автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный электропривод с частотным управлением подъемно -транспортных механизмов при нормальных и аномальных режимах.

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

ХІШАМ БУКІЛІ

л

УДК 62-83:621.314.5

АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВІД З ЧАСТОТНИМ КЕРУВАННЯМ ПІДЙОМНО - ТРАНСПОРТНИХ МЕХАНІЗМІВ ЗА НОРМАЛЬНИМИ ТА АНОМАЛЬНИМИ РЕЖИМАМИ

05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

г

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент

Радімов Сергій Миколайович,

Одеський державний морський університет, професор кафедри електротехніки і . електрообладнання суден

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Плахтипа Омелян Григорович,

НУ “Львівська політехніка”, професор кафедри електроприводу

кандидат технічних наук, доцент Рудий Тарас Володимирович,

Український державний лісотехнічний університет, доцент кафедри обчислювальної техніки та моделювання технологічних процесів

Провідна установа Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”, кафедра автоматизованих електромеханічних систем Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться "2." 02). 5.0 О і р. о "15" год. на засіданні спеціалізова вченої ради Д 35.052.02. в Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-1 вул. С. Бандери, 12, аудНА)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівсьі політехніка" (79013, Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий <ііг.к.3и ___ 2001 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Коруд В. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота направлена на дослідження електромеханічних процесів в пускових і робочих режимах електроприводів (ЕП) підйомно-транспортних машин (ПТМ) з урахуванням впливу фактичної вихідної напруги несинусоїдальної форми автономного інвертора напруги (А1Н), яка формується за методами широтно-імпульсної модуляції (ІЛІМ), широтно-імпульсного (ІШР) або амплітудно-імпульсного регулювання (АІР). Актуальність теми дисертаційного дослідження визначається, з одного боку, застосуванням ЕП, що все більш поширюються за системою "транзисторний перетворювач частоти (ПЧ) - асинхронний двигун (АД)", які працюють в напружених, повторно-короткочасних режимах в умовах нестабільного електропостачання, і тому характеризуються раптовими відключеннями напруги живлення та пов'язаними з ними аномальними процесами в електричній і механічній частинах ЕП, і, з іншого боку, - відсутністю результатів досліджень подібних процесів в науковій літературі.

Вказаний комплекс наукових досліджень направлений на підвищення надійності, поліпшення експлуатаційних показників асинхронних частотно-керованих електроприводів (АЧКЕП).

Для країн, що розвиваються, в тому числі і Марокко, всілякий розвиток науково-технічного рівня і широке промислове впровадження АЧКЕП набуває особливо актуального і важливого практичного значення з наступних причин. По-перше, це зумовлене високою економічною ефективністю цього виду техніки: він характеризується терміном окупності, що не перевищує 1-3 роки, та дозволяє на його основі впроваджувати нові високопродуктивні і енергозберігаючі технології, забезпечити істотну економію електроенергії (до 40 % і більше), підвищити продуктивність робочих механізмів на 20 %, зменшити експлуатаційні витрати на обслуговування в 5-10 разів і продовжити більш, ніж в 2 рази, термін служби електродвигунів. По-друге, при переході від регульованого ЕП постійного струму до АЧКЕП значно знижується споживання електротехнічної міді.

Електромеханічні системи (ЕМС) можна умовно поділити на інформаційну (керуючу) і енергетичну (силову) частини. У даній дисертаційній роботі основна увага приділена силовій частині ЕМС. Перелічені вище проблемні питання, розглянуті в даній роботі, підтверджують актуальність теми та її значність для широкого кола технологічних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертація виконувалася у відповідності з г/б НІР № 339-52 "Математичне моделювання регульованих електроприводів і систем автоматизації технологічних процесів".

Мета дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз процесів, що відбуваються в приводі за системою “Перетворювач частоти - асинхронний двигун", який працює в пуско-гальмових режимах, при комутації ключів АІН з частотою ШІМ, а також електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під впливом вихідної напруги інвертора, що формується за різними варіантами методу ШІМ, ШІР або АІР і що має несинусоїдальну форму.

Основні задачі дисертаційної роботи. Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

1. обгрунтувати необхідність і доцільність побудови моделі трифазного АД в трифазних природних осях на основі узагальненого математичного представлення його без проміжного переходу до двофазних систем з супугними координатними перетвореннями;

2. розробити універсальну математичну модель ЕП за системою ПЧ-АД, яка доповнює відомі, раніше розроблені математичні моделі (МАТНЬАВ, Р5РІСЕ і т.п.) і значно розширює їх функціональні можливості; модель повинна дозволяти дослідження електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в сталих і перехідних режимах роботи ЕП;

3. запропонувати і зіставити різні варіанти методів НИМ, ТИТР та АІР формування вихідної напруги АШ частотного ЕП і встановити алгоритм визначення комбінацій одночасно працюючих силових ключів інвертора і послідовності їх чергування; виходячи з вимог до асинхронного ЕП ПТМ, вибрати найбільш відповідні варіанти формування вихідної напруги;

4. проаналізувати аномальні режими ЕП, зумовлені раптовим відключенням живлення під час рекуперації енергії в мережу;

5. здійснити експериментальну перевірку основних теоретичних результатів і результатів моделювання на лабораторному експериментальному стенді та промислових зразках частотного електроприводу.

Об'єкт дослідження. Електропривід ПТМ за системою "перетворювач частоти -асинхронний двигун".

Предмет дослідження. Електричні, електромагнітні і електромеханічні процеси, супроводжуючі нормальні і аномальні режими роботи приводу.

Методи дослідження. Теорія електроприводу, теорія вентильних перетворювачів і теорія електричних машин - при аналізі електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в частотно керованому приводі; теорія автоматичного управління - при ідентифікації параметрів вхідних кіл; диференціальне і інтегральне числення - при розрахунку перехідних процесів; математичне моделювання.

Достовірність отриманих результатів дослідження на математичній моделі підтверджена експериментальними дослідженнями з перевіркою отриманих результатів на промислових приводах потужністю від 3 до 90 кВт, виконаних за системою ПЧ-АД, і на лабораторному стенді.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в тому, що були отримані і викладені наступні наукові результати:

- вперше виконано аналіз внутрішніх комутаційних процесів, що відбуваються в АІН на інтервалах між основними комутаціями при різних варіантах формування вихідної напруги інвертора за методами ШІМ, ШГР і АІР, та запропоновано рекомендації щодо вибору раціонального варіанта;

- вдосконалена двофазна модель ЕП за системою ПЧ-АД з урахуванням несинусоїдальності вихідної напруги інвертора і внутрішніх комутацій силових ключів;

- обгрунтована необхідність і доцільність побудови моделі АД Щ° живиться від АІН, в трифазних природних осях з урахуванням реальної несинусоїдальної форми вихідної напруги АІН без проміжного переходу до двофазних систем координат;

- вперше отримані аналітичні вирази для максимального значення струму аварійного

з

режиму, викликаного раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу, а також миттєвості часу, при якому він досягається.

Практичне значення роботи і впровадження результатів досліджень:

- розроблені принципи визначення алгоритмів перемикання силових ключів АІН;

- розроблені рекомендації щодо застосування варіантів НИМ в схемах АІН;

- розроблене програмне забезпечення для докладного дослідження окремих блоків і загалом ЕП за системою ПЧ-АД на цифровій моделі, що складається з блоків: реального керованого випрямляча (КВ) замість інерційної ланки, АІН з реальною формою вихідної напруги замість синусоїдальної чи напруги прямокутної форми і АД в трифазній системі координат замість двофазного його представлення;

- створена універсальна модель, яка може бути використана для аналізу роботи як існуючих електромеханічних об'єктів, так і при проектуванні нових ЕП механізмів різного призначення; модель, яка представлена у вигляді програмного комплексу MCF-Hicham (Modulation Converter Frequency) "Електропривід за системою ПЧ-АД", призначена для вивчення взаємодії елементів АЧУЕП і дослідження його статичних і динамічних характеристик в робочих та аварійних режимах; програмний комплекс застосований в навчанні енергетиків газоперекачуючих станцій “УКРТРАНСГАЗ" (м. Київ, 2000); модель використана в Інституті проблем атомних станцій (м. Одеса) при аналізі варіантів приводу машини перевантаження ядерного палива АЕС і в учбовому процесі у вузах м. Одеси: морському і політехнічному університетах, Академії холоду. За допомогою моделі вдалося істотно скоротити виграти часу на пошук та усунення несправностей в промислових ПЧ потужністю 75 і 90 кВт.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто запропоновані підходи і способи побудови універсальної математичної моделі приводу за системою ПЧ-АД на основі узагальненого математичного представлення в природних трифазних осях без переходу до двофазних систем з супроводжуючими його координатними перетвореннями і з різними варіантами формування вихідної напруги інвертора за методами ШІМ, ШІР і АІР. У спільних публікаціях автору належать постановка задач, розробка універсальної математичної моделі ЕП за системою ПЧ-АД і результати виконаних за її допомогою досліджень.

У роботі [1] обгрунтована доцільність дослідження електромеханічних процесів у приводі за системою "ПЧ-АД" методами математичного моделювання. Аналіз процесів заряду-розряду у вхідних колах приводів з ШІМ та методи параметричного обмеження аварійного струму розглянуто у [2,3]. Внутрішні комутаційні процеси при формуванні вихідної напруги за методом ШІМ та деякі варіанти цього методу проаналізовані у роботі [4]. Переваги використання моделі АД, з'єднаного з АІН, у трьохфазних природних осях з урахуванням реальної несинусоїдальної форми вихідної напруги АІН без проміжного переходу до двофазних систем координат наведені у [5]. Ідентифікація параметрів вхідних кіл за метою керування процесами заряду-розряду конденсатора ланки постійного струму розглянуто у [б]. Загальна структура математичної моделі приводу за системою "ПЧ-АД" обгрунтована у [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на трьох семінарах Інституту електродинаміки Національної Академії Наук України з комплексної наукової проблеми "Наукові основи електроенергетики", на

двох науково - технічних конференціях з міжнародною участю "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (м. Алушта, 1997, 2000 р.); програмний комплекс MCF-ШСНАМ експонувався на міжнародній виставці “Hi-Tech 2000" (м. Одеса, 2000 p.).

Публікації. Основні результати і матеріали дисертації відображені у семи наукових роботах, з яких 6 статей опубліковані в наукових журналах і міжвідомчих збірниках наукових робіт і одна доповідь опублікована в працях науково - технічної конференції.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 157 найменувань і 3 додатків. Робота містить 238 сторінок, 56 ілюстрацій і 33 таблиць. Загальний обсяг роботи 130 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи і дана приведена вище характеристика роботи, анотовано зміст розділів; відзначено, що всі результати, розміщені в розділах 1-4, отримані у поєднанні експериментальних досліджень на ряді промислових зразків ЕП з транзисторними ГГЧ і моделювання за допомогою розробленого програмного комплексу MCF-Hicham, який відображає специфіку процесів, що відбуваються в основних блоках ПЧ і АД.

У першому розділі проведено аналіз виконаних робіт щодо дослідження електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів, які супроводжують функціонування ЕП за системою ПЧ-АД (рис. І). Результати досліджень частотно-керованого ЕП відображені в численних публікаціях зарубіжних і вітчизняних авторів. В Україні вагомий внесок в розвиток теорії та створення таких ЕП внесли колективи Інституту електродинаміки (м. Київ), НДІ Перетворювач (м. Запоріжжя), НДІ ХЕМЗ (м. Харків). Визначені основні напрями, постановка задач, припущення, підходи і методи дослідження. Проаналізовані проблеми дослідження електромеханічних процесів АЧКЕП і аварійні режими системи ПЧ-АД вантажопідйомних машин. Наведено огляд та аналіз відомих математичних моделей.

Рис. 1. Функціональна схема приводу за системою ПЧ-АД У другому розділі розглянуто принципи побудови універсальної математичної моделі АЧКЕП. Наведено моделі асинхронної машини і рівняння електричної рівноваги АД при частотному регулюванні швидкості.

Аналіз робіт щодо дослідження частотного ЕП і методів моделювання АД свідчить про те, що практично всі дослідники при моделюванні АД і приводу за системою ПЧ-АД використовують перехід до двофазних систем координат (а,Р) або (х,у). При дослідженні ЕП за системою ПЧ-АД поставлена задача запису рівнянь динаміки з урахуванням внутрішніх комутаційних процесів АІН,

пульсуючого характеру вихідної напруги, взаємного впливу трифазного ПЧ і трифазного АД при використанні двофазної моделі є важкою, складною і недоцільною. Очевидно, вимогам наглядності, зручності спостереження і реєстрації процесів, які відбуваються в ПЧ з ІШМ та досліджуються, відповідає уявлення АД і ПЧ в природних трифазних осях.

Початкова система диференціальних рівнянь в трифазній системі координат, записаних для кожної фази обмоток статора і ротора, в своєму складі має лінійно-залежні рівняння, тобто ця система є виродженою і її визначник тотожно дорівнює нулю. Для усунення лінійної залежності системи потрібно її модифікувати: замість трьох диференціальних рівнянь залишити тільки два рівняння, записаних або для фазних, або для лінійних величин, а третє рівняння замінити на алгебраїчне. Модифіковані диференціальні рівняння ПЧ-АД, записані в природних осях відносно перших похідних лінійних потокозчеплень статора і ротора, представляються:

ііц>

аЬ,

січ/.

січ'

сії

= иаЬ,-ГіІ

Ьс,

сій/

' п

аЬ,

аЬ,

сії

да и , и.

= °-Г--;аЬ,

сії

Ьс,

=и

^а січ/

Ьс,

Ьс,

Ьс,

сії

(І\|/

= 0-г„-і,

са,

сії

січ/

аЬ,

сії

січ/

Ьс,

сії

ск

ск

(і)

- <к “ Ьс2 ■лінійні напруги, підведені до статора.

Фазні потокозчеплення статора і ротора визначаються також за допомогою алгебраїчних співвідношень

Л Ч», =|'К -У, І/З ¥ =|¥ -»К

^а, "І ^аЬ, ^са.У3 ‘Ь, (/Ьс, 'аЬ.^І/" ‘с, ~(/са, ‘Ьс.

Т^аЬ ^са )/3 =Кс )/3 ^с =(Ча “^Ьс 1/3

а, ^ «І/ ^ С-Л 2 І/ О 2 \ ^ і сА)-} // ^ Ся-} ОО

(2)

2 2 У/ 2 V. 2 йі^2 у/ V*2 \ 2

У алгоритмі розрахунку струмів необхідно враховувати, що при чисельному інтегруванні диференціальних рівнянь на кожному кроці обчислень відомі тільки ті потокозчеплення, які виступають як змінні стану. Рівняння потокозчеплень у векторно-матричному вигляді

(3)

де Ь, = г(х,+хц)/3и0 - індуктивності статора; І^21 = 2(х2, +х|1)/3м(| - приведена до статора індуктивність ротора; М12 = 2х(1/3ш0 - взаємні індуктивності статора і ротора; М, =-Ь,/2 -магнітний зв'язок однієї з обмоток статора з двома іншими обмотками; М2 =-Ь21/2 - магнітний зв’язок однієї з обмоток ротора з двома іншими обмотками.

Взаємні індуктивності статора і ротора в координатних осях а, Ь, с визначаються як функції взаємного кутового положення обмоток:

’•'аЬ, ь,- ■М, 0 ‘^а^ ^а,с2 ^а^і ^Я|С2 аЬі

Ч'ьс, 0 ^а,с2 -^*а,Ь2 ^а|а2 -^а,Ь2 Ьс|

І1'аь2 Ма а2 '^*8^2 Мя . а1с2 ^аіЦ 1 — 1 0 аЬ2

^Ьс 2 Мя 3 Ь2 _Ма,с2 мя . а1а2 -Ма.с2 0 Ь21-М2 Ьс2

^*а1а2 = м - а2а. ^Ь[Ь2 = МЬ2Ь, = М г С2С1 = М с,с2 = М,2 СОБ Ср

^Ь2аі = М н а|й2 = мЬіс2- = Ма2С, = м_. с\а2 = Мг Ь С20і = М12 соб(ф + 2ф)

Мг . с2аІ = Ма г-а1с2 = Мя ь а2ь1 = МЬ,а2 = МИ г Й2С, = М к с2°2 = М12 о 0 1 2 я/3)

Рішення невиродженої системи диференціальних рівнянь дозволяє визначити лінійні струми статора і ротора та на їх основі отримати фазні струми статора і ротора

Електромагнітний момент двигуна розраховується в трифазній системі координат за виразом

Розглянутий принцип побудови моделі трифазного АД спільно з ПЧ в трифазних природних осях дає можливість практичної реалізації і дослідження різних законів формування вихідної напруги та їх реалізуючих послідовностей комутації силових ключів АШ, дозволяє спростити модель і зменшити число рівнянь, а самі рівняння спростити завданням станів силової частини джерела напруги. При. розгляді моделі роботи двофазного АД з трифазним АІН втрачається фізика протікання контурних струмів між цими блоками, і тому неможливо для конкретного такту внутрішніх комутацій АШ визначити напругу, що підводиться до статора, залежну від струму навантаження.

Основною вимогою, що пред'являється при формуванні структури і побудові моделі АЧКЕП, є можливість розгляду комутаційних процесів в трифазних АІН при формуванні вихідної напруги за методом ШІМ.

Виходячи з складності процесів в приводі ПЧ-АД, інструментами їх дослідження є математична модель ЕП, представлена в природних трифазних осях, і експериментальний метод дослідження; в доступній літературі внутрішні комутаційні процеси в приводі ПЧ-АД не відображені. Процес формування математичної моделі відбувався на основі поєднання результатів експеримента на промислових зразках ЕП і моделювання, внаслідок чого цілеспрямовано коректувалася модель об'єкта дослідження (рис.2).

Загальна структура моделі містить основні і допоміжні блоки. До основних відносяться блоки, що моделюють ПЧ і АД. До допоміжних можна віднести блоки зв'язку ПЧ з мережею живлення, пристроїв управління і захисту. При дослідженні динамічних процесів в цифровій моделі, представленій у вигляді програмного комплексу, враховується фактичне перемикання силових ключів АІН.

Відомо, що трифазний АІН має вісім станів (рис.З), що описуються в двійковому коді комбінаціями від 000 до 1І1. Шість основних векторів U0,..., U300 розташовані в просторі зі зсувом 60° і відповідають наборам з трьох включених транзисторів; при стані 000 всі верхні транзистори (ТІ, ТЗ і Т5 - див. рис.1) відключені; стан 111 відповідає одночасному включенню трьох верхніх транзисторів. Розроблена модель дозволяє аналізувати процеси, що відбуваються не тільки при основних, але і, що особливо цінно, при всіх внутрішніх комутаціях, що відбуваються між основними комутаціями, даючи найбільш точне наближення до реальних процесів.

Розглянуто процеси в статичних і динамічних режимах роботи АІН в складі частотного ЕП з урахуванням реальної форми вихідної напруги АІН (методи АІР, ШІР, ШІМ) або з вихідним напруженням синусоїдальної форми (як з виходу синхронного генератора). Передбачено вибір

і-і

с.

(6)

Об’єкт

дослідження

Експеримент

Ідентифікація —ІМатематична 1 модель

Корекція моделі Г

Інтерпретація результатів , Моделювання

Рис. 2. Процес формування математичної моделі АЧКЕП та її структура

Мояуш іиіон таблиц

габлиц м І 1«ССО» ] Г

фуикиио я ш ав е

Моделі «синхронного І

____________ДЖГатеЯ»__________|__

Мсіиа еатономмого І Моделі гршюисгорного МИМ*ртор»І ММПуЛкСНОЯ молулліим

Н«ОрІЖ«НН»________І

МоДеЛЬ контурных регулітороі Вспомогательны бяокн нох«яиро»»кн« іионілінііх режимов, расчета средних, среднсиадрмичных імічехия и термического показателя £|Ч

вигляду модуляційної функції АІН: з однополярною напругою, що розгортається від нуля до +ис; з двополярною напругою, що розгортається від мінус ІІс до +ис; зі зміщенням відносно початку відліку. Розглянуто всі можливі робочі комбінації з трьох керованих (три транзистори) або некерованих (три зворотних діоди) силових ключів. З урахуванням того, що в кожній фазі АІН для виключення режиму короткого замикання (к.з.) повинен відкриватися тільки один ключ (верхній або нижній), серед можливих виділені по б реальних комбінацій, вказаних, відповідно, для транзисторів (табл. 1) і для зворотних діодів (табл.2).

У таблицях 1 і 2 приведена інформація про підведені до навантаження АІН фазні напруги та струми, що протікають по навантаженню і силових ключах. При розгляді всіх можливих

комбінацій перемикання керованих і некерованих силових ключів (один транзистор і два зворотних діоди або два транзистори і один зворотний діод) залишимо по 12 реальних комбінацій, вказаних, відповідно, при 2 керованих силових ключах (табл.З) і при двох некерованих ключах (табл.4).

(6)Т1ТЗТ6

Рис. 3. ОІМ^дрй^Щ|$рорі і пдслідовності переключень

Таблиця

Комбінації з трьох керованих силових ключів

№ Ключи иа Ііь ис Іяі •м *с1 ТІ тз Т5 Т2 Т4 Т6

1 Т2Т4Т5 - - +• - - + ■сі “Ці "іьі

2 ТІТ4Т5 4- - + + - + Ці Ц)

3 ТІТ4Т6 + - - + - - Ці ■>Ь1 “¿сі

4 Т1ТЗТ6 +- + - + + - Ці іьі "Ці

5 Т2ТЗТ6 — + - - + - >ы -Ці "Ці

6 Т2ТЗТ5 - + + - + -ь ІЬ! ¿сі -Ці

Таблиця 2

Комбінації з трьох некерованих силових ключів

№ Ключи ия иь и. ІЯ| Ці Ці оі 03 05 т 04 06

1 0103 06 0 0 0 - - -ь "Ці “Іьі Ісі

2 020306 0 0 (} + - + -іьі її >сї

3 020305 а 0 0 -ь - - -Ці ■Ісі Ці

4 020405 0 0 0 + + - -Ісі Ці іьі

5 0Ю405 0 0 0 - + - “Ці "•сі ІЬІ

6 010406 0 0 0 - + +• -Ці Іьі Ці

Таблиця З

Комбінації з двох керованих силових ключів

№ Ключи ц. Ц- йі •ы 1,1 ТІ тз Т5 Т2 Т4 Тб 01 03 05 02 04 Бб

1 01Т4Т5 + - ,+ - - + Іг? Чг

2 Т1Т4Е>6 + - - + - + і*г _|ы Ісі

3 Т1Т405 + - + + - - М ■*ы -1с]

4 ттзтб + + - + - - І»! -1ы ІсІ

5 02ГЗТ6 - + - + + - Ні -І» І-,!

6 Т2Т305 - + + - + - *ы -Іа) -Іс)

7 Т2Т306 - + - - + + >ы -іаі ІСІ

8 Т204Т5 - - + - + -ь Іс( -¿аі Іьі

9 Б2Т4Т5 - + + - + Ісі -ІЬІ 1.1

10 Т104Т6 4- - - + + - V,! ІЬІ

11 01ТЗТ6 4- + - - + - ім -І.1

12 Т2ШТ5 - + + - - + •сі *1*1 *1ы

Таблиця 4

Комбінації з двох некерованих силових ключів

№ Ключи и, иь ц 1.1 ІЬІ іг.1 ТІ ТЗ Т5 Т2 Т4 Т6 ОІ 03 05 ш 04 Об

1 ТЮЗОб + ■ + - + - + ійі 'VI

2 020316 - + - + - - 'V) _1ы V]

3 02Т305 - + + + + - іьі -V) VI

4 Т20405 - - + - + ' - -ісі іьі

5 ТЮ405 + - + + - -VI 'Ы

6 Т20306 - 4- - - - + Чі -*ы *СІ

7 01ТЗШ - - ч■ + >ы -ІйІ іс,

В 01Т4Ш + - - - - + -іьі -Іаі

9 02Т405 - - + ~ - _,ы -VI >а|

10 ОЮ4Т5 + - + - + + *ГІ Лі

11 0203Т5 - + + + - + -їм VI

12 ОЮ4Т6 + - - + - 'Ісі -18| Іьі

Таким чином, в трифазних АІН можливі всього 36 реальних комбінацій одночасного включення силових ключів. Струми силових ключів АІН визначаються за допомогою логічних рівнянь. Вхідний струм АІН визначається з урахуванням того, що в кожному такті враховуються струми силових ключів, шлях протікання яких замикається тільки через конденсатор ланки постійного струму (ЛПС). Струм, що протікає через позитивний і негативний вивід

= ('уті ~ ' УОІ )''“(* УТІ ~ ' уш)+ 0 УТ5 — *1<і- = 0 ЇТ2 " ' У02)+('УТ4 — ^04) +('УТ6 -'тоб)- (7)

При визначенні вхідного струму АІН за рівняннями (7) не враховуються струми некерованих ключів при роботі двох транзисторів і одного зворотного діода або струми керованих силових ключів при роботі одного транзистора і двох зворотних діодів, оскільки відповідні контурні струми при одночасній роботі керованих і некерованих силових ключів не замикаються через конденсатор ЛПС. З урахуванням динамічних процесів в приводі ПЧ-АД визначено баланс між кінетичною енергією рухомих частин ЕП і електростатичною енергією конденсатора ЛПС.

Запропоновано структуру цифрової математичної моделі процесів заряду і розряду конденсатора приводів змінного і постійного струму з проміжною ЛПС, що передбачають рекуперацію енергії в мережу. Модель дозволяє дослідити як макро, так і мікропроцеси.

При моделюванні трифазного АД використовується блок введення початкових даних, відповідаючих Т-образній або Г-образній спрощеним схемам заступлення. Також задаються режими, що досліджуються: прямий пуск, частотний пуск, сталий режим, гальмування, реверс АД, підключеного безпосередньо до мережі (М-АД), до синхронного генератора (СГ-АД) або до

перетворювача частоти (ПЧ-АД). Передбачений вибір типу моделі з представленнями в трифазній системі координат та природних осях або в двофазній системі координат при шіс= Шо або Ок= 0.

Третій розділ присвячено дослідженню процесів в основних блоках електроприводу за системою ПЧ-АД. Розглянуті процеси, що протікають при комутації ключів в трифазних АШ (рис.З), які супроводжують формування напруги за методом ШІМ на виході інвертора. Двійкові представлення двох суміжних основних просторових векторів відмінні тільки в одному біті. Тобто, тільки один з верхніх транзисторів перемикається, коли стан перемикання змінюється від І/х до ІГх+60 або від ІГх+60 до ІІх- Для оцінки прикладеної до двигуна напруги ивих (рис.З) недостатньо враховувати стани тільки верхніх транзисторів. Тому розглянуто процеси, що відбуваються при багаторазовій комутації всіх силових ключів за період вихідної напруги, і послідовність роботи ключів при формуванні на виході ПЧ напруги несинусоїдальної форми, прикладеної до статора АД.

Розглядається функціонування елементів АІН як складової частини ПЧ. Для аналізу комутаційного процесу зіставлені бажані напруги, модуляційні функції і можливі зони ввімкнення ключів фаз а, Ь і с (рис.4,а). На основі їх знаходимо лінійні напруги /рис.4,6) і фактичні фазні напруги (рис.4,в), які мають 3 рівня (0, 1/3, 2/3); за базове значення прийнята напруга ЛПС.

ио - бажана напруга, Рм - модуляційна функція; лінійні напруги, бажана иб.л і фактична ил; фазні напруги: бажана 1)о ф і фактична Ііф Рис. 4. Формування вихідної напруги трифазного АІН за методом ШІМ

Розглянуто процеси, що відбуваються при роботі трифазного АІН, який живить симетричне ІІ-Ь навантаження. Особливість роботи трифазного АІН полягає в тому, шо струм протікає в навантаженні лише в тих випадках, коли одночасно співпадають умови відкритого стану ключів в трьох фазах. Тому функціонування інвертора характеризується циклічним чергуванням декількох комбінацій провідних станів ключів, по яких одночасно протікають струми трифазного

симетричного II-Ь навантаження: три транзистори, два транзистори і діод, два діоди і транзистор, а також три діоди.

Встановлено комбінації ключів інвертора, що проводять струм, і послідовність їх чергування; визначено напрями протікання струмів в фазах навантаження і ключі інвертора, через які вони замикаються. Приведено графіки бажаних напруг, однополярних і двополярних модуляційних функцій і відкритих станів ключів фаз а, Ь і с. Отримано часові графіки зміни фазних напруг і протікаючих в навантаженні струмів фаз а, Ь і с, показано еквівалентні схеми інвертора, відповідні конкретним тактам.

Рівняння електричної рівноваги для першого такту записуються: при лінійних змінних при фазних змінних

и»ь =ис =К-іаЬ+січ/,ьДК;

-и* =ис = -я іЬс -ач/,«/*;

^ са — ^ *Ь ^Ь’^Ьс ^ Ь

^.ь = І'-‘аь;ч'ьс = ь-іЬс;м'„ =ь-іа

ис =(я-і. +<іі|/,/сі0-(к.-іь +<1\|/ь/ск), ис =(К'іс +<ІЧ'сМ)-(К--іь +«1'1'ь/л),

І ь = -і. -»«; і. = 1/3 • (і л - і с.). і с = Ф ■ 0 «. -' ь. >, =Ьі.;у„=Ь-іь;ус=Ь-іс.

Приведені матеріали свідчать про багатофакторність протікаючих процесів комутації, їх залежність від частоти ШІМ та параметрів навантаження. Не менш складні процеси відбуваються в ЕП, коли до виходу АІН підключено АД, оскільки одночасно доводиться враховувати стани ключів, умови їх включення і односторонню провідність, напрям протікання і характер струмів (безперервний, переривистий) в навантаженні. Стани керованих і некерованих ключів АІН визначаються як сигналами управління, так і фазними напругами і струмами статора на кожному кроці розрахунку.

Проаналізовано алгоритми утворення варіантів формування вихідної напруги АІН. Показано розрахункові співвідношення для фазних напруг, визначено фактичні лінійні напруги шляхом розв'язання рівнянь співпадання бажаних миттєвих лінійних напруг ив.аЬ, U6.bc та ибСа з розгортаючими сигналами 1іп; позначені ситуації, коли лінійні напруги не співпадають з

різницями фазних напруг илаь * ифа ~ ифЬ, ЩО відповідає двом ключам, ввімкненим одночасно в одному плечі АІН, які приводять до режиму к.з. За першим способом усунення режиму к.з. лінійна фактична напруга иьс обчислюється при рішенні рівняння збігу бажаної миттєвої лінійної напруги ііб Ьс з сигналом им , що розгортається; воно дорівнює напрузі ЛПС при умові, що лінійні напруги иаь і иьс співпадають за знаком, тоді знак лінійної напруги иьс буде протилежний; лінійна фактична напруга иса обчислюється за формулою иса = - иаь - иьсі встановлено, що якщо лінійні напруги співпадають з різницями фазних напруг илаь = Чфа - ііфь, то режим к.з. усувається. Аналогічно аналізуються і розглядаються інші варіанти АІР, ШІР і ШІМ, приведені у відповідних таблицях. Методика визначення і алгоритм формування вихідної напруги АІН, а також умови комутації силових ключів показані при однополярній і двополярній функціях, що розгортаються. Представлено спосіб утворення і модифікації варіантів формування вихідної напруги АІН.

Розглянуто 73 варіанти формування вихідної напруги АІН: 56 варіантів з ШІМ, 15 варіантів з ШІР і два варіанта з АІР. З 56 варіантів з ШІМ 49 варіантів отримані з двополярною функцією, що розгортається, і 7 варіантів - з однополярною функцією. З 15 варіантів з ШІР 8 варіантів - з двополярною функцією, що розгортається, і 7 варіантів - з однополярною функцією. Виконано порівняльний аналіз варіантів формування вихідних напруг АІН за методами АІР, ШІР та ШІМ;

результатів розрахунку і експерименту.

З цією метою на приводі висунення головки судонавантажувача проведено експеримент з раптовим відключенням напруги живлення при гальмуванні механізму, що опускається. Для зменшення викиду струму в ЛПС введено струмообмежуючий резистор. Зафіксоване при експерименті максимальне значення струму практично збіглось з результатом моделювання. Цим і іншими експериментами підтверджена адекватність процесів, що моделюються і зафіксованих експериментально на лабораторних та промислових установках.

ВИСНОВКИ

Внаслідок виконаних в дисертаційній роботі досліджень отримані наступні наукові і технічні результати:

1. Проаналізовано стан і методи дослідження процесів, що відбуваються в приводах за системою ПЧ-АД, призначених для механізмів підйомно-транспортних машин, на основі яких сформульовані мета і задачі роботи.

2. Обгрунтовано необхідність і доцільність побудови моделі АД, який живиться від АІН, в трифазних природних осях з урахуванням реальної несинусоідальної форми вихідної напруги інвертора без проміжного переходу від двофазного представлення, що широко застосовується, до трифазної системи координат.

3. Вперше виконано аналіз внутрішніх комутаційних процесів, що відбуваються в АІН в інтервалах я/З між основними комутаціями при різних варіантах формування його вихідної напруги за принципами ППМ, ШІР та АІР.

4. Розроблено рекомендації щодо вибору раціонального варіанту формування вихідної напруги АІН за принципами ІДІМ, ШІР та АІР.

5. Розроблено універсальну математичну модель електроприводу за системою ПЧ-АД, яка доповнює відомі, раніше розроблені моделі, такі, як MATHLAB, PSPICE, та розширює їх функціональні можливості під час проведення досліджень електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в сталих і перехідних режимах роботи приводу, а також дозволяє аналізувати аномальні режими, зумовлені раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу.

6. Вперше отримані аналітичні вирази максимального значення струму аварійного режиму у вхідних колах ПЧ, викликаного раптовим відключенням напруги живлення при рекуперації енергії в мережу, а також миттєвості часу, при якій він досягається.

7. Проведено експериментальну перевірку основних теоретичних результатів та результатів моделювання на промислових зразках частотного приводу і лабораторній установці, яка підтвердила їх адекватність.

8. Створений на основі моделі приводу за системою ПЧ-АД програмний комплекс "MCF-НІСНАМ" використано в учбовому процесі у трьох одеських вузах, а також при навчанні енергетиків газоперекачуючих станцій "УКРТРАНСГАЗ" і застосовано в Інституті проблем атомних станцій для аналізу варіантів приводу перевантажувальної машини АЕС. Комплекс був представлений на виставці “Hi-Tech 2000" у березні 2000 р.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1) Радимов С.Н., Букили Хишам, Хандакжи К.А. Математические модели регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока грузоподъемных машин // Електромашинобудування та електрообладнання, 1997. Вип. 49. - С. 27-32.

2) Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическое моделирование процессов заряда-разряда емкости звена постоянного тока частотного электропривода с рекуперацией энергии // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. Межвузовский журнал, изд. ХГТУ, Херсон, 1998, № 2.- С. 12-23.

3) Радимов С.Н., Букили Хишам. Исследование на математической модели аварийных режимов в звене постоянного тока регулируемых приводов постоянного и переменного тока с ШИМ и рекуперацией энергии в сеть // Електромашинобудування та електрообладнання, 1998. Вип. 50. - С. 26 - 33.

4) Радимов С.Н., Букили Хишам. Коммутационные процессы в трехфазных АИН при формировании выходного напряжения по методу ШИМ // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. Научно-технический журнал, изд. ХГТУ, Херсон, 2000, № 1(6).-С. 121-128.

5) Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическая модель частотного привода, представленная в естественных трехфазных осях // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вісник Харківського державного політехнічного університету. 36. наук, пр., Вип. 113. Харків, ХДПУ, 2000. - С. 57-60.

6) Букили Хишам. Идентификация параметров звена постоянного тока электроприводов с ШИМ И Холодильная техника и технология. Научное издание, Одесская госуд. акад. холода. 2000, вып. 68,- С. 95-98.

7) Радимов С.Н., Букили Хишам. Математическая модель для исследования асинхронного электропривода с частотным регулированием скорости// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: [Труды научно-технической конференции].- Харьков: Основа, 1997. С. 88 - 89.

АНОТАЦІЯ

ХІШАМ БУКШІ. Асинхронний електропрнвід з частотним керуванням підйомно -транспортних механізмів за нормальними та аномальними режимами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Дисертація присвячена аналізу процесів, що відбуваються в приводі за системою ПЧ-АД, який працює в пуско-гальмових режимах, при комутації ключів автономного інвертора напруги (АІН) з частотою НИМ, а також електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під впливом вихідної напруги інвертора, що формується за різними варіантами методу ШІМ, ШІР або АІР. Особлива увага приділена дослідженню внутрішніх комутаційних процесів в АІН і аварійних процесів приводу, що відбуваються при раптовому відключенні напруги живлення. Проведено порівняльний аналіз 73 варіантів формування вихідної напруги АІН, розроблені рекомендації щодо їх ефективного застосування. Запрпонований універсальний програмний комплекс "МСР-НісЬат" дозволяє дослідити нормальні і аномальні режими приводу в природних трифазних осях без проміжного переходу від двофазного представлення, що широко застосовується, до трифазної системи координат. Модель використовується на виробництві для пошуку і усунення несправностей ПЧ, в науково-дослідних установах для вибору варіантів привода і у вузах для аналізу процесів, які відбуваються в приводі.

Ключові слова: підйомно-транспортні машини, асинхронний частотно-керований

електропривід, автономний інвертор напруги, внутрішні комутації, моделювання, аварійні режими.

АННОТАЦИЯ

Хишам БУКИЛИ. Асинхронный электропривод с частотным управлением подъемно -транспортных механизмов при нормальных и аномальных режимах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.

Диссертация посвящена анализу процессов, происходящих в приводе по системе ПЧ-АД, работающем в пуско-тормозных режимах, при коммутации ключей АИН с частотой ШИМ, а также электрических, электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронных электроприводах при воздействии напряжений, формируемых в инверторе по различным вариантам метода ШИМ, ШИР или АИР. Особое внимание уделено исследованию внутренних коммутационных процессов в АИН и аварийных процессов привода, происходящих при внезапном отключении питающего напряжения.

В разделе 1 проведен анализ выполненных работ по исследованию процессов, сопровождающих работу ЭП по системе ПЧ-АД. Определены направления исследования электромеханических процессов и аварийных режимов в приводе по системе ПЧ-АД грузоподъемных машин.

В разделе 2 рассмотрены принципы построения универсальной математической модели привода. Приведены модели асинхронной машины и модифицированные уравнения динамики АД при частотном регулировании, учитывающие внутренние коммутационные процессы АИН, пульсирующий характер выходного напряжения, взаимовлияние ПЧ и АД; уравнения записаны в естественных трехфазных осях; без промежуточного перехода от широко применяемого двухфазного представления к трехфазной системе координат. Процесс формирования математической модели происходил на основе сочетания результатов эксперимента на промышленных образцах ЭП и моделирования, в результате чего целенаправленно корректировалась его модель. Описаны основные и вспомогательные блоки цифровой модели, представленной в виде программного комплекса “МСК-НІСНАМ”, учитывающей фактические переключения силовых ключей ПЧ. Разработанная модель позволяет анализировать процессы, происходящие не только при основных, но и при всех внутренних коммутациях, происходящих между основными коммутациями. Рассмотрены все возможные рабочие комбинации переключения управляемых и/или неуправляемых силовых ключей. Приведена информация о подведенных к нагрузке АИН фазных напряжениях и протекающих по нагрузке и силовым ключам токах. Предложена структура цифровой математической модели процессов заряда и разряда емкости ЭП с промежуточным звеном постоянного тока (ЗПТ), предусматривающих рекуперацию энергии в сеть. .

Раздел 3 посвящен исследованию процессов в основных блоках ЭП по системе ПЧ-АД. Рассмотрены процессы, происходящие при многократной коммутации силовых ключей за период выходного напряжения, и последовательность работы ключей при формировании на выходе ПЧ напряжения несинусоидальной формы, приложенного к статору АД. Сопоставлены желаемые напряжения при однополярных и двухполярных модуляционных функциях и возможные зоны включения ключей фаз а, Ь и с. Получены фактические линейные и фазные напряжения и проте-

кающие токи в фазах двигателя и через ключи инвертора, показаны эквивалентные схемы, соответствующие конкретным тактам работы привода и иллюстрирующие эти комбинации. Установлены комбинации проводящих ток ключей инвертора и последовательность их чередования. Приведены уравнения электрического равновесия при линейных и фазных переменных. Проанализированы алгоритмы образования вариантов формирования выходного напряжения АНН. Показаны расчетные соотношения для фактических линейных и фазных напряжений; отмечены ситуации, приводящие к режиму к.з. и способы их устранения. Выполнен сравнительный анализ 73 вариантов формирования выходного напряжения АИН и даны рекомендация по их применению. Исследованы процессы заряда и разряда емкости ЗПТ при разомкнутой и синтезированной замкнутой СУ. Рассмотрен параметрический способ ограничения величины максимального значения тока в этих процессах путем введения добавочного резистора или индуктивности.

Раздел 4 посвящен сопоставлению результатов экспериментальных исследований и моделирования ЭП по системе ГГЧ-АД. Проанализированы переходные и установившиеся режимы работы ряда промышленных электроприводов и ЭП лабораторных исследовательских стендов. Проверка адекватности модели выполнялась поэтапно. На предварительном этапе сопоставлялись результаты экспериментов с моделированием АД, получающего питание от сети. Их сравнение свидетельствует, что они отличаются незначительно (в пределах 3-5 %). Это позволяет утверждать об адекватности модели собственно АД, представленной в естественных трехфазных осях. На следующем этапе проведено сопоставление результатов эксперимента и моделирования процессов происходящих при частотном пуске АД, во входных цепях и аварийного процесса в режиме рекуперации, вызванного внезапным отключением питающего напряжения. Разработана методика моделирования аварийных режимов привода по системе ПЧ-АД. Определены аналитические выражения максимального значения аварийного тока и времени, при котором аварийный ток достигает своего пикового значения. Достоверность аналитических выражений проверена сопоставлением результатов расчета и эксперимента. Этим и другими экспериментами подтверждена адекватность моделируемых процессов и зафиксированных экспериментально на лабораторных и промышленных установках.

В выводах отмечено что, указанный комплекс новых научных исследований направлен на повышение надежности, улучшение эксплуатационных показателей частотно-управляемых ЭП.

В приложениях даны параметры ЭП передвижения судопогрузчика, промежуточные математические преобразования, результаты моделирования и экспериментальных исследований, а также приведены документы, подтверждающие практическое использование результатов при обучении энергетиков газоперекачивающих станций «УКРТРАНСГАЗ»; в Институте проблем атомных станций при анализе вариантов ЭП машины перегрузки ядерного топлива АЭС и в учебном процессе в вузах г. Одессы: морском и политехническом университетах, Академии холода. При помощи программного комплекса MCF-Hicham экспонировавшегося на международной выставке «Hi-Tech 2000» удалось существенно сократить затраты времени на поиск и устранение неисправностей в промышленных ПЧ мощностью 75 и 90 кВт.

Ключевые слова: подъемно-транспортные машины, асинхронный частотно-управляемый электропривод, автономный инвертор напряжения, внутренние коммутации, моделирование, аварийные режимы.

ANNOTATION

HICHAM BOUKILI. Frequency controled asynchronous electric drive of hoisting - transport mechanisms under normal and emergency modes. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree PhD of engineering sciences by speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - National University "Lviv Polytechnics", Lviv, 2000.

The dissertation concerns the analysis of the processes, taking place in drive of the system-frequency converter -asynchronous motor (FC-AM), working in starting-brake modes, at the keys commutation VSI with frequency of PWM, and also the electrical, electromagnetical and electromechanical processes in asynchronous electric drives influenced by the voltages, formed in invertor according to the different variants of PWM, PWR or PAR. Special attention is drawn to the research of internal commutation processes in VSI and of emergency processes in the drive under abrupt interruption of power supply. The comparative analysis of 73 variants of forming of output voltage of VSI is presented, the recommendations are given on their effective application. The universal program complex "MCF-Hicham" (software) is worked out permitting to study normal and abnormal modes of the drive in natural three-phase axes without intermediate transition from widely used diphasic conception to three-phase of coordinates. The Model is used at the manufacturing sites to find and rectify the faults in industrial FC, in research organizations for selection of the variants of the drive and in educational processes in institutes for analysis of the processes which take place in the drive.

Key words: hoisting - transport machines, asynchronous frequency-controlled electric drive, voltage source invertor, internals commutations, emergency modes.