инвертором тока выпускались на мощности до 500 кВА. На современном этапе развития элементной базы представленная модификация ПЧ в новых разработках не используется.

На следующем этапе развития были разработаны преобразователи частоты, имеющие следующую структуру: неуправляемый диодный (НВ) или управляемый тиристорный (УВ) выпрямитель с индуктивным или емкостным элементом в звене постоянного тока с инвертором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В преобразователях частоты с инвертором напряжения формирование выходных значений частоты и амплитуды полностью выполнялось инвертором. Это привело к улучшению качества выходных значений тока и напряжения. Применение НВ привело к значительному увеличению коэффициента мощности преобразователя, что повысило его энергоэффективность по сравнению с предыдущими аналогами. Быстродействие такого преобразователя также значительно повысилось за счет отсутствия конденсаторного фильтра в контуре автоматического регулирования. Применение ШИМ в преобразователях частоты на базе инвертора тока привело к повышению качества формы выходного тока. В период своего начального развития для построения инвертора преобразователей такого типа широко использовались тиристоры. Особенностью емкостных схем управления таких управляемых ключей является невозможность использования высокой несущей частоты ШИМ

больше 700 Гц. Зарубежная промышленность имела широкий ряд таких преобразователей на мощности до 500 кВА (22-2000 AF от Westingchouse Electrik Corporations и AFS3060 от Ceneral Electric.) [22]. По мере развития силовой электроники с начала 90-х годов широкое применение получили IGBT-транзисторы, GTO- или IGCT-тиристоры. Это дало возможность увеличить несущую частоту для ПЧ на базе IGBT-транзисторов до 20 кГц. Вышеописанный тип преобразователей частоты широко выпускается до настоящего времени отечественными и зарубежными производителями.

ПЧ на базе АИТ по сравнению с ПЧ на базе АИН при реализации режима рекуперативного торможения имеют более простую схему реализации, т.к. не требуют применения дополнительных блоков и силовых элементов. Возможность реализации рекуперативного торможения важна для создания реверсивных электроприводов с повторно-кратковременными режимами работы. Основным недостатком инвертора тока является прямоугольная форма выходных значений тока, который формирует потокосцепление двигателя. Это приводит к возникновению пульсации момента и скорости, что может быть недопустимо по технологическим требованиям к электроприводу.

Электроприводы с квазичастотным (подобным частотному) управлением [43, 44, 45] также нашли свое применение. При таком регулировании ограничивается выходная частота напряжения значением 50 % от частоты сети, что приводит к резкому снижению перегрузочной способности двигателя [46, 47, 48, 49]. Классический частотно-регулируемый электропривод обеспечивает плавное и экономичное регулирование в широком диапазоне [50, 51, 52, 53]. Наиболее широкое применение такой способ управления получил в электроприводах мостовых кранов, конвейеров, станков [54, 55, 56].

Основным направлением модернизации частотно-регулируемого электропривода переменного тока является замена асинхронных двигателей специального исполнения (с повышенным пусковым моментом, с усиленной изоляцией, с повышенным скольжением и.т.д.) стандартными двигателями, питаемыми от преобразователей частоты. Причина этого чисто экономическая:

специальный асинхронный двигатель со своим управлением теперь становится дороже стандартного АД, управляемого преобразователем частоты.

1.2 Сравнительный анализ преобразователей частоты на базе АИН и преобразователей частоты на базе АИТ

В большинстве случаев в настоящее время для регулируемых низковольтных электроприводов переменного тока малой и средней мощности применяется ПЧ с АИН и ШИМ - формированием выходного напряжения. Преобразователь частоты, работающий на обмотку статора асинхронного двигателя, показан на рисунке 1.1. Он включает в себя автономный инвертор напряжения (АИН) с системой управления инвертора (СУИ) и управляемый выпрямитель (УВ). На выходе выпрямителя предусмотрен LC- фильтр, предназначенный для сглаживания выпрямленного напряжения Ud . В тормозном резисторе RT, который включается тормозным прерывателем KT при переходе двигателя в тормозной режим, рассеивается энергия торможения. В промышленных установках управляемый выпрямитель питается от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Управляющим воздействием для него является сигнал задания напряжения на входе системы управления выпрямителем (СУВ).

Для синусоидальной ШИМ в зависимости от коэффициента модуляции значение коэффициента несинусоидальности для преобразователя частоты на базе АИН составляет от 50 % до 300 % [34]. За счет индуктивности двигателя происходит отфильтровывание высших гармоник выходного напряжения. В результате этого коэффициент несинусоидальности тока статора уменьшается до 6...8 % при которых становятся незаметны пусьсации электромагнитного момента и скорости. Импульсное напряжение на зажимах обмотки статора с высоким значением du/dt приводит к множеству негативных последствий, уменьшающих межремонтный срок службы оборудования:

- на зажимах обмотки статора двигателя возникают значительные перенапряжения;

- перегрузка двигателя из-за емкостных токов в кабелях большой протяженности;

- перегрев обмоток, который приводит к ускоренному старению изоляции;

- механическое разрушение подшипниковых узлов двигателя;

- высшие гармоники питающего напряжения оказывают негативное воздействие на окружающее оборудование.

Высокая частота коммутации полностью управляемых ключей IGBT-транзисторов инвертора напряжения и быстрый цикл переключения вызывают эффект перенапряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя. Питающее напряжение значительно увеличивается из-за эффекта отражения импульсов напряжения от двигателя и возращением его на выход инвертора напряжения. Величина этого перенапряжения определяется значением выходного напряжения АИН, протяженностью кабельной линии, соотношениями сопротивлений инвертора, асинхронного двигателя и кабельной линии. Это явление наиболее сильно выражено в маломощных приводах при большой протяженности кабельной линии. В самых плохих случаях значения импульсов перенапряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя могут достигать значений в 2.5 раза превосходящих величину напряжения в звене постоянного тока [24]. Для минимизации последствий перенапряжения в современных системах электропривода используются двигатели с усиленной изоляцией, которые могут выдерживать без повреждения обмоток перенапряжения до 1600 В. Конструктивная особенность таких обмоток состоит в увеличении расстояния между проводниками первого и последнего витков. Также известно, что двигатели специального исполнения увеличивают общую стоимость установки, приводит к сложностям в ремонте при возникновении повреждений. Эффективным мероприятием для уменьшения значения перенапряжения на зажимах обмотки статора при длинах кабелей малой протяженности (до 150 м) является использование дросселей с сопротивлением

Рисунок 1.1- Структурная схема преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения

Рисунок 1.2 - Структурная схема преобразователя частоты на базе

автономного инвертора тока

1,5..3%. При большой протяженности кабельной линии (650 м) целесообразно использовать du/dt - фильтров, состоящих из активного, емкостного и индуктивного сопротивления. Наиболее продуктивным является использование «синусных» фильтров, которые полностью ликвидируют эффект перенапряжения па зажимах обмотки статора.

Кабельная линия от инвертора напряжения до двигателя является конденсатором, в котором в качестве диэлектрика выступает изоляция кабеля, а в качестве обмоток его жилы. При протяженности кабельной линии 90 м и более возникают существенные токи утечки, которые негативно влияют на работу преобразователя, перегружая его и, при особо неблагоприятных условиях, могут быть причиной срабатывания защит по току перегрузки. Для исключения ложного работы защиты применяется вышеописанный дроссель на выходе инвертора. При снижении несущей частоты коммутации ключей инвертора также уменьшаются токи утечки через изоляцию, но это приводит к увеличению потерь асинхронного двигателя.

Перенапряжения в нейтральной точке инвертора становятся причиной возникновения разрядов тока через подшипники асинхронного двигателя. Это приводит к преждевременным поломкам подшипников и увеличению стоимости ремонта установки в целом. Это явление в большей степени проявляется при высоких значениях du/dt выходного напряжения инвертора. Надежное заземление позволяет минимизировать или полностью исключить токи разряда на подшипники. Также продуктивным методом решения вышеописанной проблемы может быть использование фильтра с полупроводниковыми ключами специального исполнения - common mode voltage canceller. Принцип его работы и схема подробно приведены в [31].

На рисунке 1.2 изображена структура преобразователя частоты со звеном постоянного тока с управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока (АИТ). Принципиальное отличие его от ПЧ с АИН состоит в том, что инвертор получает питание от источника тока, а не от источника напряжения. В качестве такого источника используется управляемый выпрямитель (УВ) с системой управления выпрямителем (СУВ), которому придаются свойства и с-

точника тока путем создания контура регулирования выпрямленного тока М с помощью регулятора тока РТ. Выходной ток АИТ формируется из 1<3 путем переключения ключей инвертора. Частота выходного тока АИТ задается на входе его системы управления (СУИ). Дроссель Ь сглаживает пульсации выпрямленного тока. Режим частотного управления скоростью асинхронного двигателя при питании его от АИТ иногда называют термином частотно-токовое управление.

Все вышеперечисленные проблемы, относящиеся к ПЧ с АИН, в значительно меньшей степени наблюдаются в ГТЧ с АИТ. Емкостной фильтр на выходе инвертора полностью исключает возможность значительного перенапряжения на электродвигателе. Однако, до настоящего времени более простая схема системы управления инвертором напряжения и его высокая динамика стали причиной массового применения ПЧ на базе АИН.

1.3 Классификация способов частотного регулирования асинхронным

электроприводом

Целью разработки схем систем автоматического регулирования (САР) для асинхронных двигателей является создание системы управления с получением передаточных функций аналогичных системам управления двигателями постоянного тока. Тем не менее создание систем автоматического управления (САУ) асинхронными электроприводами имеет множество отличительных черт:

- векторное произведение электромагнитных параметров ротора и статора задают электромагнитный момент асинхронного двигателя;

- значения токов и потокосцеплений каждой из фаз оказывают взаимовлияние друг на друга и зависят от параметров двигателя;

- требуется создавать системы управления несколькими величины (многоканальные) для эффективного регулирования потокосцепления двигателя.

Как правило, разрабатываются системы, в которых в качестве регулируемых параметров выступают электромагнитный момент и скорость ротора двигателя [56, 57, 58]. Первое управляющее воздействие исходит от канала по которому происходит управление скоростью или моментом двигателя [60, 61, 62]. В различных системах управления второй управляемой переменной могут быть реактивный ток статора, скольжение, реактивный ток ротора, за счет которого задается потокосцепление [63, 64]. Критерием выбора той или иной системы управления является уменьшение потерь, токов и др. [65, 66, 67].

Принципы систем автоматического регулирования ДПТ могут быть использованы для создания систем управления электроприводами переменного тока. Как показывают исследования, электроприводы на базе двигателей двойного питания обладают большими возможностями регулирования по сравнению с электроприводами на базе широко распространенных асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором. В системах управления асинхронного электропривода основное управляющее воздействие оказывается на значение частоты и амплитуды выходного напряжения. При этом необходимо использовать корректирующие воздействия из-за нелинейности системы, которые усложняют систему управления [66, 67, 68]. Оптимизированные системы управления целесообразно применять для электроприводов с высокими требованиями к технологическому процессу.

В настоящее время электроприводы с частотным регулированием имеют схему, разработанную по принципу подчиненного регулирования переменных. Для достижения хороших динамических характеристик и получения устойчивости привода необходимо принимать во внимание электромагнитные процессы, протекающие в системе. Каждый способ управления может иметь отличительные особенности и методы усовершенствования основополагающих принципов управления.

Проведенный анализ регулируемых асинхронных электроприводов позволяет сформулировать следующую классификацию принципов частотного управления:

- скалярное управление с различными законами регулирования выходных значений напряжения и частоты, в зависимости от требований, предъявляемых к электроприводу;

- классическое векторное управление Trans-vector, применяемое в системах с высокими требованиями к регулирования в динамике;

- оптимизированное векторное управление с внедрением адаптивных моделей, нечеткой логики, применением нейросетей, позволяющих повысить энергоэффективность электропривода и улучшить качество регулирования;

- метод прямого управления моментом, отличающий непосредственным воздействием на электромагнитный момент асинхронного двигателя;

- оптимизированный метод прямого управления моментом с использованием математического аппарата, который позволяет улучшить энергетические показатели.

Таким образом, разработка новых систем управления электроприводами переменного тока имеют высокую значимость для создания оптимизированного управления существующими двигателями по энергетическим и динамическим показателям.

Разделяя системы частотно-регулируемого электропривода на векторные и скалярные необходимо отметить, что при невысоких требованиях, предъявляемых к диапазону регулирования скорости и динамическим показателям, целесообразно применять скалярные системы управления АД, имеющие более простые схемы и имеющие меньшую стоимость по сравнению с векторными системами управления. Параметры электропривода и закон управления будут главным образом определять динамику в переходном процессе [20, 42, 66]. Наиболее простой и дешевый способ частотного регулирования - скалярное U/f управление [20, 42]. Такой способ регулирования обеспечивает диапазон регулирования в пределах от 1:40 до 1:70. При этом предложенный закон управления не дает высокой точности поддержания частоты задания и не превышает 2-3 %. Также недостатком такого управления является невозможность регулирования электромагнитного момента

асинхронного двигателя, который полностью зависит от нагрузки на валу. Скалярное управление не требует применения датчиков напряжения, тока и скорости [20].

Для обеспечения технологических требований отдельных механизмов (вентиляторов, насосов и т.п.) также может применяться закон скалярного управления U / f = const [69]. При таком законе регулирования электромагнитный момент асинхронного двигателя имеет степенную зависимость от скорости ротора. Это дает возможность повысить энергоэффективность при снижении скорости за счет того, что отсутствует необходимость поддержания высокой перегрузочной способности во всем диапазоне регулирования. Вышеописанный способ имеет недостаток, который заключается в том что при пуске создается пониженный пусковой момент из-за потокосцепления ниже номинального, что может повлиять на успешный запуск механизма.

Применение законов векторного управления асинхронным электроприводом учитывает все переменные асинхронного двигателя по каждой из фаз, которые создают соответствующие векторы. Их поведение можно исследовать как в векторном виде, так и в его проекциях на оси вращающейся системы координат. Для создания векторных систем управления асинхронным электроприводом может применяться обратная связь по скорости ротора. Такие системы имеют высокое быстродействие и обеспечивают широкий диапазон регулирования скорости 1:1000 и более. Главным недостатком построения таких систем является необходимость применения пристроенного или встроенного в двигатель датчика скорости [20].

Широкое применение в промышленности имеют системы прямого управления моментом. Их отличием от систем классического векторного управления является непосредственное управление переменными электромагнитного момента и потокосцепления. Главная особенность состоит в отказе от классического широт-но-импульсного модулятора и задания такого состояния ключей выходного инвертора при котором происходит регулирование потокосцепление и электромаг-

нитного момента в нужную сторону. Принципы гистерезисного (релейного) управления позволяют реализовать вышеописанный способ.

Независимое управление по разным каналам регулирования момента и по-токосцепления, при котором обеспечивается воздействие на значение амплитуды и сдвига фаз тока статора является наиболее современным способом векторного регулирования. При этом достигается наилучший крутящий момент и наилучшее управление потокосцеплением с обеспечением устойчивости заданного момента при низких частотах. Главным недостатком вышеописанной системы является сложность ее построения и необходимость применения датчиков [69].

Системы автоматического управления асинхронными электроприводами можно классифицировать по способу ориентации координатной системы. Следует выделить следующие вращающиеся системы координат, наиболее часто применяемые для реализации законов векторного управления: система координат с ориентацией по вектору главного потокосцепления или система координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора. В промышленности широкое применение получили системы управления асинхронными электроприводами с применением более простых законов регулирования напряжения и частоты [53, 70, 71]. В системах управления таких систем используется преднамеренная ориентация вектора тока статора по потокосцеплению ротора. При реализации таких схем, управление потокосцеплением и электромагнитным моментом может быть выполнено как по одному сигналу задания с выхода регулятора скорости, так и по разным каналам. Исследования показывают, что такие системы управления асинхронным электроприводом имеют пониженный максимальный момент при снижении частоты вращения.

Проведенный анализ различных законов частотного регулирования позволяет сформулировать вывод, что по критерия минимума потерь, перегрузочной способности в широком диапазоне регулирования, точности регулирования оптимальны законы поддержания постоянства абсолютного скольжения и потокосцепления.

Для создания векторных систем управления, обеспечивающих большую точность нужно принимать во внимание изменение параметров, изменяющихся при работе, таких как активное сопротивление в результате нагрева обмоток статора, взаимоиндукции в ходе насыщения магнитопровода, постоянной времени цепи ротора [42, 67, 72]. В настоящее время главным вектором модернизации частотно-регулируемых электроприводов переменного тока является улучшение энергоэффективности [19, 20, 46]. Вопросу улучшения энергоэффективности при использовании скалярных законов управления уделено большое внимание [51, 60,73].

На сегодняшний день вопросы развития векторного управления рассматриваются во всевозможных научных журналах, конференциях, статьях, широкое использование получили в практических разработках [16]. Системы векторного управления асинхронными электроприводами постоянно развивались вместе с развитием силовой и интеллектуальной электроники и в настоящее время являются наиболее широко используемыми в промышленности. Векторные системы позволяют эффективно управлять асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, что стало причиной расширения области его применения. В настоящее время наблюдается тенденция полного вытеснения электропривода постоянного тока. Асинхронный векторный электропривод в принципе является эталоном и имеет массовое внедрение [46].

Первым этапом процесса развития асинхронного векторного электропривода являлась модель, которая описывала электромагнитные процессы в идеализированной электрической машине с помощью аппарата линейной алгебры, получившей название обобщенной электрической машины, которая началась в конце 20-х годов и завершилась в конце 40-х годов XX века. Модель требовала существенных вычислительных затрат, поэтому была отложена на несколько десятилетий, т.к. при расчетах в ручную предложенная система не обеспечивала никаких достоинств. Однако, для теоретического анализа переходных процессов в электрических машинах она получила широкое использование. Принцип векторного

управления асинхронными электроприводами разрабатывался в конце 70-х и начале 80-х годов.

Модель векторного управления асинхронным двигателем с ориентацией системы координат по потокосцеплению ротора в 1971 году предложил Р. ЕЛаБсЫсе. Принцип разработанного метода, в дальнейшем получивший название векторного, состоял в применении в системе регулирования передаточных функций обратных по сравнению с передаточными функциями векторной модели асинхронного двигателя. Это позволило извлечь значения независимых входных переменных системы регулирования, входящие в уравнение момента асинхронного двигателя. Описанный принцип также получил название прямого управления моментом. Система координат, ориентированная по вектору потокосцепления ротора или вектору главного потокосцепления позволяла значительно упростить передаточные функции системы регулирования. Стало возможно определить электромагнитный момент асинхронного двигателя двумя независимыми переменными подобно электроприводу постоянного тока.

Векторные системы управления асинхронными электроприводами в наше время постоянно развиваются. Количество разновидностей векторных систем регулирования превышает три десятка [66]. Основным отличием векторного прямого регулирования, векторного косвенного регулирования от прямого управления электромагнитного момента асинхронного электропривода, разработанная исследователями Ногучи и Такахаши в 1986 году заключается в применении линейных регуляторов потокосцепления и электромагнитного момента вместо релейного регулирования этих величин.

Главными принципами прямого управления моментом асинхронного электропривода являются:

- потокосцепление статора необходимо рассчитывать как интеграл от ЭДС статора, поэтому его значение зависит от напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного;

- вырабатываемый момент на валу асинхронного двигателя пропорционален синусу угла между потокосцеплениями ротора и статора;

- влияние потока статора на регулирование напряжения статора больше, чем влияние потока ротора [66].

Массовое использование получили системы векторного управления с опорным вектором главного потокосцеплении и потокосцепления ротора. Можно привести следующие уравнения, описывающие электромагнитный момент на основании теории обобщенной электрической машины [66]:

м = РпМчх ¡1);м=РП(^.х и;

Ь2сг

м = Рп(^12х = Рп(^12 х 1.)'

где М- вектор электромагнитного момента; р„ - число пар полюсов двигателя; Ь12— наибольшее значение взаимной индуктивности между ротором и статором;

- векторы тока статора и ротора; кг,к5— коэффициент магнитной связи статора и ротора; хР2,хР„Ч/]2— векторы потока статора, ротора и взаимоиндукции соответственно; а — коэффициент рассеяния; Ь2-полная индуктивность ротора;.

При настройке и расчете векторных систем управления асинхронным электроприводом возникают следующие проблемы:

— необходимость компенсирования перекрестных связей между независимыми каналами регулирования скорости ротора асинхронного двигателя и модуля вектора главного потокосцепления;

- определение и расчет значений параметров схемы Горева - Парка для выбранного асинхронного двигателя.

К преимуществам предложенного регулирования можно отнести постоянство главного потокосцепления асинхронного двигателя с диапазоном устойчивого регулирования скорости 15-20:1 при регулировании частоты в пределах от 4 до 50 Гц и увеличение диапазона регулирования скорости в 4-5 раз при увеличении час-

тоты до 200 Гц. ПЧ с непосредственной связью позволяют упростить схему управления и увеличить диапазон регулирования.

Системы управления, описанные выше, обеспечивают высокое качество регулирования и получили распространение в электроприводах с высокими требованиями к переходным процессам в динамике, таких как прокатные станы и позиционные системы. В настоящее время существующие системы управления автономным инвертором тока имеют ряд особенностей. К недостаткам таких систем можно отнести следующее: наблюдается задержка в отработке задания на низких частотах, что значительно ухудшает характеристики системы управления, если управляющим воздействием является частота; невозможность использования способов ШИМ при которых имеют место значительные колебания электромагнитного момента из-за прерывистого тока. Широкого распространения такие системы на данный момент не получили. В данной работе предложены системы управления, позволяющие существенно расширить возможность применения ПЧ на базе АИТ. Основным элементом, позволяющим этого достичь является релейный регулятор. Принцип работы и математическое описание представлены в главе 2, 3 данной работы.

В основе управления асинхронным электроприводом с частотным управлением по вектору магнитного потока статора лежит принцип поддержания постоянства модуля потока статора. При таком законе управления получаются жесткие механические характеристики и скорость ротора двигателя определяется частотой питающего напряжения, поэтому обеспечивается высокая точность регулирования без датчика скорости [16]. Поток поддерживается постоянным, а момент на валу двигателя достигается при угле равном тг/4.

В [70] предложен экстремальный поисковый метод путем непосредственного замера потребляемой мощности, что приводит к ухудшению точности регулирования. Большое внимание уделено определению условий максимизации электромагнитного момента [51, 62, 73] и оптимизации векторных систем управления асинхронным электроприводом [64]. Главная концепция оптимизации состоит в регулировании (поддержании) угла между потокосцеплением ротора и током ста-

тора близким к ±7г/4. Это обеспечивает уменьшение потребляемого тока статора на 10 % и сокращение потерь в целом на 15 % с сохранением номинальной нагрузки. Момент формируется путем регулирования ортофазной и синфазной составляющей тока. Реализация такой системы требует больших вычислительных мощностей от системы регулирования, что затрудняет ее широкое применение.

Система векторного управления асинхронным состоит из нескольких подчиненных систем: системы вычислительных преобразований, системы координатных преобразований и системы управляющих воздействий [16, 19, 20].

Реализация систем векторного регулирования требует выполнения большого объема математических вычислительных операций [16], что приводит к некоторому запаздыванию формирования электромагнитного момента асинхронного двигателя. Системы прямого управления моментом не имеют этого недостатка и поэтому получили быстрое развитие [10, 72].

В литературе проведены исследования адаптивной оценки потока ротора [10, 72, 76]. В системах векторного регулирования главным источником погрешности является погрешность вычисления опорного вектора. Эту погрешность предлагается устранять применением адаптивных наблюдателей типа МКАБ (адаптивная система с настраиваемой моделью) [10, 72], нечеткую логику, нейронные сети, генетические алгоритмы, наблюдатели переменной структуры [72, 77].

Преимущества применения векторной системы управления асинхронными электроприводами состоят в:

- высокой точности регулирования скорости без применения обратной связи по скорости;

- широком диапазоне регулирования скорости 1:1000 и более;

- высоком качестве регулирования и качестве механических характеристик при скорости, близкой к нулю;

- быстродействии при возмущающих нагрузках в динамике;

- постоянстве поддержания скорости при резких изменениях статического момента;

- высокое КПД асинхронного двигателя при низкой частоте питающего напряжение;

- снижение потерь [57].

На рисунке 1.3 представлена следующая классификация асинхронных электроприводов по способам частотного регулирования по мере постоянного развития систем управления. Согласно предложенной классификации выделено три основных способа частотного регулирования, которые нашли свою область применения и постоянно развиваются с повышением энергоэффективности систем электропривода.

ю 00

Рисунок 1.3- Классификация способов регулирования асинхронных электроприводов

29 Выводы

На основании проведенного обзора литературных источников, посвященных частотному регулированию, становится ясно, что основная структура силовой части системы ПЧ-АД значительному изменению в ближайшее время не подвергнется. Наступил период, когда основную роль играет не столько схемное решение, сколько алгоритм управления, дающий тому или иному приводу неоспоримые преимущества при той же силовой части ЭП составляющей около 80% цены. Векторное управление характеризуется регулированием амплитуды напряжения (тока) и фазы вектора. Такое регулирование обеспечивает высокую точность как в динамике, так и в статике и позволяет достичь высоких показателей энергоэффективности.

На основании вышесказанного сформулируем задачи исследования:

— разработка векторных систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и релейным регулятором напряжения;

— разработка математических моделей предлагаемых систем управления электроприводом;

— сравнительный анализ предложенных систем управления асинхронным электроприводом;

— анализ установившихся режимов работы предлагаемых асинхронных электроприводов;

— анализ переходных процессов предложенных векторных систем управления;

— разработка принципа оптимизации работы ключей автономного инвертора тока при управлении от релейного регулятора;

— оценка эффективности предложенных систем управления применительно к электроприводу рабочих валков дрессировочного стана цеха ПХПП ОАО «НЛМК».

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

2.1 Математические модели асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель трехфазного исполнения имеет простую конструкцию, однако, математическое описание требует применение сложного математического аппарата, поскольку в асинхронном двигателе происходят сложные электромеханические динамические и электромагнитные процессы, которые вызваны взаимодействием магнитных полей, зависящих от скорости движения ротора. Математическое описание электромеханических и электромагнитных процессов представленное для естественной системы координат А, В, С дает наиболее четкую и полную картину [78, 79, 80].

Математическому описанию асинхронного двигателя в литературных источниках уделено большое внимание. На рисунке 2.1 представлена Т-образная схема замещения фазы асинхронного двигателя [81, 82, 83], которая позволяет получить уравнения зависимостей мгновенных значений переменных асинхронного двигателя. Представленная модель полностью позволяет описать все процессы для заторможенного асинхронного двигателя. Установлено, что электромагнитные и электромеханические процессы протекающие во вращающемся АД аналогичны процессам заторможенного двигателя [84, 85, 86].

Для решения поставленных задач, связанных с глубоким анализом электромеханических и электромагнитных процессов возникает потребность подробного математического описания трехфазного АД. Математическое моделирование и аналитические расчеты в естественной системе координат достаточно сложны и трудоемки, т.к. учитывают взаимовлияние каждой фазы друг на друга.

В неподвижной системе координат уравнения напряжений статора и, и ротора и 2 трехфазного асинхронного двигателя примут вид [82]:

и, =К,11 ч-Ах,/,. (2.1)

Рисунок 2.1- Т-образная схема замещения фазы короткозамк-нутого асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь

В неподвижной системе координат уравнения напряжений статора и, и ротора и 2 трехфазного асинхронного двигателя примут вид

ах

где

и1а ЧЛа

и,= ; 4 = чл = ЧЛь 5

V >2а"

и2 = и2Ь ; у2 = Ч>2Ь

За. Лс. .44

Ча'Чь'^с^а'Ьь'Ьс^и'^ь'^сУга'^ь'^с " токи и потокосцепления статора и ротора

г'

соответственно; Я, =г,,К21 = — - активное сопротивление статора и приведенное

8

к статору активное сопротивление ротора соответственно.

Для симметричной электрической машины с синусными обмотками

ЧЛ =ЬЛ+Ьт12;

ч^ЬпЛ+ьЛ*.

(2.3)

где Ь8 +Ьт;Ьг -Ь'2 +Ьт;Ь'2- индуктивность ротора, приведенная к статору; Ц,Ьт - собственная и взаимная индуктивности фаз статора и ротора соответственно.

В представленных уравнениях (2.1, 2.2) значение взаимной индуктивности Ьт ротора и статора не зависит от положения осей ротора по отношению к осям статора, что и позволяет достичь постоянство пространственной диаграммы векторов асинхронного двигателя при любом положении ротора в любой момент времени.

Используя (2.1 - 2.3) и операторный метод, сформулируем для одной фазы АД с короткозамкнутым ротором следующие уравнения напряжений статора и ротора:

и,ф(р)=11ф(р1г1 +р(ц +Ьт)] + рЬтГ2ф(р>;

0 = 11ф(р)рЬт +

+ р(Ь'2+Ьт)

1'2ф(р)>

(2.4)

где р =--оператор дифференцирования; Г2(Ь(р)- операторное изображение при-

сИ:

веденного к статору тока фазы ротора.

На основании вышеизложенных уравнений получим уравнение передаточной функции по напряжению фазы статора и1ф(р) для фазного тока ^(р):

1,Ф(Р)

1 1 Г2 ]

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Абросимов, Александр Сергеевич

Основные результаты, полученные в диссертации, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработаны векторные системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и релейным регулятором напряжения, которые обеспечивают высокие качества напряжения и тока на зажимах обмотки статора, характеризующиеся коэффициентом несинусоидальности ТНОи равным 5-10 % во всех режимах работы с достижением высокой жесткости механических характеристик и точности регулирования.

2. Разработаны математические модели предложенных систем управления асинхронным электроприводом, которые стали основой для проведения исследований систем векторного управления электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока во всех режимах работы, учитывающие элементы релейного регулирования и позволяющие получить графики переходных процессов.

3. Проведен сравнительный анализ предложенных систем управления асинхронным электроприводом. Предпочтение отдано векторной системе управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока, т.к. имеет меньшую частоту коммутации ключей 3-5 кГц автономного инвертора тока при одинаковой емкости выходного фильтра (С = 17 мФ) и точности поддержания регулируемого параметра (5%). Частота коммутации ключей АИТ с РРН при этом составляет 6-10 кГц в зависимости от режима работа.

4. Предложенные системы управления в установившихся режимах работы обеспечивают заданную точность регулирования, высокую жесткость механических характеристик, устойчивость работы и близкие к синусоидальной формы напряжения и тока на зажимах обмотки статора, характеризующиеся коэффициентом нелинейных искажений Т1Ш равным 3-5 %.

5. Проведен анализ переходных процессов предложенных систем векторного управления, который показывает, что они обеспечивают постоянство пускового момента независимо от изменения нагрузки на валу от 0 до 100 % номинального момента в пределах требуемого диапазона регулирования скорости 1:10.

6. Разработан принцип оптимизации работы ключей автономного инвертора тока при управлении от релейного регулятора. Предложенный принцип управления обеспечивает постоянное сохранение цепи через нагрузку АИТ.

7. Проведена оценка эффективности системы векторно-токового управления с релейным регулятором тока применительно к электроприводу рабочих валков дрессировочного стана цеха ГТХПП ОАО «НЛМК». Предложенная система управления отвечает требованиям, предъявляемым к электроприводу, обеспечивает близкие к синусоидальным формы напряжения и тока на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя в режимах потребления и рекуперации электроэнергии в сеть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований была решена актуальная задача, заключающаяся в разработке систем векторного частотного управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения. Системы управления обеспечивают формы напряжения и тока на обмотках статора электродвигателя близкие к синусоидальной и обеспечивают высокую точность регулирования и жесткость механических характеристик.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абросимов, Александр Сергеевич, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ильииский Н. Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода / Н. Ф. Ильинский // Электричество. - 2003. - № 2 - С. 2-7.

2. Андриенко, П. Д. Динамика двухконтурной системы регулирования скорости асинхронного двигателя с обратной связью по частоте / П. Д. Андриенко, Р. Т. Шрейнер, А. В. Волков // Электротехн. промышл. Сер. Электропривод — 1982. — № 9 - С.5-8.

3. Аранчий, Г. В. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов / Г. В. Аранчий, Г. Г. Жемеров, И. Эпштейн. - М.: Энергия. -1968.

4. Барышников, О. Д. Построение систем автоматизированного электропривода / О. Д. Барышников, Г. Г. Соколовский, В. А. Новиков, В. М. Шестаков. - Л.: ЛДНТП.- 1968.

5. Башарин, А. В. Управление электроприводами / A.B. Башарин, В.А. Новиков, Г. Г. Соколовский. - Л.: Энергоиздат. - Ленингр. отд-е. - 1982. - 392 с.

6. Бородина, И. В. Автоматический регулируемый по скорости электропривод с АС-машиной. / И. В. Бородина, А. М. Вейнгер, И.М. Серый, А. А. Янко-Триницкий // Электричество № 7. - 1975 г. - С. 41-46.

7. Булгаков, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями/ А. А. Булгаков. — М.: Энергоатомиздат. — 1982. - 216 с.

8. Гречко, Э. Н. Автономные инверторы модуляционного типа / Э. Н. Гречко, В. Э. Тонкаль. - Киев.: Наук, думка - 1983. - 304 с.

9. Дартау, В. А. Векторное управление машинами переменного тока / В. А. Дартау, В. В. Рудаков // Зап. ЛГИ, 1976, т. LXX, вып. 1, С. 48 - 54.

10. Дацковский, Л. X. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) / Л. X. Дацковский [и др.]// Электротехника. — 1996. — № 10. — С. 18-28.

11. Иосифьян, А. Г. Основы следящего привода / А. Г. Иосифьян, Б. М. Каган. - М.-Л.: Госэнергоиздат. - 1954

12. Локтева, И. Л. Принципы построения систем регулирования электропри-

водов с двигателями переменного тока / И. JT. Локтева, Г. Б. Онищенко, Т. В. Плотникова, Ю. Г. Шакарнян // Электричество № 5. - 1976 г. - С. 6-12.

13. Поспелов, Д. А. Логико- лингвистические модели в системах управления / Д. А. Поспелов. - М.: Энергоиздат. - 1981. - 231 с.

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

15. Чехет, Э. М. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода / Э. М. Чехет., В. П. Мордач, В. Н. Соболев. - Киев: Наук, думка. - 1988. -224 с.

16. Рудаков, В. В. Асинхронный электропривод с векторным управлением / И. М. Столяров, В. А. Дартау. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинг. отд. -1992. - 296 с.

17. Онищенко, Г. Б. Электрический привод. Учеб. для вузов. / Г. Б. Онищенко. - М.: РАСХН. - 2003. - 320с. ил.

18. Браславский, И. Я. Разработка, исследование, внедрение систем «тири-сторный преобразователь напряжения-асинхронный двигатель» / И. Я. Браславский, А. М. Зюзев, А. В. Костылев // Электротехника. — 2004. —№9. — С. 13-17.

19. Терехов, В. М. Системы управления электроприводов / В. М. Терехов, О. И. Осипов. - М.: Академия. - 2005. -304 с.

20. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И. Я. Браславский, 3. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. — М.: Академия. - 2004. - 256 с.

21. Козярук, А. Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / А. Е. Козярук, В. В. Рудаков; под. общ. ред. А. Г. Народицкого. - С.-Петербург. - 2001. - 126 с.

22. Бернштейи, А. Я. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе / А. Я. Бернштейн, Ю. М. Гусяцкий, А. В. Кудрявцев, Р. С. Сарбатов. - М.: Энергия. - 1980. - 327с.

23. Чиженко, И. М. Справочник по преобразовательной технике / И. М. Чи-женко. - К.: Техника. - 1978. - 447 с.

24. Barnes, М. Practical Variable Speed Drives and Power Electronics / M. Barnes. - New Jersey, USA: Elsevier. - 2003. - 286 pp.

25. Bose, В. K. Modern power electronics and AC drives / В. K. Bose. - New Jer-

sey, USA: Prentice Hall PTR. - 2002. - 711 pp.

26. Bose, В. K. Power Electronics and Motor Drives. Advances and Trends / В. K. Bose. - New Jersey, USA: Elsevier. - 2006. - 917 pp.

27. Emadi, A. Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives / A. Emadi. - New Jersey, USA: Elsevier. - 2005. - 632 pp

28. Krishnan, R. Electric motor drives: modeling, analysis and control / R. Krish-nan. - New Jersey, USA: Prentice Hall PTR. - 2001. - 626 pp.

29. Luo, F. L. Digital power electronics and applications / F. L. Luo, H. Ye, M. Ra-shid. - San Diego, USA: Elsevier. - 2005. - 408 pp

30. Mohan, N. Power Electronics. Converters, application and design. Second edition / N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins. - New Jersey, USA: A John Wiley and Sons, Inc. - 2006. - 802 pp

31. Rashid, M. H. Power Electronics Handbook, second edition / M. H. Rashid/ -San Diego, USA: Elsevier. - 2005. - 632 pp

32. Skvarenina, T. L. The power electronics handbook / T. L. Skvarenina. — CRC Press. - 2002. - 625 pp.

33. Trzynadlowski, A. M. Control of induction motors / A. M. Trzynadlowski/ - San Diego, USA: Academic press. - 2001. - 228 pp

34. Wu, B. High power converters and AC drives / B. Wu. - New Jersey, USA: A John Wiley and Sons, Inc. - 2006. - 333 pp

35. Зимин, E. H. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями / Е. Н. Зимин, В. JI. Кацевич, С. К. Козырев. - М.: Энергоиздат. - 1981. -192 с.

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

37. Мелешин, В. И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Меле-шин. - М.: Техносфера. - 2005. - 632 с.

38. Перельмутер, В. М. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник. / В. М. Перельмутер. — М.: Энергоатомиздат. - 1988. - 319 с.

39. Розанов, Ю. К. Основы силовой электроники / Ю. К. Розанов - М.: Энергоатомиздат. - 2004. - 272 с.

40. Розанов, Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. - М.: Энергоатомиздат. - 2004. - 272 с.

41.Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности Промышленная электроника / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. - М.: Высш. школа. - 1974. - 430 с.

42. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - М.: Академия. — 2006. -272 с.

43. Петров, Л. П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / Л. П. Петров, О. А. Андрющенко, В. И. Капинос и др. - М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 200 с.

44. Попков, О. 3. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи. Конспект лекций: учеб. пособ. — М.: Издательство МЭИ. — 2003. — 64 с.

45. Никитин, В. М. Энергосберегающие электроприводы / В. М. Никитин [и др.] // Электротехника. - 1996. - №4. - С.52-55.

46. Усольцев, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие / А. А. Усольцев. - СПб.: СПбГУ ИТМО. - 2006. - 95 с.

47. Broun, J. P. Variable-speed solutions / J. P. Broun // Air cond., Hear and Refrig. News №4.-2003.-C. 10-12.

48. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientiening die Grundlage fur die TRANSVECTOR - Regelung von Asynchronmaschienen // Siemens-Zeitschrift. -1971.-45.-P.757

49. Козлов, M. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами // Современные средства автоматизации - 2001. —№1. - С. 76-82.

50. Масандилов, Л. Б. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей / Л. Б. Масандилов, В. В. Москаленко. - М.: Энергия. - 1978. - 96 с.

51. Сандлер, А. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / А. С. Сандлер, В. С. Сарбатов. - М.: Энергия. - 1974. - 328 с.

52. Булгаков, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями/ А. А. Булгаков. -М.: Энергоатомиздат. - 1982. - 216 с.

53. Сабинин, Ю. А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю. А. Сабинин, В. Л. Грузов. - Л.: Энергоатомиздат. - 1985. — 235 с.

54. Эпштейн, И. И. Автоматизированный электропривод переменного тока / И. И. Эпштейн. - М.: Энергоиздат. - 1982. - 234 с.

55. Шенфельд, Р. Автоматизированные электроприводы / Р. Шенфельд, Э. Ха-бигер, Ю. А. Бордова. - Л.: Энергоатомиздат. - 1985. - 464 с.

56. Невраев, В. 10. Системы автоматизированного электропривода переменного тока / В. 10. Невраев, Д. П. Петелин. - М.Л.: Изд-во «Энергия», 1964. 104 с.

57. Калачев, Ю. Н. Управляемый асинхронный электропривод. Часть 2. / Ю. Н. Калачев // Снабжение и сбыт. - 2008. - № 10. www.privod.ru

58. Виноградов, А. Б. Векторное управление приводами переменного тока / А. Б. Виноградов. - Иваново: ИГЭУ им. В.И. Ленина. - 2008. - 298 с.

59. Виноградов, А. Адаптивно-векторная система бездатчика асинхронного электропривода серии ЭПВ / А. Виноградов, А. Сибирцев, А. Колодин // Силовая электроника № 3. -2006. - С. 46-51

60. Шрейнер, Р.Т. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом с ориентацией поля ротора / Р. Т. Шрейнер, Поляков В. А. // Электротехника № 2 - 1998. - С. 23-29.

61. Шрейнер, Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер. — Екатеринбург.: УРО РАН. - 2000. - 654 с.

62. Левин, П. Н. Оптимизированная по максимуму момента векторная система управления асинхронным электроприводом. Сборник научных докладов международной конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке инновационных технологий» / П. Н. Левин. - М.: МГИУ. - 2003. - 520 с.

63. Система векторного управления скоростью асинхронного электропривода: Пат.2158055 Россия, МПК7 Н 02 Р 21/00. Ульянов, гос. техн. ун-т, Иванов В.М №98110426/09

64. Мищенко В.А. Патент РФ №2132110, кл. Н02 Р 21/00. "Способ оптимального векторного управления асинхронным электродвигателем и электропривод для осуществления этого способа", Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В.Приоритет 25.03.1998. Опубл.20.06.1999.Бюл.№6.

65. Патент №2254666.Электропривод переменного тока // П.Н. Левин, В.Н.

Мещеряков. МКИ Н02Р 7/42. 20.06.2005. Бюл. № 17.

66. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б. И. Фи-раго, JI. Б. Павлячик. - Минск: Техноперспектива. - 2006. - 363 с.

67. Рудаков, В.В. Динамика электроприводов с обратными связями / В.В. Рудаков. -JL: Ленинградский горный ин.-т. — 1980. - 114 с.

68. Антонов, В. Н. Адаптивное управление в технических системах: учебное пособие / В. Н. Антонов, В. А. Терехов, И. Ю. Тюкин. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета. - 2001. - 244 с.

69. Мещеряков, В. Н. Выбор системы частотного управления асинхронным электроприводом подъемно-транспортных механизмов / В. Н. Мещеряков, А. А. Финеев // Вестник ЛГТУ-ЛЭГИ. - 2003. - №1. - С. 47-50

70. Сандлер, А. С. Вопросы динамики асинхронного частотно-управляемого электропривода с автономным инвертором тока / Ю. М. Гусяцкий, Н. Б. Затруб-щиков. — Электричество. - 1979. - №4. - С. 38 - 43.

71. Браславский, И. Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением / И. Я. Браславский. - М.: Энергоиздат. - 1988. — 224 с.

72. Бичай, В. Г. Состояние, тенденции и проблемы в области управления асинхронными двигателями / В. Г. Бичай, Д. М. Пиза, Е. Е. Потапенко, Е. М. Потапенко // Радюелектрошка, шформатика, управлшня. — 2001. — №1. — С. 138-144.

73. Сербии, Ю. В. Решение технологических задач средствами систем частотного регулирования / Ю. В. Сербии, А. В. Бакалов, О. А. Лебедева // Теплоэнерго-эффективные технологии. — 2007. — № 2. — С. 18-25

74. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии/ Под общ.ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.- 9-е изд., стер.-М.: Издательство МЭИ. - 2004. - 696 с.

75. Слежановский, О.В. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский [и др.]. - М.: Энергоатомиздат. - 1983. - 256 с.

76. Аттаианесе, Ч. Управление асинхронным двигателем с адаптацией с изменяющейся электромагнитной постоянной времени ротора / Ч. Аттаианесе, А. Да-

миано, И. Марониу, А. Перфетто // Электротехника. - 1996. - №7. - С. 29-31

77. Polka, D. Motors and drives. A practical technology guide / D. Polka. - NC, USA: ISA The Instrumentation, Systems, and Automation Society. - 2003. - 385 pp

78. Мещеряков, В. H. Системы частотного асинхронного электропривода с оптимальным управлением: монография / В. Н. Мещеряков. - Липецк: ЛФ-МИКТ. — 2010.- 118 с.

79. Бесекерский, В. А. Системы автоматического управления с микроЭВМ / В. А. Бесекерский, В. В. Изранцев. - М.: Наука. - 1987. - 319 с.

80. Москаленко, В. В. Электрический привод / В. В. Москаленко. - М.: Высшая школа. - 1991. - 431 с.

81. Костенко, М. П. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 2. Машины переменного тока. Уч. для вузов. - 3-е изд. прераб. и доп. / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. - Л., Энергия. — 1973. — 648 с.

82. Вешеневский, С. Н. Расчёт характеристик и сопротивлений для электродвигателей / С. Н. Вешеневский. - М.-Л.: Госэнергоиздат. - 1955. - 328 с.

83. Войнова, Т. В. Математическая модель для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого процессорного управления / Т. В. Войнова// Электротехника. — 1998. — № 6. — С.51-61.

84. Изосимов, Д. Б. Свойства уравнений обобщенного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором / Д. Б. Изосимов, Е. Н/Аболемов // Электричество. - 2008. -№ 4. - С. 35-39.

85. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / И. П. Копылов. — М.: Высшая школа. -2001.-327 с.

86. Вольдек, А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек.- Л.: Энергия. -1974.-840 с.

87. Мещеряков, В. Н Математическое моделирование объектов динамических систем / В. Н. Мещеряков, В. А. Корчагина // Вести высших учебных заведений Черноземья: научно-технический и производственный журнал №1(11) / Липецкий гос. тех. ун-т. - Липецк. - 2008. - С. 46 - 50.

88. Мещеряков В.Н. Динамика электромеханических систем подъемно транспортных механизмов с асинхронным электроприводом. Монография / В.Н. Мещеряков.- Липецк. Липецкий государственный технический университет. — 2002. — 120 с.

89. Мещеряков, В.Н. Моделирование динамических процессов в системе асинхронного электропривода: учебное пособие / В.Н. Мещеряков., В.В. Федоров.- Липецк. - 1998. - 65 с.

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

91. Онищенко, Г. Б. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания / Г. Б. Онищенко, И. Л. Локтева. - М.: Энергия. - 1979. - 199 с.

92. Авербах, И. А. Электропривод и автоматизация промышленных установок как средство энергосбережения: библиотечка энергосбережения / И. А. Авербах, Е. И. Барац [и др.]. -Екатеринбург: УПИ. - 2002. - 26с.

93. Розанов, Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. - М.: 2004. - 272 с.

94. Mohan, N. First Course on POWER ELECTRONICSAND DRIVES/ Ned Mohan, A. Oscar. - Minneapolis, MN USA: University of Minnesota. - 2003.

95. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие: под ред. В. А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе / Н. Ф. Ильинский, Ю. В. Рожановский, А.О. Горнов. — М.: Высш. шк.- 1989.-127 с.

96. Хашимов, А. А. Энергосберегающие системы автоматизированного электропривода переменного тока / A.A. Хашимов // Электротехника. — 1995. — №11. -С. 34-39.

97. Motto, Е. R. Application Characteristics of an RB-1GBT Module / E. R. Motto, J. F. Donlon, M. Tabata. - Powerex Incorporated.

98. Каталог ПЧ Sinamics Gl 50 Siemens. - 2004. - №11. - 46 c.

99. ГОСТ 7.32-91 Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

100. ГОСТ Р 7.0.5-2008 Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления.

101. Мещеряков, В. Н. Анализ систем управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и релейными регуляторами напряжения со сглаживающим емкостным фильтром / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Электротехнические комплексы и системы управления. - Воронеж, ВГТУ. - 2011. - №3. - С. 64-68.

102. Мещеряков, В. Ы. Векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Электротехнические комплексы и системы управления. - Воронеж, ВГТУ. - 2012. - №4. - С. 61-65.

103. Мещеряков, В. Н. Системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика: ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет» — Новочеркасск, ЮР-ГТУ. - 2011. -№3. - С. 53-57.

104. Мещеряков, В. Н. Векторная система управления электроприводом с ПЧ на базе АИТ с РРТ / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Управление большими системами: материалы IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Том 2/ Липецкий государственный технический университет. — Тамбов-Липецк: Изд-во Першина Р.В. - 2012. - С. 156-159.

105. Мещеряков, В. Н. Системы скалярного и векторного управления частотными электроприводами с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. М. Башлыков, А. С. Абросимов, О. В. Мещерякова, М. М. Лосихин // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново. - 2012. — С. 37-41

106. Мещеряков, В. Н. Система управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами напряжения / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сборник материалов IX — ой Международной научно-практической интернет конференции: ФГОУ

ВПО «Госуниверситет - УНПК». - Орел: Изд-во: ООО ПФ «Картуш» — 2011. — С. 245-248.

107. Мещеряков, В. Н. Векторная система управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока / В. И. Мещеряков,

A. С. Абросимов // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сборник материалов X - ой Международной научно-практической интернет конференции: ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». - Орел: Госуниверситет-УНПК - 2012. - С. 82-84.

108. Мещеряков, В. Н. Системы управления асинхронным электроприводом, обеспечивающие высокое качество напряжения питающей сети / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сборник статей III Международной научно-практической интернет конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний - 2012. -С. 49-51.

109. Мещеряков, В. II. Повышение качества питающего напряжения приводов с преобразователями частоты на базе инверторов тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энергетика и энергоэффективные технологии: сборник докладов IV международной научно-практической. - Липецк: ЛГТУ - 2010. - С. 49-51.

110. Мещеряков, В. П. Системы скалярного и векторного управления частотными электроприводами с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» XVI Бенардо-совские чтения. Том 3: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново. - 2011. - С. 92-95

111. Пат. 2456742 Российская Федерация, МПК Н02Р25/02, Н02Р27/04, Н02Р27/06. Способ управления электроприводом переменного тока/ Мещеряков

B.Н., Безденежных Д. В., Башлыков A.M., Абросимов A.C. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2011114789/07; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. №20. - 9 с.