Содержание к диссертации
Введение
1. Частотно-регулируемые электроприводы и их компоненты 16
1.1. Принципы построения регулируемых асинхронных электроприводов 16
1.1.1. Сравнительная характеристика методов регулирования скорости вращения АД с короткозамкнутым ротором 16
1.1.2. Особенности частотного регулирования скорости вращения АД 19
1.1.3. Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе АД с короткозамкнутым ротором 21
1.2. Полупроводниковые приборы, используемые в силовой цепи ПЧ 25
1.2.1. Обзор ключевых элементов силовой электроники 25
1.2.2. Транзисторы IGBT 31
1.2.3. Тиристоры IGCT 35
1.3. Вопросы электромагнитной совместимости 36
1.4. Обзор работ по теме диссертации 40
1.5. Выводы 46
2. Волновые процессы в АД и их математическое описание 47
2.1. Процессы, происходящие в проводниках, изоляции и сердечниках АД при ВП ; 47
2.1.1. Общие физические представления 47
2.1.2. Распределение вихревого тока в проводниках 48
2.1.3. Процессы в пакетах с шихтованной сталью 50
2.1.4. ВП в изоляции 51
2.2. Схема замещения обмотки при ВП 53
2.3. Расчет волновых параметров АД 57
2.3.1. Расчет магнитных волновых параметров 57
2.3.2. Расчет электрических волновых параметров 66
2.4. Выводы 70
3. Экспериментальная часть 71
3.1. Экспериментальные исследования ВП в обмотках АД, питающихся от ШИМ преобразователя 71
3.2. Экспериментальные исследования ВП в фазе обмотки АД 75
3.2.1. Воздействие импульса напряжения на обмотку АД...76
3.2.2. Влияние короткозамкнутого ротора на ВП 78
3.2.3. Влияние длительности, частоты следования и амплитуды импульсов на ВП в обмотке статора 79
3.2.4. Влияние режима нейтрали на ВП в обмотке статора 82
3.3. Распространение волны по виткам и катушкам обмотки...83
3.4. Частотные характеристики обмотки 86
3.5. Выводы 90
4. Волновые напряжения в обмотке АД 91
4.1. Расчет волновых напряжений в обмотках АД 91
4.1.1. Предварительные замечания и исходные дифференциальные уравнения 91
4.1.2. Начальные и граничные условия 93
4.1.3. Решение дифференциальных уравнений ВП 97
4.1.4. Учет влияния частотных зависимостей параметров обмотки АД 98
4.2. Моделирование волновых переходных процессов с помощью системы DesignLab 8.0 102
4.3. Влияние соединительного кабеля на ВП в обмотке АД... 108
4.4. Выводы 113
Заключение 114
Литература 116
- Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе АД с короткозамкнутым ротором
- Расчет электрических волновых параметров
- Влияние длительности, частоты следования и амплитуды импульсов на ВП в обмотке статора
- Моделирование волновых переходных процессов с помощью системы DesignLab 8.0
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы одним из основных, приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира стало энергосбережение или рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии. Это обуславливается, во-первых, ограниченностью, не-возобновляемостью всех основных видов энергоресурсов, во-вторых, непрерывно возрастающими сложностями их добычи, в-третьих, глобальными экологическими проблемами, возникшими в последнее время. В практическом плане необходимость энергосбережения диктуется резким, особенно в нашей стране, ростом цен на энергоресурсы.
Энергосбережение в любой сфере сводится к снижению потерь. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая доля потерь (до 90%) приходится на сферу энергопотребления. Очевидно, что основные усилия по энергосбережению должны быть направлены именно на сферу потребления электроэнергии. Следует отметить, что в нашей стране до недавнего времени, в отличие от других стран, приоритет отдавался наращиванию добычи энергоресурсов и производству энергии. Сейчас под давлением обстоятельств ситуация начала изменяться, что отражено, в частности, в целевой федеральной программе "Топливо и энергия. Энергосбережение в России на 1996 - 2000 г.г." Подсчитано, что каждый процент экономии энергоресурсов дает прирост национального дохода на 0.35-0.4%.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии (рис.1); остальная доля приходится на электрический транспорт - 9%, электротермию и электротехнологию -10%, освещение и прочие потребители - 21%. Следовательно, основной эффект энергосбережения может быть получен в наиболее емкой сфере электропривода, что не умаляет значения подобных усилий во всех других сферах. 60% 10% 21% Рис.1. Доля электропривода в сфере потребления электрической энергии
Большая часть электроэнергии, потребляемая электроприводами, относится к электроприводам на основе повсеместно используемых асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором в диапазоне мощностей до 100 кВт. Это обусловлено неоспоримыми преимуществами АД перед другими типами электромеханических преобразователей энергии, а именно: низкой стоимостью и материалоемкостью, высокими технико-экономическими и эксплутационными показателями, отсутствием щеточно-коллекторного узла.
Единственным радикальным подходом к энергосбережению во всех технологиях, где используется электромеханическое преобразование энергии, следует считать применение регулируемого электропривода, т.е. подсистемы электрический преобразователь - двигатель, позволяющей управлять скоростью и моментом в нужном диапазоне с минимизацией потерь в двигателе и прочих затрат [64]. При этом реализуются все основные пути энергосбережения при одновременной оптимизации основного технологического процесса. Именно этот подход используется традиционно, часто на основе хорошо регулируемого электропривода постоянного тока, там, где требуется регулирование технологических координат (металлургия, металлообработка, кабельное, текстильное производство и др.). Вместе с тем, массовый нерегулируемый электропривод (насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры, конвейеры, деревообработка, агрегаты пищевой промышленности и т.п.) осуществляется на базе АД. В этой сфере основным направлением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому.
Это направление принято в мировой практике и интенсивно развивается [9], чему активно способствуют два совпавших во времени события: наметившийся дефицит и ощутимый рост стоимости энергоресурсов в мире и выдающиеся успехи силовой электроники и микроэлектроники, обусловившие появление в последние годы на мировом и отечественном рынках весьма совершенных и доступных электронных преобразователей электрической энергии. Как указывается в [3], к 2002 году на европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов электроприводы переменного тока составят 68%, а электропри воды постоянного тока - только 15%, остальная доля приходится на механические и гидравлические приводы. Экономия электроэнергии при использовании регулируемого привода взамен нерегулируемого оценивается в размерах 25-50%, при этом капиталовложения окупаются за 0.5-2.0 года.
Кроме проблемы энергосбережения, регулируемый электропривод позволяет решать разнообразные и сложные технологические задачи практически во всех отраслях промышленности, спецтехники, транспорта, сельского хозяйства и быта.
Для электроприводов, построенных на базе АД с коротко-замкнутым ротором, единственным экономичным способом плавного регулирования в продолжительных режимах является частотный [35,68, 106, 111], основанный на использовании преобразователей частоты (ПЧ). Наиболее удачной в настоящее время и повсеместно принятой в мире компоновкой ПЧ является структура со звеном постоянного тока (рис.2), формирование вы силовая часть U_=const й50Гц блок управления выпрямителем блок управления инвертором блок задания скорости источник питания цепей управления блок управления силовой частью Рис.2. Структурная схема ПЧ со звеном постоянного тока ходных сигналов в которой осуществляется посредством широт-но-импульсной модуляции (ШИМ). Силовая часть такого ПЧ состоит из регулируемого выпрямителя, фильтра и автономного инвертора на основе ШИМ. Другие компоновки без использования ШИМ заметно уступают упомянутой либо по функциональным (циклоконверторы), либо по массо-габаритным и энергетическим показателям (преобразователи с инверторами напряжения и тока).
Проблемой создания регулируемых асинхронных электроприводов начали заниматься давно, после появления в 50-х годах на рынке управляемых полупроводниковых приборов - тиристоров и транзисторов. Однако в силу полууправляемости тиристоров и неспособностью транзисторов работать при высоких значениях напряжения и тока, эта проблема потеряла свою актуальность до недавнего времени, пока не были созданы новые типы мощных, полностью управляемых приборов силовой электроники. Тем не менее, регулируемыми приводами занимались многие ученые, что отражено в ряде публикаций [21, 23, 24, 32, 36, 40, 60, 74, 81, 83, 96, 115, 118, 119, 123, 129].
В качестве примера целесообразности использования частотно-регулируемых асинхронных электроприводов на базе ПЧ взамен нерегулируемых приведем опыт внедрения таких электроприводов в насосные станции административных и жилых зданий. На действующей насосной станции МЭИ в 1994 г. была реализована демонстрационная версия энерго-, ресурсосберегающей насосной установки [134] на основе современных ПЧ. На станции установлены четыре одинаковых насоса типа КМ 80-50-200, снабженые АД типа 4АМ16082ЖУ2 (15 кВт, 380 В, 29 А, 2900 об/мин) и стандартной станцией управления. При проведении предварительных испытаний в июле-сентябре 1994 г. использовались зарубежные ПЧ, а в ноябре-декабре 1994 г. испы-тывался преобразователь мощностью 20 кВА, разработанный в МЭИ, который с начала января 1995 г. находится в работе постоянно. Данные экспериментов свидетельствуют о значительном снижении потребляемой мощности: экономится до 50% электроэнергии и до 10% тепла в системе горячего водоснабжения, расход воды уменьшается на 20% за счет сокращения ее потерь. Кроме того, снижается неоправданный избыток напора при малых расходах, существенно уменьшаются динамические нагрузки на элементы гидросистемы и исключаются гидравлические удары за счет плавного пуска с постепенным повышением частоты, что уменьшает износ оборудования. Так же наблюдается снижение шума, что немаловажно при установке насосов в подвалах жилых зданий. Срок окупаемости 6-8 месяцев.
На выходе ПЧ с ШИМ-регулированием образуется серия импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды, но разной длительности, полезная составляющая которой имеет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды. Длительность фронта импульсов определяется типом ключевых элементов преобразователя. Полупроводниковые приборы, используемые в качестве ключевых элементов ПЧ, их отличительные особенности и характеристики подробно описаны в 1 главе. Так, например, для широко используемых в современных ПЧ транзисторов с изолированным затвором (IGBT) длительность фронта импульса лежит в пределах от нескольких сотен наносекунд до нескольких микросекунд. Таким образом, на обмотку АД поступают импульсы прямоугольной формы с высоким значением du/dt, что вызывает протекание в обмотке волновых процессов (ВП). Под ВП следует понимать сложный комплекс физических явлений возникновения, распространения и быстрого изменения электромагнитного импульса вдоль цепи с распределенными параметрами (обмотка и магнитная система электрической машины).
Явления распространения и отражения волн при ВП имеют место в обмотке статора АД, а также в длинных кабелях, соединяющих зажимы двигателя и преобразователя. Отраженные волны, складываясь с питающим напряжением и ЭДС в обмотке статора, вызывают пики напряжения в линии, питающей АД, и перенапряжения в изоляции статора, которые воздействуют на изоляцию статорной обмотки с частотой переключения ШИМ 2... 20 кГц. Результирующие импульсы могут в 2 раза превышать амплитуду питающего напряжения. Таким образом, при работе от ПЧ изоляция двигателя испытывает намного большие напряжения, чем при работе от источника синусоидального напряжения такой же амплитуды и частоты. Кроме того при быстром нарастании напряженности электрического поля на фронте волны в изоляции машины возникают заметные диэлектрические потери. Все это приводит к быстрому старению изоляции, что сказывается на снижении надежности и срока службы электрической машины. Так по статистике фирмы "Siemens" срок службы АД при совместной работе с ПЧ составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Поэтому исследование ВП в частотно-регулируемых АД является актуальной задачей.
Проблемой изучения ВП в электрических машинах начали заниматься с начала 30-х годов в связи с защитой трансформаторов от грозовых перенапряжений, затем эта проблема была перенесена на турбо- и гидрогенераторы. В последние годы ВП стали
предметом изучения в результате более широкого подхода к проблеме надежности корпусной и витковой изоляции в связи с коммутационными перенапряжениями. Большой вклад в исследование ВП в электрических машинах внесли отечественные ученые Абрамов А.И, Глазков Ю.А., Гольдберг О.Д., Горбунов Ю.К., Извеков В.И., Каганов З.Г., Карасев В.А., Лоханин А.К., Люлько В.А., Основич В.Л., Петров Г.Н., Суворов Н.И., Чагин Н.Л. и др. К сожалению, возникновению ВП при совместной работе АД с электронным преобразователем энергии не уделено должного внимания, и публикаций на данную тему в иностранной литературе [1, 2, 5, 12-15] встречается на много больше, чем в отечественной.
Необходимость исследования этих явлений возрастает с увеличением мощности и быстродействия ключевых элементов силовой электроники. Эффективный путь дает математическое моделирование ВП, результаты которого позволят еще на стадии проектирования приводов предсказать величины возможных перенапряжений и принять, если это необходимо, меры защиты.
Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование ВП в обмотках АД, питающихся от ПЧ с ШИМ-регулированием, включающее в себя обзор и анализ современных электроприводов и электронных компонентов, расчет волновых параметров обмоток АД, математическое моделирование волновых напряжений и создание расчетных программ на ЭВМ, экспериментальные исследования.
Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в применении методов описания ВП в электрических машинах к быстротекущим явлениям, происходящим в обмотках АД при питании от
ПЧ, в создании математической модели таких процессов и программы расчета волновых параметров АД, в постановке экспериментов.
Практическая ценность. Представление методики и результатов исследований ВП в обмотках АД при питании от ШИМ-преобразователя. Инженерные рекомендации по уменьшению последствий возникновения ВП в обмотках АД.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались следующие методы исследований: математическое моделирование ВП, сопоставление с экспериментальными данными. Круг рассматриваемых задач потребовал использование фундаментальных курсов теоретической электротехники [22, 33, 97, 102, 138], теории волновых процессов в цепях с распределенными параметрами (длинных линиях) [72, 73, 75], математического анализа [20, 38, 55, 125, 127], физики электротехнических материалов [34, 65, 76], а так же обзоры по современным полупроводниковым приборам [6, 17, 44, 107, 114, 121, 122, 124].Все вычисления и графические построения производились на ПЭВМ с применением следующих пакетов программ: MathCAD®, DesignLab®, AutoCAD®, MS Word®, MS Excel®
Для реализации поставленных задач, были проведены научные исследования, по результатам которых на защиту выносятся следующие положения:
• Обзор и выбор электронных компонентов для силовой цепи ПЧ, их сравнительные характеристики с точки зрения быстродействия, энергосбережения и других функциональных свойств;
• Разработка математической модели для исследования ВП в АД и адоптация математических методов решения этой задачи;
• Экспериментальные исследования ВП в обмотках АД;
• Алгоритм и программа расчета волновых напряжений в обмотке АД на основе разработанной модели;
• Оценка адекватности модели и алгоритма на основе сравнения с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения проводимого исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• III международная конференция "ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ." МКЭЭ-98, Клязьма, 1998 г. [31];
• III международная конференция "ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОНЕНТОВ." МКЭМК-99, Клязьма, 1999 г. [28];
• 6а международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА.", г. Москва, 2000 г. [61];
• Всероссийская научно-практическая конференция "СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ.", г. Тула, 2000 г. [30].
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ [28-31, 61].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 132 страницы, в том числе 41 рисунок на 37 страницах, 9 таблиц на 8 страницах и 139 наименований списка литературы на 16 страницах.
Краткое содержание работы.
В первой главе дается обзор литературы по вопросам исследования ВП в электрических машинах, обзор и анализ современных электроприводов и электронных компонентов, рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости ПЧ и АД.
Во второй главе описываются физические явления, происходящие в проводниках, изоляции и магнитопроводе АД при ВП. Обосновывается выбор схемы замещения обмотки и приводится методика расчета волновых параметров машин с учетом их частотных зависимостей.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям: сняты кривые напряжений и токов в обмотке АД типа 4A160L2S при питании от ПЧ Р-30-1, проведены исследования и анализ ВП в фазе обмотки двигателей 4АА56А4Т2 и ДАО-160, получены частотные характеристики двигателя 4АА56А4Т2.
В четвертой главе описывается математическая модель для исследования волновых напряжений в обмотке АД: приводятся исходные дифференциальные уравнения и начальные условия, рассматриваются методы их решения и алгоритм расчетной программы. Описывается моделирование волновых напряжений с помощью системы DesignLab®. Адекватность модели проверятся путем сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей. Кроме того, рассмотрено влияние на ВП соединительного кабеля в системе АД - ПЧ, даются рекомендации по выбору его длины и параметров.
Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе АД с короткозамкнутым ротором
Для регулирования скорости вращения или момента АД необходимо изменять параметры их электрических цепей или питающих двигатель источников (преобразователей) электрической энергии, что следует непосредственно из анализа уравнений, описывающих электромеханические процессы в электрических машинах. В соответствии с этим все методы регулирования скорости электропривода подразделяются на параметрические, т.е. связанные с изменением параметров электрических цепей двигателей, и способы регулирования, основанные на изменении выходных величин источников питания, к которым относится и метод частотного управления скоростью вращения АД.
К параметрическим методам регулирования скорости АД с короткозамкнутым ротором относятся, например, такие, как изменение числа пар полюсов, включение в цепь статора тиристоров, активных или реактивных сопротивлений и др.
При включении активных или индуктивных сопротивлений в цепь статора АД регулирование скорости осуществляется вниз от номинальной. Диапазон регулирования обычно не превышает 1:2. Недостатками этого метода являются изменение критического момента и жесткости механических характеристик двигателя.
С увеличением вводимого сопротивления значительно снижается КПД установки за счет потерь энергии в добавочном сопротивлении, а в случае введения индуктивного сопротивления уменьшается и коэффициент мощности. Этот метод нашел применение не для регулирования скорости, а в основном для ограничения пусковых токов АД.
Высокая жесткость механических характеристик и экономичность отличают способ регулирования скорости АД изменением числа пар полюсов, что обуславливает его применение в ряде производственных механизмов, где допустимо ступенчатое изменение скорости вращения, например, лифтов. К недостаткам этого способа следует отнести повышенные габариты и стоимость двигателя, а так же невозможность плавного регулирования скорости.
Известен импульсный способ регулирования скорости АД, основанный на периодическом изменении параметров двигателя или источников питания. Такое регулирование отличается простотой и дает возможность получить в замкнутых системах сравнительно широкий диапазон изменения регулируемых величин. Механические характеристики в этом случае похожи на характеристики АД при регулировании его скорости вращения изменением напряжения источника питания. Развитие полупроводниковой техники позволяет создать на базе управляемых вентилей бесконтактные импульсные системы электропривода. Повышенные потери и нагрев двигателя, как и колебания скорости в установившемся режиме, ограничивают область применения импульсного метода регулирования.
Большое внимание до настоящего времени уделялось фазовому методу регулирования скорости АД (изменением подводимого к статору АД напряжения). С его помощью удается значительно расширить диапазон плавного регулирования скорости с одновременным увеличением жесткости механических характеристик АД. Достигается это применением замкнутых систем регулирования. Для этого применяются статические регуляторы напряжения на магнитных усилителях или полупроводниковых коммутаторах, причем последние получили наибольшее распространение. Диапазон регулирования скорости в системах с полупроводниковыми коммутаторами достигает 1:50. Основным недостатком этого способа является ухудшение энергетических показателей (КПД, coscp) электропривода со снижением скорости АД. Уменьшение КПД обусловлено увеличением энергии скольжения в роторе. Работа двигателя с большими скольжениями, как и увеличение угла управления ключами коммутатора при снижении напряжения приводит к уменьшению коэффициента мощности. К недостаткам следует отнести также неудовлетворительный гармонический состав токов и потокосцеплений и наличие искажений, которые вносятся коммутатором в питающую сеть.
Применение управляемых полупроводниковых вентилей позволило создать большое разнообразие схем и получить различные статические и динамические характеристики двигателей при питании их несимметричной системой напряжения. Сюда можно отнести однофазное включение АД, совмещение генераторного и двигательного режимов, двигательного и режима динамического торможения, питание АД напряжениями различных частот и др. Применение этих методов способствует реализации рациональных тормозных режимов, получению пониженных и "ползущих"
скоростей электропривода при хорошей жесткости механических характеристик, исключению возможности самопроизвольного реверса при торможении противовключением. Однако область применения этих методов регулирования ограничена, особенно для продолжительных режимов работы. Это обусловлено прежде всего тем, что наличие токов и потоков обратной последовательности увеличивает потери в стали и меди, повышает нагрев машины. В механических характеристиках двигателя появляются провалы. Взаимодействие между токами и потоками прямой и обратной последовательностей вызывает появление дополнительных пульсирующих моментов, которые приводят к неравномерности вращения вала двигателя.
Таким образом, основными недостатками большинства рассмотренных методов регулирования скорости вращения АД с ко-роткозамкнутым ротором являются ограниченный диапазон и наличие дополнительных потерь в АД, что снижает КПД привода в целом. Применение частотного метода регулирования АД позволяет избавиться от большинства указанных выше недостатков.
Расчет электрических волновых параметров
Отсутствие до недавнего времени достаточно мощных управляемых полупроводниковых ключей - основных элементов ПЧ - являлось практически непреодолимым препятствием для широкого применения ПЧ в электроприводе и других устройствах.
Преобразование электрической энергии постоянно нуждается в идеальном ключе, который должен иметь следующие характеристики: большой ток (коммутируемый ток, действующее, среднее и максимальное значения, ударный ток); высокое напряжение (импульсное повторяющееся, длительное постоянное); малые потери (статические и динамические); быстрое переключение; высокую частоту; высокую надежность; минимальные потери и хорошие условия охлаждения; компактную конструкцию. Эти принципы в разработке приборов реализуются двумя путями: через структуру тиристора, при этом основными достоинствами являются способность проводить большие токи с минимальными потерями, и через структуру транзистора, характеризующегося хорошей способностью к выключению [124].
Давно разработанные, повсеместно освоенные тиристоры мало пригодны для использования в ПЧ в силу их полууправляемости (управляем лишь момент открывания; для закрывания требуются специальные устройства) и связанным с этим низким быстродействием. В ПЧ на основе тиристоров, выпускавшихся ранее, не использовались режимы ШИМ, вследствие чего было неосуществимо качественное формирование токов, система была крайне громоздкой, имела низкие функциональные и технические характеристики и использовалась в основном при больших мощностях привода (более 200 - 300 кВт).
Все годы безраздельного господства тиристоров в силовой электронике шел в основном количественный рост их параметров за счет успехов технологии. Серьезных изменений, в основе которых бы лежали новые физические идеи, не было. Неизменность функциональных возможностей базовых приборов привела к тому, что и основные схемы преобразователей на их основе длительное время также оставались неизменными.
Ситуация в этой области кардинально изменилась в середине 80-х годов с промышленным освоением силовых запираемых тиристоров GTO (Gate Turn Off). Физические основы их работы были известны давно, но технологические трудности изготовления долгое время оставались непреодолимыми. Тем не менее, на сегодня основные статические параметры GTO сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Главный недостаток GTO -значительные токи управления, приводящие к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и систем передачи энергии на потенциал тиристоров. Именно это обстоятельство сдерживает широкое использование GTO в преобразователях. Область применения GTO сегодня - мощные высоковольтные приводы, в преобразователях небольшой мощности (единицы - десятки кВт) GTO не получили широкого применения.
Полупроводниковые приборы, реализованные через структуру транзистора, долгое время были вытеснены тиристорами и не находили широкого применения в преобразователях. Силовые транзисторы не обеспечивали нужных параметров, в частности, имели недостаточно высокое обратное напряжение для надежной работы в преобразователях, питающихся от сети 380 В и выше, требовали громоздких многокаскадных схем управления, не обладали достаточно высоким быстродействием.
В конце 80-х начале 90-х годов появились другие полупроводниковые приборы ключевого типа - мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) [17, 121]. Уступая GTO по статическим параметрам, они принципиально превосходят их по динамике (прежде всего по времени включения и запирания). Кроме того, IGBT, имеющий в составе своего электрода управления полевой транзистор, не требует больших токов для запуска процессов включения и запирания, тем самым облегчая систему управления. Обладая недостижимым ранее комплексом свойств, IGBT приближается по своим характеристикам к идеальному ключу.
Так же распространение получили полевые транзисторы типа металл - оксид - полупроводник (МОП) или MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако при их очень высоких качествах, близких к идеальному управляемому ключу, большим недостатком является низкое напряжение. Ряд фирм делали попытки выпускать MOSFET-транзисторы на более высокие напряжения (до 1000 - 1500 В), например, американская фирма International Rectifier, однако эти приборы имели очень малые токи. В настоящее время реальные напряжения не превышают 500-600 В. Принципиальным отличием полевых транзисторов от биполярных является их высокое быстродействие, но в то же время им присущи большие потери мощности во включенном состоянии. Это обуславливает их применение в низковольтных ПЧ с высокой частотой коммутации, в частности, в различной бытовой технике, в промышленных ЭП они не нашли широкого распространения. Производство МОП-транзисторов налажено в России (Воронежское объединение "Электроника" и др. фирмы), поэтому они являются более дешевые и легкодоступными приборами на отечественном рынке.
Кроме упомянутых приборов, в самое последнее время появилась совершенно новая разработка, одновременно созданная и фирмой "ABB Semiconductors", и фирмой "Mitsubishi" [6]. Это так называемый управляемый по электроду управления тиристор GTC (Gate Control Thyristor) и отличающийся от него наличием встроенного блока управления (драйвера) тиристор IGCT (Integrated GCT). В этих приборах комплексно реализованы требования к силовому ключевому элементу, давно очевидные для специалистов по преобразователям, но в силу различных технологических трудностей не находившие отражения в реальных приборах.
Для сравнения свойств и характеристик рассмотренных выше полупроводниковых приборов, используемых для построения силовых цепей современных ПЧ, приведены таблицы 1.1 и 1.2, отражающие максимально достигнутые параметры приборов, их преимущества и недостатки. Остановимся подробнее на наиболее перспективных приборах с точки зрения создания ПЧ для асинхронного электропривода малой и средней мощности, а именно транзисторе IGBT и тиристоре IGCT.
Влияние длительности, частоты следования и амплитуды импульсов на ВП в обмотке статора
Тиристор IGCT (Integrated Gate- Commutated Thyristor) это улучшенный полупроводниковый ключ большой мощности для преобразования энергии, который представляет новые стандарты на характеристики, связанные с коммутируемой мощностью, надежностью, быстродействием, КПД, стоимостью и массогабарит-ными показателями. IGCT полностью подготовлены к производству и уже доступны потребителям.
До сегодняшнего дня было только несколько серьезных кандидатов на высоковольтное применение: GTO - тиристор с его громоздким снаббером и IGBT - транзистор с присущими ему большими потерями. Последние разработки показали превосходство приборов, которые удачно комбинируют лучшие характеристики тиристоров и транзисторов, полностью удовлетворяя требованиям воспроизводимости (серийной пригодности) и высокой надежности. Тиристоры IGCT - это полупроводниковые приборы, базирующиеся на GTO структуре, чья управляющая цепь имеет такую низкую индуктивность, практически преобразуя прибор в выключающий биполярный транзистор.
Мощные тиристоры IGCT уже освоены передовыми зарубежными фирмами, специализирующимися в области силовой электроники. Так фирма "ABB Semiconductors" выпускает в продажу IGCT 3.5кА/4.5кВ, у которых время включения и выключения имеет значения 15 и 20 мкс соответственно, возможность работы на частотах до 3 кГц. В табл.1.5 дается приближенное сравнение характеристик IGCT и IGBT с точки зрения энергопотребления для устройств З.ЗкВ/ЗбООА.
Развитие электротехники и электромашиностроения на современном этапе придерживается тенденции на совмещение электромеханических преобразователей энергии с электронными компонентами, обеспечивающими преобразование рода и параметров тока, управление, диагностику и защиту. В связи с этим, а так же из-за повсеместно увеличивающегося электромагнитного загрязнения окружающей среды, особое значение приобрел вопрос электромагнитной совместимости (ЭМС) [74, 82, 98].
Под ЭМС понимают способность приборов, устройств, технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, существующих в окружающей обстановке, и не создавать недопустимые помехи другим объектам [135].
До недавнего времени актуальными являлись проблемы борьбы с радиопомехами и защиты изоляции электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений, сейчас же приобретают все большее значение и другие аспекты ЭМС, такие как ослабление излучений помех, затруднение проникновения помех в питающую сеть, рациональное построение схем и конструкций приборов и функциональных связей между ними, подтверждение помехоустойчивости и др. Чтобы иметь возможность целенаправленно спланировать ЭМС системы, должны быть известны: электромагнитная обстановка, характеризующаяся амплитудными значениями напряжений и токов, наряженностей поля, частотными спектрами, крутизной фронтов импульсов и др.; механизм связи электромагнитных влияний (см. рис. 1.4), характеризующийся коэффициентами затухания или передаточными функциями; восприимчивость или чувствительность приемника помех. Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых или необратимых нарушений. Примерами обратимых нарушений являются помехи на экране осциллографа, треск при включениях и выключениях электроприборов; примерами необратимых нарушений служат разрушение электронных компонентов или пробой изоляции при перенапряжениях. При совместной работе АД и ПЧ вопросы ЭМС нужно рассматривать в трех аспектах: 2. Электромагнитное влияние на окружающую среду (создание радиопомех и электромагнитных излучений, их негативное влияние на рядом расположенные электронные приборы и устройства); Первые два аспекта входят в компетенцию специалистов в области создания и эксплуатации электропривода. Так фирмой "UNIDRIVE" [139] предлагается расположение оборудования, разводка и использование соединительных кабелей, соответствующая стандартам по ЭМС (рис. 1.5). Третий аспект также отчасти решается со стороны преобразователя, а именно установка выходных фильтров или искусственное срезание фронтов ключевых элементов с целью уменьшения возникающих перенапряжений. Однако, это приводит к снижению энергетических показателей и повышению стоимости системы. Очевидно, что вопрос должен решаться совместными усилиями специалистов по электроприводу, электрическим машинам и силовой электронике. Решаемая в данной работе задача затрагивает возникший вопрос по ЭМС, кроме того, в четвертой главе рассматривается влияние кабеля, как соединительного звена между ПЧ и АД.
Моделирование волновых переходных процессов с помощью системы DesignLab 8.0
Проблемой изучения ВП в электрических машинах, как уже отмечалось, занимался коллектив ученых на кафедре электромеханики МЭИ. Сюда следует отнести работы по исследованию ВП в высоковольтных гидрогенераторах. В диссертации В.И. Извекова [62] основательно рассмотрены процессы возникновения и распространения волн перенапряжений в гидрогенераторе ПО кВ, описаны экспериментальные исследования, предложены технические решения по защите обмоток гидрогенератора от перенапряжений. Исследования ВП в высоковольтных гидрогенераторах были продолжены, что отражено в статье [63], посвященной вит-ковым перенапряжениям в статорной обмотке, а также диссертации Н.А. Серихина [120], где приводятся результаты математической обработки полученных данных по исследованию ВП в гидрогенераторе с внутренней защитой от перенапряжений. В дальнейшем были рассмотрены некоторые серийные машины в связи с возрастающим числом аварий от коммутационных перенапряжений, что отражено в отчете по научно-исследовательской работе [67], посвященной ВП в обмотках статоров двигателей типа 4АН, и статье [19].
Вопросом ВП и коммутационных перенапряжений в обмотках занимался известный ученый в области испытаний и надежности электрических машин О.Д. Гольдберг [42]. Это связано с непосредственным влиянием ВП на надежность изоляции обмоток электрических машин. Конкретной задачей исследования влияния перенапряжений на надежность изоляции низковольтных АД совместно с О.Д. Гольдбергом занимался Н.И. Суворов [43, 126]. В их работах наряду с описанием физических процессов в изоляции обмоток электрических машин развита математическая теория и проведены глубокие экспериментальные исследования.
Отметим еще несколько диссертационных работ по исследованию коммутационных перенапряжений в обмотках АД. Это работа Н.А. Реуцкого [112], отличающаяся уникальной постановкой экспериментов, а так же работы СП. Хелемской [130] и З.И. Дударенко [57]. Исследованию переходных процессов в АД при питании от преобразователя частоты посвящена диссертация А.А. Ткачука [128].
В журнальных статьях опубликованы данные о коммутационных перенапряжениях в обмотках однофазных АД [136], и в высоковольтных двигателях [56]. В отчете по НИР [66], проведенной в ЛПИ, описаны экспериментальные исследования внутренних перенапряжений на изоляции крановых АД, дан анализ возможных причин аварий.
Влиянию ВП на динамику АД посвящена статья Мамедова Ф.А. и Маруева С.А. [95]. Несколько глав, посвященных ВП, содержится в диссертации Ермыкина В.И. [59], в которой рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости АД и компьютера. В статье Протанского С.А. [108] рассматриваются принципы частотно-импульсного управления АД и электромагнитные параметры при таком управлении. Импульсному питанию двигателями постоянного тока посвящена книга Бельмана М.Х. [27], содержащая анализ переходных процессов. Процессы аналогичные ВП в электрических машинах рассмотрены в статье Евдо-кунина Г.А. и Корепанова А.А. [58], посвященной перенапряжениям в электрических цепях, коммутируемых вакуумными выключателями.
Следует отметить, что разделы, посвященные теории длинных линий, есть во всех основных учебниках и учебных пособиях по курсу ТОЭ [22, 33, 97, 102]. Анализ переходных процессов в цепях с распределенными параметрами, основанный на использовании импульсных функций, развит в монографии Кадымова Я.Б. [75].
Из иностранных авторов следует отметить Б. Геллера и А. Веверку, их книга [39] пользуется большой популярностью в нашей стране, ее можно считать классической по теории ВП в электрических машинах. Интерес вызывает статья Райта М. и Мак-Ли К., посвященная распределению межвиткового напряжения в статоре асинхронного двигателя, обусловленного быстрыми переходными процессами. В последнее время в зарубежных периодических изданиях появилось много интересных статей, посвященных проблеме перенапряжений в частотно-регулируемых АД [1, 2, 4, 5, 7, 8, 10-16].
Как показал обзор литературы, проблемой исследования ВП занимались многие ученые, однако она недостаточно хорошо изучена применительно к АД, регулируемых с помощью ПЧ, использующих современные быстродействующие полупроводниковые приборы, а также при тех высокочастотных импульсах с ШИМ, которые являются сейчас рабочими в ПЧ. Поэтому в данной работе не только обобщается весь предшествующий опыт решения задачи, но и делается попытка ее постановки и решения с учетом отмеченных достижений и тенденций развития силовой электроники, электрических машин и электропривода.
