Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ ..... б
ГЛАВА ПЕРВАЯ
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО
НАПРЯНЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ
ДЛЯ ЧАСТОТНОРЕГУЛЙРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЖТРОПРИВОДА. . . 13
1.1. Основные задачи разработки автономных
инверторов напряжения 13
Автономные инверторы напряжения с амплитудно-импульсной модуляцией 18
Автономные инверторы напряжения с широтно-импульсным регулированием ... 21
Автономные инверторы напряжения с
широтно-импульсной модуляцией 2 9
1.5. Автономные инверторы напряжения со слежением
за кривой ведущего сигнала 37
1.6. Особенности построения систем управления
автономными инверторами модуляционного типа 46
1.7. Выводы по первой главе и постановка задачи
исследований 49
ГЛАВА ВТОРАЯ
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ, ПИТАЕМОМ ОТ
АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА СО СЛЕЕЕНИЕМ 51
2.1. Анализ спектрального состава выходного напряжения
автономных инверторов со слежением 51
2.1.1. Анализ спектрального состава выходного
напряжения АМН со слежением методом
двойных рядов Фурье 53
2.1.2. Анализ спектрального состава выходного напряжения
АИН со слежением модифицированным методом двойных
рядов Фурье 58
2.1.3. Учет гармоник нулевой последовательности в спектре
выходного напряжения АИН со слежением 61
2.2. Анализ потерь в асинхронном двигателе по
спектральному составу питающего напряжения 69
2,2,1. Учет гармоник питающего напряжения произвольного
порядка 71
2.3. Анализ потерь в асинхронном двигателе по
форме питающего тока 76
2.3.1. Определение действующего значения пульсации
тока нагрузки при питании от инвертора с
импульсной модуляцией 76
2.3.2. Расчет потерь в асинхронном двигателе при
питании от АИН со слежением 82
2.3.3. Учет изменения параметров асинхронного двигателя
при изменении частоты питающего тока 87
2.4. Выводы по второй главе 88
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧАХ
АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ. . 93
3.1. Анализ статических потерь в транзисторах
силовых ключей АИН со слежением 94
3.2. Динамические потери в силовых
транзисторных ключах АИН 96
3.2.1. Анализ динамических потерь в транзисторах
силовых ключей АЙН. . 97
Учет потерь в цепях формирования траектории переключения силовых транзисторов 100
Обеспечение безопасной работы транзисторов силовых ключей с учетом их быстродействия
по цепи базы 104
3.3. Выбор оптимальной частоты переключения
транзисторов инвертора со слежением при
питании асинхронного двигателя 112
3.4. Выводы по третьей главе 120
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА ВЕДУЩЕГО
НАПРЯЖЕНИЯ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ И УСТРОЙСТВ
ДЛЯ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ ..... 122
Методы формирования квазисинусоидальных ступенчатых напряжений с квантованием по уровню и времени . . , 123
Методы цифрового синтеза квазисинусоидальных ступенчатых ведущих напряжений 132
Разработка устройств формирования квазисинусоидальных ведущих напряжений на
основе цифровых методов синтеза . . 143
4.4. Выводы по четвертой главе 152
ГЛАВА ПЯТАЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ... 157
Исследование спектрального состава выходного напряжения автономного инвертора со слежением ... 162
Определение потерь в асинхронном двигателе при
питании от автономного инвертора со слежением ... 166
5.3. Экспериментальные исследования генератора
ведущего сигнала. 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
ЛИТЕРАТУРА 184
ПРИМЕНИЛ 200
П.І. Акты о внедрении и использовании результатов
диссертационной работы 200
Программа и результаты расчетов спектрального
состава выходного напряжения инвертора с ШИМ. .... 202
Программа и результаты расчетов спектрального
состава выходного напряжения инвертора со
слежением 204
Программа и результаты расчетов потерь в асинхронном
двигателе при питании от инвертора с ШИМ 215
Программа и результаты расчетов потерь в асинхронном двигателе при питании от
инвертора со слежением. ' 219
Принципиальные схемы опытного образца
преобразователя частоты ... 224
Введение к работе
ХХУІ съезд КПСС определил в качестве основных задач экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года всемерный рост экономичности и производительности производства, повышение надежности машин и оборудования, снижение их материалоемкости и энергопотребления / I /. Решение этих важнейших задач неразрывно связано с развитием и всесторонним совершенствованием электрического привода, во многом определяющего технические возможности повышения эффективности труда и качества его результатов во всех сферах, связанных с использованием механической энергии и точным воспроизведением требуемых движений.
К основным тенденциям, характеризующим развитие электропривода в настоящее время, следует отнести / 128 /:
резкое увеличение потребности в регулируемом электроприводе, значительное расширение областей его применения;
существенное усложнение функций, выполняемых электроприводом, и законов движения рабочих органов машин и механизмов при одновременном повышении требований к точности выполняемых операций;
повышение требований к комплексно понимаемой экономичности электропривода.
Как было подчеркнуто на IX Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу (Алма-Ата, 1983 г.), к числу основных технических задач, стоящих в настоящее время перед специалистами в области преобразовательной техники и автоматизированного электропривода, относятся:
создание массового частотно-регулируемого электропривода переменного тока;
создание высокодинамичных транзисторных электроприводов
постоянного и переменного тока мощностью до 250 кВт;
создание регулируемых вентильных электроприводов с повышенными энергетическими и динамическими показателями и минимальной материалоемкостью;
изыскание наиболее рациональных способов управления координатами регулируемого электропривода переменного тока.
Поставленные задачи обусловлены интенсивным развитием в области электропривода переменного тока, обладающего существенными преимуществами перед широко распространенным электроприводом постоянного тока. Если еще 5-Ю лет назад регулируемый вентильный электропривод переменного тока считался перспективным только в тех случаях, когда применение двигателей постоянного тока было невозможно или нецелесообразно, то в настоящее время применение электропривода переменного тока становится экономически целесообразным во многих случаях / 49 /.
Из большого числа известных систем регулируемого вентильного электропривода с машинами переменного тока следует прежде всего упомянуть систему с асинхронным короткозамкнутым двигателем и преобразователем частоты на базе автономного инвертора напряжения (ЛИН). Эта система позволяет регулировать частоту на зажимах двигателя в широких пределах и применима в случае короткозамкнутых асинхронных двигателей различных типов (например высокооборотных или зысокомоментных двигателей) и в различных условиях. Поэтому эта система является объектом многочисленных разработок как в нашей стране, так и за рубежом. У нас в стране основные работы по вопросам построения АИН выполнены такими учеными как Т.А.Гла-зенко, Г.В.Грабовецкий, Ю.С.Забродин, В.А.Лабунцов, Г.С. Мыцык, В.Е.Тонкаль, Р.Т.Шрейнер. В подавляющем числе этих работ рассматриваются дискретные методы синтезирования формы кривой выходного напряжения инвертора, при которых напряжение состоит из импульсов,
в общем случае различной амплитуды и длительности. В связи с этим В.Е.Тонкаль предложил разделить метод дискретного синтезирования на два класса - с неизменной и с изменяющейся на протяжении полупериода выходной частоты амплитудой импульсов / 116 /.
В первом случае импульсы могут быть одинаковой длительности, но с различным взаимным расположением (время - импульсная модуляция - ВИМ), или переменной длительности (широтно-импульсная модуляция - ШИМ). При формировании выходного напряжения из импульсов, имеющих неодинаковые амплитуды, различают амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), при которой длительность импульсов остается неизменной, и амплитудно-широтно-импульсную модуляцию (АШИМ), при которой по определенному закону изменяются не только амплитуда импульсов, но и их длительность / 116 /.
В настоящее время интенсивно развиваются оба этих класса методов формирования выходного напряжения преобразователей. Основные работы по разработке преобразователей, использующих указанные принципы, ведутся в МЗИ, ВЗИ, ВНИИЭлектропривод, НИИ ХЭМЗ, ВНИИ "Преобразователь", ЗНИМС, НИИКЭ, НЗТЙ, ИЭД АН УССР, КПИ и др.
Рядом авторов выполнены работы по исследованию спектрального состава выходного напряжения АИН с различными видами модуляции (Ю.М.Гусяцкий, В.И.Сенько, Л.И.Сетюков, Е.й.Усышкин). Предложены различные частные методы, направленные на улучшение спектрального состава выходного напряжения таких преобразователей, например различные методы АИМ (Г.С.Мыцык), широтно-импульсного регулирования выходного напряжения - ШИР (Ю.С.Забродин), различные методы ШИМ (В.В.Маланов, Н.Н.Слепов, Е.й.Усышкин), методы формирования кривой напряжения с выбором моментов переключения силовых элементов по специальному закону с целью подавления нежелательных гармоник (В.А.Лабунцов, О.З.Попков), метод импульсного слежения за кривой ведущего сигнала в замкнутых системах (Г.В.Гра-
бозецкий, В.А.Лабунцов, В.С.Мухамеджанов, Ф.В.Павлов, А.П.Сытин), методы, использующие различные виды частотно-широтно-импульсной модуляции ЧШИМ (В.Д.Волков, Н.Н.Слепов).
Большое внимание уделено вопросам оптимизации энергетических показателей тиристорных и транзисторных преобразователей, и особенно систем преобразователь-двигатель (Т.А.Глазенко, Ю.М.Гусяц-кий, Ю.И.Конев, Б.П.Соустин) для выбора параметров системы, а также расчета режимов работы силовых элементов преобразования.
Учитывая большое разнообразие схем АЙН и методов управления силовыми элементами, значительное количество работ посвящено построению систем управления тиристорными и транзисторными преобразователями (С.Г.Обухов, А.Л.Писарев, Е.Е.Чаплыгин). В последнее время уделяется значительное внимание построению и исследованию одного из основных узлов модуляционных преобразователей с изменяемой выходной частотой - генератора ведущего сигнала (ГВС). Исследуются рациональные методы формирований ведущих сигналов (Ю.М.Калниболотский, С.Г.Обухов, В.И.Сенько, В.Е.Тонкаль), разрабатываются различные способы построения ГВС применительно к специфическим требованиям применения в преобразователях частоты (А.Н.Абрамов, Г.С.Зиновьев, В.В.Смеляков).
Разработку различных типов преобразователей, способов управления и построение электроприводов на их основе ведут также и крупнейшие электротехнические фирмы за рубежом. Наиболее существенных результатов в создании компактных и экономичных преобразователей малой и средней мощности добились фирмы США, ФРГ, Японии, Финляндии и Швейцарии / 114 /.
Ввиду того, что в настоящее время резервы улучшения ряда технических характеристик преобразователей частоты оказались почти исчерпанными, за рубежом в последние годы развитие преобразователей для асинхронного электропривода идет в основном по еле-
дующим направлениям:
создание упрощенных систем, например с небольшим диапазоном регулирования частоты, со сниженными техническими характеристиками по отношению к ранее достигнутым, для решения узкого круга задач,
совершенствование и улучшение технических решений преобразователей без внесения принципиальных изменений за счет применения более совершенных силовых приборов, например двухоперацион-ных (запираемых) тиристоров и силовых транзисторов.
В настоящее время в разработках и производстве силовых полупроводниковых приборов силовые транзисторы начинают занимать все более важное место наряду с традиционными тиристорами / 12, 71, 126 /. Силовые транзисторы могут быть использованы в качестве переключателей мощности в силовых инверторах и преобразователях при повышенных частотах коммутации, в электроприводах станков, в том числе с числовым программным управлением, в авиационном и автомобильном транспорте.
Силовые транзисторы благодаря ряду своих достоинств (быстродействию, низким значением напряжения насыщения, полной управляемостью по базе и т.д.) являются весьма перспективным переключающим элементом для преобразовательных устройств. В связи с этим интенсивные работы по разработке и освоению в производстве силовых транзисторов ведутся как у нас в стране /21, 71 /, так и за рубежом / 81, 130, 146 /. Программа создания и освоения производства силовых транзисторов у нас в стране охватывает диапазон токов 10 -г 500 А и напряжений 100 -s- 1000 В / 21, 71 /. Реализация этой программы предполагает создание и освоение в серийном производстве около 60 типов транзисторов различных исполнений. Одним из перспективных направлений развития силовой транзисторной техники является разработка силовых гибридных интегральных схем / 107 /,
позволяющих значительно улучшить массогабаритные показатели ключевых схем на транзисторах. Весьма перспективными также представляются работы по применению силовых МДП-транзисторов /42, 61, 62, 82 /, позволяющих существенно повысить быстродействие преобразовательных устройств и значительно уменьшить мощность управления до уровней, недостижимых при использовании биполярных транзисторов. Отечественной промышленностью уже освоены некоторые типы высоковольтных силовых транзисторов, которые могут быть использованы в преобразовательных устройствах малой и средней (до 10 кВт) мощности / 126 /. Постепенно накапливается опыт применения и эксплуатации силовых транзисторов / 10, 93 /.
Несмотря на обилие работ по указанным выше вопросам, исследования в этом направлении нельзя считать завершенными. Так, недостаточно еще исследованы вопросы применения систем с импульсным слежением за ведущим сигналом, не разработаны инженерные методы спектрального анализа выходного напряжения этих систем, слабо изучены энергетические показатели систем со слежением, энергетические показатели преобразовательных устройств на силовых транзисторах.
В системах управления модуляционными преобразователями предъявляются повышенные требования к основному узлу - генератору ведущего сигнала, к качественным показателям его выходного напряжения, а именно - спектральному составу, симметрии многофазной системы, быстродействию. Это обусловлено стремлением к созданию преобразователей частоты на базе АМН для электроприводов переменного тока с высокими статическими и динамическими характеристиками, обеспечивающими диапазон регулирования 1:1000 и выше. Тем не менее эти вопросы пока изучены недостаточно. Недостаточно также изучены вопросы применения цифровых методов обработки сигналов и формирования импульсов управления, которые в свете дости-
жения микроэлектроники становятся все более конкурентно-способными по сравнению с аналоговыми системами, а в ряде случаев уже превосходят их.
Данная работа посЕящена исследованию и дальнейшей разработке транзисторных .АНН, использующих метод слежения за ведущим сигналом, а также разработке и исследованию способов формирования ведущих сигналов на основе цифровых методов для модуляционных преобразователей, предназначенных для питания асинхронных двигателей.
