Содержание к диссертации
Оглавление 2
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 12
-
Постановка задач исследований 33 Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ
АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 35
-
Модели активного выпрямителя напряжения 35
-
Трехфазная мостовая схема АВН 41
-
2.5.3. Результаты моделирования процессов в трехфазной мостовой
схеме АВН 75
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 84
Электромагнитная совместимость электропривода с питающей сетью 129
Выводы по главе 3 134 Глава 4. СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ АСИНХРОННОГО
Система автоматического управления асинхронного электропривода 161
Выводы по главе 4 163 Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРРГООДА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 165
-
Результаты испытания макета активного выпрямителя напряжения 166
-
Выводы по главе 5 169 Заключение 171 Литература 173
Список сокращений
АВН - активный выпрямитель напряжения;
АД - асинхронный двигатель;
АИН - автономный инвертор напряжения;
ДПЧ - двухзвенный преобразователь частоты;
11К - полупроводниковый коммутатор;
11РВР - прогнозирующий релейно-векторный регулятор;
РН ~ регулятор напряжения;
РТ - регулятор тока;
САР - система автоматического регулирования; СУ - система управления;
СШИМ - синусоидальная широтно-импульсная модуляция; ШИМ - широтно-импульсная модуляция; ЭМС - электромагнитная совместимость; ЭП - электропривод.
Введение к работе
К настоящему времени электропривод с двигателями переменного тока и полупроводниковыми преобразователями частоты занял лидирующее положение среди других типов регулируемого электропривода. Значительная его часть по-прежнему выполняется на основе наиболее массового, простого Й надежного асинхронного двигателя (АД).
Для питания АД широко применяются двухзвенные тиристорные преобразователи частоты с системами импульсно-фазового управления (СИФУ), выполненные по схеме "выпрямитель напряжения - автономный инвертор напряжения". Преобразователи данного типа являются нелинейными приемниками электрической энергии, потребляющими значительную реактивную мощность, что ощутимо снижает их энергетическую эффективность. Кроме того, они вносят искажения в питающую сеть, обусловленные несинусоидальностью входного (сетевого) тока преобразователя. Искажения эти тем существеннее, чем значительнее мощность преобразовательных устройств и чем меньше мощность сети. Требования к влиянию различных потребителей на питающую сеть постоянно возрастают, а вновь вводимые стандарты на качество напряжений питающей сети исключают использование простых выпрямительных схем на входе преобразователей частоты (стандарты 1ЕЕЕ-519, МЭК 555, ГОСТ 13109-97),
Таким образом, широкое применение традиционных тиристорных полупроводниковых преобразователей различного типа резко обостряет проблему экономичного использования электрической энергии, так как традиционные преобразовательные устройства с СИФУ, как правило, имеют низкий коэффициент мощности, порядка 0,5,, ,0,7, и высокий уровень гармоник, потребляемого из сети тока (более 30%),
Используемые в настоящее время способы снижения вредного влияния полупроводниковых преобразователей на питающую сеть (уменьшение реактивных сопротивлений линий и трансформаторов; использование резонансных фильтров; применение многофазных схем выпрямления; сокращение потребления реактивной мощности за счет включения в состав электрической сети косинусных конденсаторов или синхронных компенсаторов) не дают эффективных результатов.
При интенсивной работе электропривода на активную Нагрузку преобразователь частоты должен обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть в генераторном режиме работы электрической машины. Это обеспечивает экономичное и интенсивное торможение, повышая экономичность и эффективность всего электропривода. В тиристорных преобразователях частоты эта задача решается включением в состав преобразователя дополнительного вентильного комплекта, работающего в режиме зависимого инвертора. Однако такой подход, обеспечивая возврат энергии в питающую сеть, не решает отмеченных выше проблем потребления реактивной мощности и вносимых в сеть искажений.
Наиболее перспективной возможностью решения указанных выше проблем является включение в состав двухзвенного преобразователя частоты (ДПЧ) активного выпрямителя напряжения (АВН) (выполненного на полностью управляемых полупроводниковых приборах, работающего в релейном или импульсно-модуляционном режиме). Такой подход к построению преобразователя Лпозволяет обеспечить двухсторонний обмен энергией с питающей сетью, практически синусоидальный ток, потребляемый из сети (за счет реализации в схеме активного выпрямителя режима высокочастотных переключений) и позволяет регулировать в широких пределах коэффициент мощности по входу преобразователя [23,67]. Поэтому очень актуальны на современном этапе задачи синтеза замкнутых систем автоматического регулирования, обеспечивающих реализацию на практике всех уникальных возможностей активных выпрямителей напряжения.
Приоритетными и актуальными направлениями развития регулируемого асинхронного электропривода по-прежнему являются максимальное использование потенциальных возможностей асинхронного двигателя обеспечение требований к качеству и диапазону регулирования. Поэтому н фоне интенсивного совершенствования силовых полупроводниковых приборов и бурного развития микропроцессорной техники особую актуальность приобретает задача развития высококачественных систем векторного управления асинхронным электроприводом.
С учетом выделенных выше актуальных проблем, цель данной диссертационной работы заключается в разработке принципов построения, структуры, эффективных методов и алгоритмов управления системой "преобразователь частоты - асинхронный двигатель", обеспечивающих улучшенную электромагнитную и энергетическую совместимость электропривода с питающей сетью.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены задачи улучшения электромагнитной и энергетической совместимости с питающей сетью асинхронных электроприводов на базе активных двухзвенных преобразователей частоты; разработки математического описания активного преобразователя напряжения как объекта дискретных и непрерывных систем автоматического управления; разработки способов управления, структур и алгоритмов функционирования замкнутых систем автоматического регулирования активных преобразователей напряжения; исследования эффективности разработанных замкнутых систем автоматического регулирования активных преобразователей напряжения; исследования эффективности использования разработанных для активных преобразователей напряжения способов управления, структур и алгоритмов функционирования замкнутых систем регулирования применительно к системе "автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель".
Методами исследования в работе являлись математическое компьютерное моделирование; использование методов теории электрических машин, теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, преобразовательной техники и численных математических методов. Для проверки результатов теоретического анализа и расчетов были проведены экспериментальные исследования лабораторных и опытных образцов.
Достоверность полученных научных результатов подтверждается корректным использованием применяемых математических аналитических и численных методов, а также достаточным для инженерных расчетов совпадением полученных экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем. Разработана математическая модель, на основании которой проведен расчет регулировочных характеристик активного выпрямителя напряжения как объекта управления, установлены пределы допустимого изменения управляющих воздействий и влияние управляющих воздействий на показатели энергетической совместимости с питающей сетью. Разработан обобщенный способ прогнозирующего релейно-векторного управления активным преобразователем напряжения на основании прямого или обратного прогноза и вариативном выборе оптимального управления. Разработаны алгоритмы прогнозирующего релейно-векторного управления, учитывающие запаздывание в микропроцессорных системах, задержку включения силовых полупроводниковых приборов и оптимизирующие процесс переключения силовых полупроводниковых приборов в условиях неоднозначности выбора управления. В результате математического и физического моделирования установлены зависимости частоты коммутации силовых полупроводниковых приборов от частоты дискретизации при прогнозирующем релейно-векторном управлении, на основании чего обоснован рациональный диапазон частот дискретизации, определены показатели электромагнитной совместимости и КПД преобразователя. Синтезирована система автоматического регулирования выпрямленного напряжения АВН с прогнозирующим релейно-векторным регулированием сетевых токов и улучшенной электромагнитной совместимостью преобразователя с питающей сетью по сравнению с системами, использующими регулярную ШИМ. Разработана и проанализирована система автоматического регулирования системы "автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель" с прогнозирующим релейным управлением вектором, компонентами которого являются электромагнитный момент и модуль потокосцепления статора двигателя.
Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработанная обобщенная математическая модель активного преобразователя напряжения позволяет установить пределы допустимого изменения управляющих и возмущающих воздействий, а также их влияние на показатели энергетической совместимости электропривода с питающей сетью. Разработанный обобщенный способ прогнозирующего релейно-векторного управления активным преобразователем напряжения на основании прямого или обратного прогноза и вариативного выбора оптимального управления позволяет существенно упростить структуру систем автоматического регулирования и улучшить электромагнитную совместимость электропривода с питающей сетью. Разработанные алгоритмы прогнозирующего релейно- векторного управления, оптимизирующие процесс переключения силовых полупроводниковых приборов в условиях неоднозначности выбора управления, с учетом запаздывания в микропроцессорных системах и задержки включения силовых полупроводниковых приборов, позволяют повысить кпд преобразователя. Разработаны практические рекомендации по выбору частоты дискретизации в системах, использующих прогнозирующее релейно-векторное управление. Синтезированная система автоматического регулирования скорости асинхронного двигателя с прогнозирующим релейным управлением вектором, компонентами которого являются электромагнитный момент и модуль потокосцепления статора двигателя позволяет улучшить управляемость электропривода.
Диссертационная работа состоит из пяти глав. В первой главе проведен обзор современного состояния асинхронного электропривода и основных этапов его развития, определены основные задачи исследований. Во второй главе представлены результаты разработки комплекса математических моделей, включающего в себя модели АВН, автономного инвертора напряжения (ЛИН), АД и системы "АИН-АД", а также результаты исследования разработанных моделей методом компьютерного моделирования. В третьей главе исследованы статические режимы работы АВН, получены его внешняя и регулировочные характеристики, определены пределы допустимого изменения параметров управления и нагрузки; проведен анализ работы АВН и АИН в режиме СШИМ, разработана обобщенная инженерная методика расчета нагрузки силовых ключей активного преобразователя напряжения в выпрямительном и инверторном режиме работы; разработана методика расчета потерь мощности в АВН и АИН, получены зависимости КПД АВН и АИН от выходной мощности; рассмотрена методика расчета энергетических показателей ПЧ. В четвертой главе проведен синтез и анализ замкнутых структур автоматического регулирования для АВН и системы АИН-АД: синтезирована система прогнозирующего релейно-векторного управления АВН, синтезирована система прогнозирующего релейно-векторного управления системы "преобразователь частоты - асинхронный двигатель". В пятой главе проведен анализ экспериментальных данных, полученных на лабораторном макете ПЧ номинальной мощностью 10 кВт.
На защиту выносятся: 1. Концепция построения двухзвенного преобразователя частоты на базе активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения обеспечивающая улучшенную электромагнитную и энергетическую совместимость электропривода с питающей сетью.
Комплекс математических моделей и результаты исследования активного преобразователя напряжения как объекта управления.
Обобщенный способ прогнозирующего релейно-векторного управления на основе прямого или обратного прогноза и вариативного выбора оптимального управления.
Структура и алгоритмы функционирования системы прогнозирующего релейно-векторного управления активного выпрямителя напряжения.
Результаты исследования и сопоставительный анализ энергетической эффективности и электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью систем прогнозирующего релейно-векторного управления и векторных системах, использующих регулярную ШИМ.
Структура и алгоритмы функционирования системы автоматического регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с прогнозирующим релейным управлением вектором, компонентами которого являются электромагнитный момент и модуль потокосцепления статора двигателя.
