Введение к работе
Актуальность темы. Существенная роль в совершенствовании оборудования и технологии промышленного производства принадлежит автоматизированному электроприводу (АЭП), который строится на базе электродвигателей постоянного и переменного токов чУкрупненНо АЭП разделяются на электроприводы широкого (массового) применения и специальные электроприводы. К этим электроприводам предъявляются разные требования.
АЭП массового применения обычно имеют умеренные требования к показателям качества регулирования (точность, диапазон, плавность, быстродействие) и повышенные требова-вания к надежности, экономичности, простоте управления и массо-габаритным показателям. Основными электроприводами промышленных и транспортных установок являются массовые АЭП, которые определяют технологический уровень оборудования и экономичность электромеханического преобразователя энергии. Экономичность регулирования скорости массовых АЭП может быть достигнута в системе "преобразователь частоты — асинхронный двигатель" (система ПЧ —АД). Надежность системы ПЧ — АД может быть повышена с помощью применения тиристорного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), который, однако, имеет ограничение по верхней выходной частоте при питании от промышленной сети. Совершенствование системы НПЧ —АД может идти по пути применения промежуточного звена повышенной частоты, построенного таким образом, чтобы АЭП обладал почти всеми положительными качествами системы НПЧ —АД и в то же время не имел ограничений по выходной частоте (с возможностью использования серийного асинхронного двигателя на частоту 50 Гц), а кривая тока нагрузки приближалась к синусоиде. Решение ряда задач но достижению указанной цели и определяет актуальность темы диссертации.
Связь работы с крупными научными программам», темами. Работа выполнялась в соответствии с темой научно-исследовательских работ кафедры "Электропривод и автоматизация' промышленных установок и технологических комплексов" БГПА ГБ —91-22 "Разработать пысокоэффектшшые
асинхронные электроприводы с полупроводниковыми преобразователями частоты".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование системы электропривода НПЧ-АД путем введения промежуточного звена однофазного тока повышенной частоты, ШИМ выходного напряжения в однофазно-трехфазном тиристорном' НПЧ и разработка методики расчета усовершенствованной системы электропривода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать структуру электропривода с определением функций основных ее элементов;
выбрать и обосновать способ формирования кривой выходного напряжения НПЧ;
провести гармонический анализ выходного напряжения НПЧ для принятого способа ШИМ;
разработать методику расчета установивцтихся динамических режимов работы усовершенствованной системы электропривода;
разработать математическую модель исследуемой системы электропривода;
разработать структуру системы управления электроприводом;
провести имитационное моделирование установившихся if переходных процессов исследуемой системы электропривода;
провести сопоставление результатов расчета с результатами моделирования.
Научная новизна полученных результатов. Впервые для АЭП массового применения по системе НПЧ--ШИМ —АД с промежуточным звеном повышенной частоты:
предложен способ синусоидальной ШИМ по усредненным на интервалах полупериода повышенной частоты значениям напряжения, изменяющимся от середины одного Полупериода к другому по синусоидальному закону, который записан в виде формулы для определения углов открывания вентилей;
получены аналитические выражения для расчета первой и высших гармоник выходного напряжения по усредненной и реальной кривой для принятого способа синусоидальной ШИМ, причем по усредненной кривой первая гармоника
. напряжения определяется без учета параметров нагрузки с погрешностью, не превышающей 3%;
разработана методика расчета токов ротора и статора АД в установившихся динамических режимах, основанная на однофазной схеме замещения асинхронного двигателя, позволяющая на этапе проектирования провести оценку электромеханических свойств и энергетических показателей .установившихся динамических процессов электропривода;
составлена математическая модель системы электропривода НПЧ ІІІИМ-АД с промежуточным звеном повышенной частоты, разрешенная относительно токов статора и ротора АД, которой удобно пользоваться при питании АД от полупроводниковых-преобразователей, управление ключами которых осуществляется в зависимости от тока;
разработаны алгоритмы и программы для компьютерного моделирования системы электропривода, с помощью которых можно осуществлять быстрые эксперименты с Моделью при различных входных воздействиях, возмущениях и изменении параметров.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные формулы для расчета углов открывания вентилей в принятом способе синусоидальной ШЙМ и для расчета первой гармоники выходного напряжения НПЧ по усредненной по полупериодам кривой являются исходной информацией для микропроцессорной системы управления разработанным электроприводом.
Разработанная методика расчета токов ротора и статора асинхронного двигателя и других величин системы электропривода позволяет выявить электромеханические свойства и энергетические показатели для ряда выходных дискретных частот в установившихся динамических режимах без моделирования, что весьма важно для быстрой предварительной оценки проектируемого электропривода.
Разработанная математическая модель и программа имитационного моделирования системы НПЧ ШИМ-АД с промежуточным звеном повышенной частоты дают возможность исследовать установившиеся и переходные процессы при любых выходных частотах, изменении параметров электропривода для разных законов задания частоты., в переходных
процессах, что позволяет иметь полную оценку показателей и свойств электропривода.
Экономическая значимость полученных результатов.
Результаты исследования могут найти применение при разработке и проектировании асинхронных регулируемых электроприводов с повышенными требованиями к надежности в различных отраслях хозяйства Республики Беларусь и Сирии.
Основные положения, выносимые на защиту: аналитические выражения для гармонического анализа и расчета углов открывания вентилей в выпрямительном и инверторном режимах для однополярной синусоидальной ШИМ, позволяющие' реализовать данную ШИМ без использования аналоговых синусоидальных сигналов переменной частоты и амплитуды и без запоминания значений углов открывания вентилей;
методика расчета установившихся динамических процессов в системе НПЧ — ШИМ—АД, которая дает возможность определить мгновенные и интегральные величины и показатели системы на этапе предварительного проектирования;
математическая модель системы НПЧ — ШИМ — АД и результаты имитационного моделирования, по которым можно полностью оценить электромеханические свойства и энергетические показатели при различных режимах, нагрузках и параметрах электропривода.
Личный вклад соискателя выразился в разработке идеи по совершенствованию, системы НПЧ-АД с помощью однополярной синусоидальной ШИМ при. наличии звена повышенной частоты, проведении расчетов и интерпретации их результатов, разработке математической модели и отладке программы имитационного моделирования электропривода. Анализ результатов проведен под руководством научного руководителя, а при разработке математической модели и при моделировании системы научным консультантом был профессор Павлович С.Н.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались на:
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, состава БГПА (1993-1995 г.);
республиканской научно-технической конференции "Автоматизированный электропривод промышленных установок" (Минск 1994 г.);
научно технической конференции "Теория и создание интеллектуальных САПР" (Минск 1994 г.);
международной 51-ой научно-технической конференции, посвященной 75-летию Белорусской государственной политехнической академии, "Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии"(Минск 1995 г.);
на международном симпозиуме по электрическим машинам (Польша) в 1995 году;
на международной научной конференции в Остраве (Чехия) в 1995 году.
Опубликованность результатов. Основные положения диссертации освещены в 2 статьях и 5 тезисах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений., изложенных на 204 машинописного текста, 79 рисунков (на 41 с.у таблицы! списка использованных источников, включающего 105 наименований (на 8 с .), и 4 приложений на 55 страницах.
