Введение к работе
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 ток или напряжение 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 ка-
чества 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: предложенные системы управления обеспечивают высокие показатели качества электроэнергии на выходе инвертора, характеризующиеся низким коэффициентом несинусоидальности THDU = 2...10% в различных режимах работы; предложенные системы управления асинхронным электроприводом позволяют расширить область применения преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока, которые обеспечивают высокие качества электроэнергии на выходе преобразователя.
Методы и объекты исследования. 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 Simulink. Объектом исследования являлась векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока.
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 ав-
томатика 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 9 приложений. Общий объем работы - 189 страниц. Основная часть изложена на 144 страницах текста, содержит 69 рисунков, 6 таблиц.
