Содержание к диссертации
Введение
1. Информационный анализ 10
1.1. Развитие систем управления приводом 11
1.2. Информационный анализ развития привода 23
1.3. Программно управляемый электропривод 26
Выводы 30
2. Математическое обеспечение 32
2.1. Трехфазный мостовой выпрямитель 32
2.2. Трехфазный управляемый выпрямитель 40
2.3. Характеристики управляемого выпрямителя 44
2.4. Трехфазный инвертор 53
2.5. Многофазный инвертор 62
Выводы 70
3. Архитектура системы управления 72
3.1. Способ формирования выходного напряжения преобразователя электроэнергии 72
3.2. Канал управления напряжением 80
3.3. Канал управления частотой 85
3.4. Канал измерения скорости 88
Выводы... 95
4. Эффективность широтно-импульсного регулирования 97
4.1. Моделирование управляемого выпрямителя 97
4.2. Моделирование многофазного инвертора 104
4.3. Экспериментальное исследование системы широтно-импульсного управления 112
4.4. Эффективность применения системы широтно-импульсного управления 119
Выводы 122
Заключение 124
Список литературы 126
Приложения 132
- Информационный анализ развития привода
- Характеристики управляемого выпрямителя
- Способ формирования выходного напряжения преобразователя электроэнергии
- Экспериментальное исследование системы широтно-импульсного управления
Введение к работе
Актуальность работы определяется использованием промышленными предприятиями энергоемких электрических аппаратов, в том числе электродвигателей, для которых затраты на электроэнергию являются основополагающими. Электродвигатели переменного тока, в частности асинхронные двигатели (АД), находят очень широкое применение ввиду их простоты и надежности. Высокие эксплуатационные показатели АД предъявляют аналогичные требования к системам автоматического управления ими. Однако в настоящее время эти системы не отвечают указанным требованиям, сложны и громоздки и снижают достоинства АД [1-8]. Оптимизация процесса управления позволяет экономить до 17% потребляемой электроэнергии за счет снижения потерь в АД. Самый прогрессивный способ управления - частотный - требует применения специальных тиристорных преобразователей частоты, стоимость которых в 5-10 раз больше, а надежность - на порядок ниже, чем самого АД, из-за большого числа коммутирующих силовых элементов. Таким образом, разработка метода проектирования системы частотного управления АД с функциями регулирования, реализованными на информационном уровне, универсальной силовой частью и согласованными с ними аппаратными, программными и метрологическими средствами, является актуальной задачей.
Цель работы - создание метода проектирования системы частотного управления асинхронным двигателем с широтно-импульсным регулированием в широком диапазоне с заданной точностью.
Идея работы заключается в разработке метода проектирования системы частотного управления асинхронным двигателем с широтно-импульсным регулированием, путем формирования многоступенчатого напряжения на статоре, учитывающего технологические особенности работы асинхронного двигателя.
В ходе работы ставились и решались следующие задачи:
Информационный анализ развития привода
Угол а выбирают на холостом ходу в пределах 2...4 градуса для получения выходного напряжения с коэффициентом гармоник, близким к 8%, при одновременном расширении диапазона регулирования при увеличении выходного напряжения. Если, например, требуется получить С/пых=115 В при t/d =270 В, коэффициент трансформации должен быть близок к единице, установить необходимый коэффициент трансформации можно, как подбором отношения чисел витков первичной и вторичной обмоток, так и укорочением шага обмоток. При правильном выборе коэффициента трансформации трансформатора 9, при подаче напряжения Ц и импульсов управления на транзисторы коммутатора регулятор 25 устанавливает на входе системы управления a = 2...4 градуса. При этом напряжение на выходной обмотке A3, ВЗ, СЗ - номинальное. Формы выходного напряжения иЛз при расположении фаз вторичной обмотки симметрично между одноименными фазами вторичной обмотки и фазных напряжений UM, UA2 показаны на рис, 1.4, где пунктиром обозначена известная форма фазных первичных напряжений при а = 0. Форма выходного напряжения близка к синусоидальной. Коэффициент гармоник Kr = 0,078. При подключении к выходной обмотке A3, ВЗ, СЗ ключом 10 нагрузки 11 - выходное напряжение снижается, что приводит к уменьшению выходного напряжения датчика 23 и появлению сигнала рассогласования на входе ПИ-регулятора 25. Регулятор уменьшает угол а, что соответствует уменьшению времени включения «нулевых» транзисторов (18 и др.) и соответствующему увеличению времени включения основных (14, 15 и др.). Форма первичного фазного напряжения UAi и идеального выходного напряжения иЛз (сопротивления обмоток трансформатора равны нулю) показана на рис. 1.4 (б), для а - -15 градусам. Уменьшение а приводит к увеличению первой гармоники в выходном напряжении. Это позволяет компенсировать его уменьшение, вызванное падением напряжения в активных сопротивлениях и индуктивных сопротивлениях рассеяния фаз трансформатора тока 9 при на Недостатками данного метода являются: низкая точность регулирования, обусловленная жестко заданным конечным количеством ступеней выходного напряжения и узкий диапазон регулирования (10-12%), ограниченный жесткой структурой, высокая сложность реализации и низкая надежность. Эти ограничения возникают из-за усложнения устройства дополнительными вентильными элементами, снижающими надежность конструкции. Метод организован по жестко заданному алгоритму, исключающему программное управление. Не согласованны между собой аппаратные средства и математическое обеспечение. Регулирование усложняется дополнительными преобразованиями управляющего сигнала.
Существует способ регулирования частоты выходного напряжения преобразователя электроэнергии с помощью смещения фазы [12], основанный на попеременном сложении напряжений одной и той же амплитуды и частоты, но со сдвигом фаз между собой на самих обмотках статора АД (рис. 1.5). При этом на нагрузке получают синусоидальное напряжение (рис. 1.6), фаза которого изменяется с дискретностью 7г/3. Более плавное регулирование невозможно из-за жесткой структуры, с использованием трансформаторов, сдвигающих фазу на угол ті/2, которые устанавливаются в силовую часть и выбираются на мощность нагрузки, значительно увеличивая габариты преобразователя и его стоимость, которые сравнимы с электромашинным.
Задачу управления выходным переменным напряжением в известных методах, основанных на жесткой структуре, принято решать через дополнительные элементы (управляющие вентили, RC-цепочки, реле и т.п.). При таком подходе приходится мириться с многократным преобразованием цифрового управляющего сигнала в аналоговый и обратно для управления вентилями, что снижает точность управления. Регулирование осуществляется без учета физики работы выпрямителей и инверторов, что приводит к снижению КПД устройства. Классические системы электропривода работают по жестко заданному электрической сетью алгоритму и не позволяют использовать программное управление с учетом физики работы управляемых выпрямителей и инверторов. Они реализуют последовательное включение вентилей и не дают в полной мере раскрыть возможности параллельного и смешанного режима коммутации. Каждое устройство в системе традиционного электропривода представляет собой закрытую архитектуру без возможности расширения для построения сложных систем, что значительно затрудняет использование программного управления с помощью ЭВМ в адаптивном диапазоне с точностью цифровых мер. Математические модели и алгоритмы классического электропривода строятся без учета архитектуры выпрямителей и инверторов, не достаточно проанализированы схемотехника и программное обеспечение управляемых вентилей, что не позволяет согласовать между собой информационные процессы и компоненты информационного обеспечения электропривода, а именно аппаратные средства и программное обеспечение, алгоритмы математического обеспечения и метрологических средств в виде мер, эквивалентов и критериев.
Характеристики управляемого выпрямителя
Инверторы выполняют функцию, обратную выпрямителям: постоянное напряжение преобразуют в многофазное напряжение переменного тока. Энергия постоянного тока в каждом цикле преобразования симметрично распределяется по числу фаз в энергию переменного тока [1-8]. В схемотехнике обратное преобразование функции организуется принципом дуальности за счет инверсного включения схемы, выполняющей прямую функцию. Импульсный многофазный инвертор конструируют на базе управляемого выпрямителя, причем в диагональ моста постоянного напряжения включают источник энергии постоянного тока, а диагонали моста переменного напряжения нагружают фазными потребителями энергии переменного тока. Наиболее широкое применение в энергетике получили трехфазные импульсные инверторы для управления частотой вращения асинхронных и синхронных двигателей по заданному закону регулирования [6]. В зависимости от соединения цепи нагрузки различают две схемы подключения к фазам инвертора: «звезда» и «треугольник». По способам управления синхронизацией фаз известны инверторы с коммутацией двух и трех фаз с помощью включения в каждом такте преобразования соответственно двух (схема 1 + 1) и трех (схема 1 + 2) тиристоров.
Трехфазный импульсный инвертор 1 : 1 организован по мостовой схеме управляемого преобразователя (рис. 2.8). Коммутацию фаз А, В, С к положительному и отрицательному полюсу источника энергии Е осуществляют соответственно тиристоры VS 1-3 и VS4-6 при поступлении на управляющие входы {я, Ь, с} и {а,6,с } синхронизирующих импульсов (рис. 2.9). Цикл работы инвертора 1 : 1 включает 6 тактов, причем в каждом такте к источнику Е коммутируется 2 фазы в соответствии с таблицей состояний (табл. 2.4). Таблицу синтезируют по столбцам слева направо с включением каждого тринистора на два такта за цикл, что соответствует времени работы со/ = 2 или 120. Состоя 6 ния тиристора 1 заполняют комбинацией {110000}, а для (/ + 1)-го ключа управляющий код формируют за счет циклического сдвига і-го кода на 120, то есть на 2 такта. При этом 1-й тиристор включен в первой трети цикла, 2-й - в середине, а 3-й в конце цикла. Тиристоры 4-6 отрицательной полярности включают с начала второй половины цикла, что соответствует состояниям IV -VI. Для тиристора VS 4 исходная комбинация трансформируется в код столбца {000110}, а тиристоры 5 и 6 включаются на два такта последовательно друг за другом после выключения тиристора 4. Синтезированная таблица (табл. 2.4) в каждом состоянии инициирует включение только двух ключей, что соответствует коммутации к источнику энергии последовательно друг за другом двух фаз. Выходная таблица {А, В, С) определяется схемой нагрузки инвертора, включаемой как «звезда» или «треугольник».
Из анализа следует, что аппаратные средства инвертора реализуют из схемы управляемого выпрямителя за счет инверсного включения нагрузки и источника энергии по принципу дуальности функции преобразования. Инвертор спроектирован в основных формах науки и техники: математического обеспечения и метрологических средств, аппаратных средств и программного обеспечения. Таблица состояния (табл. 2.4) отражает функционирование инвертора 1:1, нагруженного на схему «звезда». Выходная таблица {А, 5, С} иллюстрирует распределение потенциалов на фазах схемы в соответствии с временными диаграммами рис. 2.9. Логические состояния 1 соответствуют физическим потенциалам Е/2, а логический нуль отражает низкий уровень (низкий потенциал) при отключении фазы. Например, в первом / состоянии на фазах {А, В, С} формируются амплитуды {Е/2, -Е/2, 0}, т.к. ключ 1 подключает фазу А к положительному полюсу источника энергии , ключ 5 соединяет фазу В с отрицательным полюсом , а фаза С обесточена закрытыми диодами 3 и 6. В первом такте источник Е нагружен на последовательно соединенные обмотки фаз А и В с одинаковыми сопротивлениями, организованный при этом делитель делит пополам амплитуду источника Я, а ток течет от начала обмотки А к началу обмотки В (рис. 2.8). В каждом состоянии (рис. 2.9) последовательно формируются импульсы напряжения положительного и отрицательного уровня амплитудой Е/2 по два такта с чередованием нулевого уровня в одном такте. Учитывая индуктивный характер нагрузки, последовательность разнополярных импульсов преобразуется в синусоидальное напряжение. Амплитуды фаз А, В, С смещены относительно друг друга на 120 за счет синхронизации включения пары ключей по закону, регламентированному таблицей состояния (табл. 2.4).
Временные диаграммы проектируют по методу аналогии, причем семейство входных диаграмм (рис. 2.9) синтезируют по таблице состояния (табл. 2.4), преобразуя логические уровни I и 0 в физические потенциалы и 0. Семейство выходных диаграмм (рис. 2.9,) синтезируют в процессе анализа реакции схемы (рис, 2.8) на синхронизирующие импульсы в каждом такте цикла преобразования. Схему анализируют по статической характеристике системы инвертор-«звезда» («треугольник»), рассчитываемой классическими методами электротехники, одним из которых является метод графов. Представим структурную схему (рис. 2,8) эквивалентной граф-схемой (рис. 2.10) с узлами Е\ и Ег источника энергии, А, В, С - фаз инвертора, D - общего узла фаз нагрузки «звезда». Сигнальными графами Y\ - YQ представлены проводимости управляемых тиристоров VS 1-6, а сопротивления обмоток нагрузки представлены двухсторонними графами AD, 5Д CD с весом Y проводимости, обратной сопротивлению. Определим потенциалы неизвестных узлов А, В, С, D по I закону Кирхгофа, составив систему уравнений:
Последнее выражение имеет вид 3D = А + В + С, подставляя в него значения узлов А, В, С первых трех уравнений, находим характеристику схемы в неявном видеПолученное решение является математической моделью системы инвертор-«звезда» с управлением по программе, заданной таблицей состояния (табл. 2.4). Логическая единица соответствует наличию синхронизирующего импульса на управляющем входе a,, j = 1,6 ключа VSj, который открыт, а его проводимость Yj - оо из-за бесконечно малого сопротивления Rj — Ор-п переходов тиристора.
Способ формирования выходного напряжения преобразователя электроэнергии
Подстановка числовых эквивалентов m = 3,8, / = 1,2, отражает эффективность регулирования Dl =4 ,256- :, что доказывает расширение диапазона регулирования от 4 до 256 раз относительно прототипа при равных точностях регулирования.
Диапазон регулирования выходного напряжения прототипа ограничивается 10-12%, тогда как для заявленного способа он составляет 100%, так как способ позволяет синтезировать выходное напряжение в пределах от 0 до величины постоянного напряжения на входе. Гибкость заявленного способа регламентируется использованием программного управления заполнением таблицы коммутации, а также непрерывным контролем выходного напряжения в реальном масштабе времени. Простота реализации заявленного способа обусловливается отказом от использования дискретных элементов в системе управления вентилями в связи с переходом на более высокий уровень интеграции, что позволяет снизить как минимум на порядок сложность устройства и на порядок повысить надежность его работы.
Таким образом, в способе формирования выходного напряжения циклически переключают ключи инвертора, которые формируют на нагрузке многофазное многоступенчатое напряжение за счет программного управления дли- тельностью и амплитудой с цифровой точностью в широком диапазоне. В отличие от известных решений, предлагаемый способ позволяет повысить на порядок точность регулирования параметров выходного напряжения.
Канал управления напряжением средневыпрямленного значения амплитуды постоянного тока из энергии сети переменного тока с постоянными амплитудой напряжения и частотой организован из последовательного включения сервисного интерфейса ввода-вывода (СИВВ) и управляемого выпрямителя (УВ) [66]. Управление амплитудой напряжения на выходе УВ реализовано фа-зоимпульсиым способом регулирования угла запаздывания у в течение времени т,у выпрямленного напряжения сети переменного тока. При этом трехфазное напряжение фаз А, 5, С постоянной амплитуды и частоты преобразуется в энергию постоянного тока с амплитудой напряжения U, управляемой по программе кодом N{ персонального компьютера (ПК). СИВВ осуществляет связь микропроцессора ПК через код N( = Nu управления с преобразователем энергии УВ в интервалах т,у синхронно постоянной частоте сети фаз А, В, С переменного тока. Структурная схема СИВВ (рис. 3.3) включает программируемый таймер (ПТ), мультиплексор (М), счетчик адреса (СА) и выпрямитель (В). Выпрямитель В формирует из циклической частоты шс фаз А, В, С частоту синхронизации Fm = 6fc, где ft =- , для сканирования СА. Счетчик СА делит на 6 равных интервалов Ту период Т = — циклического изменения амплитуд трехфазного напряжения сети переменного тока и адресует по линейному закону интервалы Xj соответствующими кодами Щ, j = 1, 6. Таймер ПТ на интервале т, формирует импульсы управления длительностью т, = —L за счет деления тактовой частоты F0 микропроцессора на код Nt компьютера ПК. Мультиплексор М коммутирует импульсы т, на интервалах т,- по адресу кода Nj в импульсы ту- синхронизации угла регулирования у отсечкой по фазе амплитуд фаз Л, В, С в преобразователе УВ. Работу схемы поясняют временные диаграммы (рис. 3.4) и таблица мультиплексора (табл. 3.2).
Схема функционирует циклически в течение периода Т выпрямления трехфазного напряжения, состоящего из 6 тактов. Синхронизацию схемы осуществляет формирователь импульсов В за счет сравнения пульсирующего напряжения на выходе трехфазного мостового выпрямителя с частотой 6сос и постоянной амплитудой порогового напряжения (см. рис. 3.4, а). На выходе В формируются прямоугольные импульсы с частотой 6-юс за период (рис. 3.4, б). Фронтом синхронизирующего импульса частоты Fm запускается таймер ПТ (рис. 3.4, ж), на выходе которого появляются управляющие импульсы (рис. 3.4, з) длительностью Tj. Счетчик СА по линейному закону изменяет адреса М кодом
Лу (рис. 3.4, в) и распределяет Т/ ПТ на управляющие входы [а, Ь, с, Й, Ь, С } тиристоров УВ (рис. 3.4, г-е) в соответствии с таблицей мультиплексора (табл. 3.2). При этом импульсы т декодируются по интервалам у в импульсы т,у задержки включения тиристоров УВ, что соответствует регулированию амплитуды за счет управления фазой на угол у (рис. 3.4, а).
Схема выпрямителя-формирователя импульсов В (рис. 3.5) состоит из последовательного включения трехфазного моста на диодах VD\ - VD6, регулируемого фильтра на ЛС-цепочке и компаратора на логическом элементе сравнения. Примеры выполнения декодера, включающего последовательное включение СА и М, приведены на рис. 3,6 при использовании регистра и коммутатора (рис. 3.6, а) или счетчика и мультиплексора (рис. 3.6, б). Программируемый таймер с коэффициентом деления iVmax = 256 может быть реализован в базисе СИС на счетчике 564ИЕ55, в базисе БИС на микросхеме К580ВВ55 или на ПЛМ серии К1800ВР8.
Экспериментальное исследование системы широтно-импульсного управления
Алгоритмы управления реализуются программным блоком, в котором сконцентрированы на информационном уровне значения всех измеряемых, заданных и управляющих воздействий.
Показатели надежности системы приближаются к аналогичным показателям неуправляемого тиристорного преобразователя, так как большинство функциональных задач решаются на информационном уровне, что приводит к сокращению числа силовых полупроводниковых элементов.
Гибкость системы широтно-импульсного управления регламентируется использованием программного управления заполнением таблицы коммутации, а также непрерывным контролем выходного напряжения в реальном масштабе времени. Простота реализации обусловливается отказом от использования дискретных элементов в системе управления вентилями в связи с переходом на более высокий уровень интеграции, что позволяет снизить как минимум на порядок сложность устройства и на порядок повысить надежность его работы.
Таким образом, система широтно-импульсного управления за счет программного управления частотой, длительностью и амплитудой, в отличие от известных решений, позволяет повысить на порядок точность регулирования характеристик выходного напряжения, что дает экономию до 17% потребляемой электроэнергии за счет снижения более чем в 2,6 раза коэффициента высших гармоник в обмотке статора АД. 1. Согласно математической модели многофазного управляемого выпрямителя разработана программа, моделирующая его работу, с помощью которой сняты характеристики выпрямителей для двух, трех и пяти фаз. Показано, что диапазон регулирования управляемого выпрямителя углом открытия управляемых вентилей ограничивается коэффициентом пульсации и составляет от 0 до 30 для трехфазной системы. 2. Разработано программное обеспечение для моделирования управляемого многофазного инвертора для нагрузок, подключенных по схемам «треугольник» и «звезда», используя которое построены характеристики трех- и пя-тифазных инверторов. Диапазон значений управляющего кода инвертора составляет 30... 100 для трех фаз и ограничивается коэффициентом высших гармоник в спектре выходного напряжения. 3. Проведено экспериментальное исследование трехфазной системы ши-ротно-импульсного управления со снятием характеристик нагрузки в зависимости от угла открытия вентилей и управляющего кода. Доказана адекватность математической модели широтно-импульсного управления путем сопоставительного анализа характеристик, снятых экспериментально и полученных с помощью математического моделирования. 4. Показана эффективность использования системы широтно-импульсного управления, выражающаяся в увеличении точности и диапазона регулирования относительно известных решений при снижении коэффициента высших гармоник в 2,6 раза, что позволяет сэкономить до 17% потребляемой электроэнергии за счет снижения потерь в АД. В диссертационной работе представлено решение актуальной задачи - создание метода проектирования системы частотного управления АД с широтно-импульсным регулированием путем формирования многоступенчатого напряжения на статоре, учитывающего технологические особенности работы асинхронного двигателя. Основные результаты работы: 1. Анализ известных решений показывает низкую эффективность систем частотного управления асинхронным двигателем из-за несогласованных информационных процессов преобразования энергии ее компонент, проектируемых комбинаторными методами итерационного анализа. Выявлена информационная технология проектирования преобразователей энергии, целесообразная для создания метода проектирования системы управления асинхронным двигателем. 2. Создана универсальная математическая модель программно-управляемых многофазных выпрямителя и инвертора с нормированными параметрами проводимостеи тиристоров, определяемых кодами и алгоритмами коммутации по таблицам состояния, для проектирования адекватных физике преобразователей электроэнергии с амплитудно-частотно-широтным управлением. 3. Предложен метод проектирования системы частотного управления асинхронным двигателем с гибкой архитектурой, информативным математическим обеспечением и эффективными метрологическими средствами для определения характеристик управляемых многофазных выпрямителя и инвертора. 4. Разработан способ регулирования многофазного амплитудно-частотного преобразователя электроэнергии с широтно-импульсным формированием многоступенчатого напряжения за счет программного управления с заданной точностью в широком диапазоне. 5. Спроектированы интерфейсы управления частотой, напряжением и измерения скорости вращения двигателя с программным обеспечением на уровне блок-схем программ, таблиц коммутации тиристоров и таблиц состояния напряжения на нагрузке, обеспечивающие снижение потерь в асинхронном двигателе. 6. Система частотного управления асинхронным двигателем с широтно-импульсным регулированием внедрена на ОАО «Элтра», г. Рассказово и в учебном процессе кафедры «Электрооборудование и автоматизация» ТГТУ и позволяет снизить на порядок погрешность регулирования, расширить диапазон регулирования с заданной точностью, что обеспечивает снижение до 17 % потерь энергии в асинхронном двигателе.
