автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Частотный электропривод малой мощности с бестрансформаторными преобразователями частоты

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Современные системы частотного электропривода

1.2. Преобразователи частоты в электроприводе переменного тока

1.3. Цель и задачи исследования

2. АНАЛИЗ СРЕДНЕЧАСТОТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗВЕНЕ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

2.1. Автономный инвертор напряжения как нагрузка звена постоянного 29 напряжения

2.2. Математическое описание работы звена постоянного напряжения

2.3. Разработка машинной модели для решения уравнений, описывающих 38 процессы в звене постоянного напряжения

2.4. Анализ результатов моделирования процессов, протекающих в звене 44 постоянного напряжения

2.5. Сравнительный анализ работы звена постоянного напряжения при различных вариантах нагрузки

2.6. Выводы

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ КАК ПОТРЕБИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

3.1. Общие положения

3.2. Коэффициент мощности преобразователей

3.3. Дополнительные критерии оценки влияния преобразователей на 79 питающую сеть

3.4 Выводы

4. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Общие положения

4.2. Анализ электроприводов с резистивным торможением

4.3. Анализ электроприводов с конденсаторным торможением

4.4. Выводы 133 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Преимущества бесконтактных электродвигателей переменного тока в сочетании с возможностями современной силовой преобразовательной техники и микропроцессорных вычислительных средств определяют безусловную перспективность частотного электропривода, который все более интенсивно вытесняет регулируемые приводы постоянного тока. В промышленно развитых странах налажен выпуск высококачественных, компактных и надежных частотных электроприводов, находящих применение в различных устройствах, начиная от бытовой техники и заканчивая прецизионным оборудованием.

Для широкого класса механизмов необходимы электроприводы малой мощности (до 10 кВт). Бесконтактные варианты таких приводов реализуются с использованием как асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, так и синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов.

Несмотря на существенные достижения в области создания регулируемого электропривода переменного тока, требуется дальнейшее развитие методов проектирования систем частотного электропривода, определение рациональных областей применения тех или иных схемных решений, оценка влияния преобразовательных устройств, входящих в состав электропривода, на питающую сеть. На определенных этапах развития частотного привода его широкому распространению препятствовало множество проблем в области как создания преобразователей частоты, так и разработки систем управления. Возможности современных микропроцессорных устройств позволяют создавать приемлемые по многим показателям системы управления даже при реализации достаточно сложных алгоритмов. В области исследования и регулирования силовой преобразовательной части привода ряд существенных проблем сохраняется и в настоящее время.

В частотных приводах в основном используются статические преобразователи двух видов - преобразователи с непосредственной связью и преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения. В силу целого ряда обстоятельств преобразователи частоты с непосредственной связью (ГТЧНС) более приемлемы в диапазоне средних и больших мощностей, для приводов малой мощности наиболее перспективными являются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения (ПЧ ЗПН).

Среди многообразия ПЧ ЗПН наибольшее распространение получили преобразователи, выполненные по схеме «неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения» (НВ - АНН). В настоящее время освоено производство полностью управляемых вентилей (МДП, -IGBT, -биполярных транзисторов) с высокими уровнями коммутируемых напряжений, что позволяет в системе НВ - АИН избавиться от согласующего трансформатора, расположенного между питающей сетью и выпрямителем. Тем самым существенно улучшаются массогабаритные и стоимостные показатели привода. Бестрансформаторные схемы преобразователей имеют безусловно большие перспективы в современном электроприводе.

Одна из проблем использования системы НВ - АИН связана с обеспечением тормозных режимов работы привода. В данных преобразователях используются два основных способа отбора энергии от привода, работающего в тормозном режиме:

- рассеивание энергии на специальном резисторе, подключаемом к выходу выпрямителя на время торможения (резистивное торможение);

- накопление энергии в конденсаторе фильтра (конденсаторное торможение).

2. Уточнение методики определения влияния преобразователей на питающую сеть;

3. Определение основных соотношений, характеризующих систему НВ - АИН при различных сочетаниях выпрямителей и инверторов;

4. Выработка рекомендаций по использованию тех или иных вариантов системы "неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения".

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработана методика анализа процессов в преобразовательном устройстве частотно-регулируемого электропривода. Особенностью методики является представление нагрузки звена постоянного напряжения в виде источника с заданной потребляемой мощностью.

2. Разработана методика оценки влияния преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения на питающую сеть.

3. На основе разработанных методик выполнен сравнительный анализ различных вариантов преобразователей частоты, определены их рациональные схемы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Использование машинной модели, разработанной на основе методики анализа среднечастотных процессов в звене постоянного напряжения системы "неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения" упрощает анализ и проектирование частотно-регулируемого электропривода, а также позволяет учитывать влияние преобразователя частоты на питающую сеть.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в дисциплинах электротехнического направления кафедры «Робототехнические системы» ВГТУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы обсуждались на научных конференциях: «Автоматизация и роботизация технологических процессов», «Вычислительные машины, автоматика и робототехника», «Компьютерные технологии в промышленности и связи» (Воронеж, 2000, 2001, 2002, 2003); на научных семинарах кафедры «Робототехнические системы» ВГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях и материалах докладов конференций.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 61 наименования; изложена на 143 страницах, включая 88 рисунков и 18 таблиц.

4.4. Выводы

1. Система НВ - АИН может быть представлена в виде различных комбинаций схем выпрямителей, фильтров, блоков торможения, автономных инверторов напряжения и схем соединения обмоток двигателя. Анализ возможных вариантов показывает, число таких комбинаций равно 16.

2. Поиск рациональных вариантов системы НВ - АИН целесообразно проводить с учетом напряжений, требуемых для формирования фазных напряжений двигателя. Исходя из этого, количество вариантов ПЧ сократилось до четырех: НВ1-Ф1.3-БТ1-АИН1-М1.1, НВ4-Ф1.2-БТ2--АИН2-М1.2, НВ2-Ф1.1-БТ1-АИН1-М1.3, НВЗ-Ф1.1-БТ1-АИН1-М1.3.

3. Исходя из наличия или отсутствия тормозных резисторов можно выделить схемы с резистивным и конденсаторным торможением. Выполнен анализ различных вариантов схем с резистивным и конденсаторным торможением с точки зрения влияния преобразователей частоты на питающую сеть.

4. При резистивном торможении величину емкости фильтра целесообразно выбирать, исходя из обеспечения уровня пульсаций выпрямленного напряжения, примерно равного 10%. В этом случае наиболее благоприятное влияние на питающую сеть оказывает комбинация НВ1-Ф1.3-БТ1-АИН1-М1.1, включающая в себя трехфазный мостовой выпрямитель, конденсаторный фильтр емкостью не менее 100 мкФ/кВт, трехфазный мостовой АИН, подключенный к двигателю с обмоткой соединенной в звезду.

С учетом допустимых значений токов, протекающих в конденсаторах фильтров, наилучшими показателями обладают два варианта схем ПЧ: НВ1-Ф1.3-БТ1-АИН1-М1.1 и НВ4-Ф1.2-БТ2-АИН2-М1.2. Последний вариант менее предпочтителен в силу следующих недостатков: более высокий уровень пульсаций выпрямленного напряжения U%, увеличение значения емкости и количества конденсаторов в фильтре, а также протекание тока в нулевом проводе.

Систему НВЗ-Ф1.1-БТ1-АИН1-М1.3, включающую трехфазный нулевой выпрямитель и трехфазный мостовой АИН, применять нецелесообразно, поскольку ряд показателей, таких как амплитудные, средние и действующие значения тока вентилей выпрямителя, величина емкости конденсаторного фильтра С и коэффициент мощности км, значительно хуже по сравнению с показателями предыдущих вариантов ПЧ.

В некоторых ПЧ предусматривается возможность питания как от трехфазного так и однофазного напряжения.

В схемах таких ПЧ при питании от однофазного напряжения целесообразно использовать однофазную мостовую схему выпрямления, а обмотки двигателя соединять в треугольник.

Использование одинакового значения емкости конденсаторного фильтра при питании ПЧ от однофазного и трехфазного напряжения приводит, в последнем случае, к понижению коэффициента мощности ^, т.е. к увеличению потерь в питающей сети.

Для повышения коэффициента мощности ПЧ целесообразно использование переключаемого конденсаторного фильтра, состоящего из трех конденсаторов или блоков конденсаторов. При однофазном питании необходимо представить фильтр параллельным соединением трех конденсаторов, а при трехфазном - последовательным соединением двух из них.

При использовании в рассматриваемых вариантах ПЧ переключаемого фильтра, состоящего из трех конденсаторов, наилучшие параметры обнаружила система НВ - АИН, включающая в себя НВ1(НВ2)-Ф1.3(Ф1.1)-БТ1-АИН1-М1.1(М1.3). При трехфазном питании данный вариант ПЧ обеспечивает наименьшие потери в питающей сети и наименьший размах пульсаций выпрямленного напряжения. 5. При конденсаторном торможении величина емкости во многих случаях превышает значение емкости, выбранной из условия обеспечения уровня пульсаций выпрямленного напряжения, и определяется величиной энергии, выделяемой приводом в тормозном режиме работы, схемой выпрямления, а также допустимым значением напряжения схемы фильтра.

Наилучшие показатели системы НВ - АИН обнаружил первый вариант: НВ1-Ф1.3-АИН1-М1.1. Его использование обеспечивает наибольший коэффициент мощности и наименьшие амплитудные, средние и действующие значения токов вентилей выпрямителя и значения емкости фильтра.

Система НВ2-Ф1.1-АИН1-М1.3 удобно сочетается с системой НВ2-Ф1.1-БТ1-АИН1-М1.3 при реализации ПЧ с возможностью питания как от трехфазного так и однофазного напряжения, за счет отличия емкости фильтров в 2 раза.

Энергия торможения выделяемая приводом может быть невелика. В этом случае уровень пульсаций выпрямленного напряжения U% не должен составлять менее 10%.

С увеличением величины энергии торможения, т.е. увеличением величины потребляемой мощности, в фильтре целесообразно использовать конденсаторы с большим номинальным рабочим напряжением, что позволяет уменьшить величину емкости фильтра.

6. Конденсаторное торможение рационально в случае, когда величина емкости фильтра, требуемой для аккумуляции выделяемой приводом энергии, не превышает более чем в 2-3 раза значения емкости фильтра, необходимой для обеспечения резистивного торможения. В противном случае рационально использование резистивного способа торможения.

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработана машинная модель, позволяющая решать на ЭВМ дифференциальные уравнения, описывающие процессы в звене постоянного напряжения преобразователей частоты.

2. На основе созданной машинной модели разработана методика анализа процессов в преобразовательном устройстве частотно-регулируемого электропривода. В частности получены графики и уравнения, позволяющие определить мгновенные, средние и действующие значения токов и напряжений, требуемую величину емкости фильтра.

3. Разработана методика оценки влияния ПЧ ЗПН на питающую сеть. В частности получены графики, позволяющие определить коэффициент мощности при различных схемах звена постоянного напряжения.

4. Показано, что число возможных вариантов преобразовательного устройства весьма велико. На основе разработанных методик выполнен сравнительный анализ различных схем преобразователей частоты. Определены их рациональные варианты.

1. Берлин Е.М. Системы частотного управления синхронно-реактивными двигателями / Е.М. Берлин, Б.А. Егоров, В.Д. Кулик, И.С. Скосырев. Д., 1968. - 132 с.

2. Бродовский В.Н. Привода с частотно-токовым управлением / В.Н. Бродовский, Е.С. Иванов. -М., 1974. 168 с.

3. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями / А.А. Булгаков. М., 1982. - 216 с.

4. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока / А.И. Важнов. Л., 1980. - 256 с.

5. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод / A.M. Вейнгер. -М., 1985. 224 с.

6. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П.А. Воронин. М., 2001. - 384 с.

7. Глазенко Т.А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т.А. Глазенко, В.И. Хрисанов. Л., 1983. - 125 с.

8. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника / Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. М., 1988. - 320 с.

9. Денисов К. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы ANALOG DEVICES / К. Денисов, А. Ермилов, Д Карпенко // Chip News. 1997. -№7-8.-С. 18-25.

10. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью / Г.Г. Жемеров. М., 1977. - 280 с.

11. П.Козаченко В. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы ANALOG DEVICES ADMC 300/330 для высокопроизводительных систем векторногоуправления электроприводами переменного тока / В. Козаченко, А. Соловьев // Chip News. 1998. - № 5. - С. 16-21.

12. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTEL MCS-196/296 во встроенных системах управления / В.Ф. Козаченко. М., 1997. - 688 с.

13. Козаченко В.Ф. Новые микроконтроллеры фирмы TEXAS INSTRUMENT TMS 32><24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами / В.Ф. Козаченко, С.А. Грибачев // Chip News. 1998. - № 11-12. - С. 2-6.

14. Мазуха Н.А. К расчету токов звена постоянного напряжения статических преобразователей / Н.А. Мазуха, А.К. Муконин, С.С. Ревнев, А.И. Шиянов // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2002. - С. 106-110.

15. Муконин А.К. Автономный инвертор напряжения как нагрузка / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Вычислительные машины, автоматика и робототехника: Матер, науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых. -Воронеж, 2003. С. 80-85.

16. Муконин А.К. Анализ звена постоянного напряжения вентильных преобразователей / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Автоматизация и роботизация технологических процессов: Мйтер. регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2000. - С. 110-114.

17. Муконин А.К. Анализ работы звена постоянного напряжения преобразователей энергии регулируемых электроприводов / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 1999. - С. 143-148.

18. Муконин А.К. Вопросы классификации частотно-регулируемых приводов / А.К. Муконин // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2002. - С. 44-47.

19. Муконин А.К. Вопросы построения и особенности работы преобразователей частоты / А.К. Муконин, А.И. Шиянов, Н.А. Мазуха // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2002. - С. 9-16.

20. Муконин А.К. К анализу звена постоянного напряжения статических преобразователей энергии / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2001. - С. 72-80.

21. Муконин А.К. К анализу работы звена постоянного напряжения преобразователей частоты / А.К. Муконин, С.С. Ревнев, А.И. Шиянов // Автоматизация и роботизация технологических процессов: Матер, регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2002. - С. 90-93.

22. Муконин А.К. К оценке влияния нагрузки на питающую сеть / А.К. Муконин // Промышленная информатика: Сб. науч. тр. Воронеж, 2002.-С. 155-158.

23. Муконин А.К. К расчету коэффициента мощности статических преобразователей / А.К. Муконин, С.С. Ревнев, А.И. Шиянов // Промышленная информатика: Сб. науч. тр. Воронеж, 2002. - С. 139-144.

24. Муконин А.К. О выборе схем преобразователей частоты / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2000. - С. 32-40.

25. Муконин А.К. О выборе схем преобразователей частоты / А.К. Муконин, А.И. Шиянов, С.С. Ревнев, Н.А. Мазуха // Вычислительные машины, автоматика и робототехника: Матер, науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых. Воронеж, 2003. - С. 87-94.

26. Муконин А.К. О выборе схем преобразователей частоты для приводов переменного тока / А.К. Муконин, С.С. Ревнев, А.И. Шиянов //

27. Автоматизация и роботизация технологических процессов: Матер, регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2000. - С. 114-117.

28. Муконин А.К. О целесообразности применения нулевых схем выпрямления в регулируемом приводе / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 1999. - С. 113-116.

29. Муконин А.К. Оценка влияния нагрузки на питающую сеть / А.К. Муконин // Автоматизация и роботизация технологических процессов: Матер, регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2002. - С. 102-106.

30. Муконин А.К. Три варианта схем преобразователей частоты / А.К. Муконин, С.С. Ревнев // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. Воронеж, 2001. - С. 63-66.

31. Муконин А.К. Частотный электропривод с управлением нулевой составляющей тока / А.К. Муконин, В.А. Трубецкой // Автоматизация и роботизация производственных процессов: Сб. науч. тр. Воронеж, 1996. - С. 69-74.

32. Полупроводниковые выпрямители / Е.И. Беркович, В.Н. Ковалев, Ф.И. Ковалев и др. М., 1978. - 448 с.

33. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы / Ш.М. Размадзе. М., 1967. - 527 с.

34. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. Д., 1987.- 136 с.

35. Сандлер А.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов. -М., 1974. -318 с.

36. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский, J1. X. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. М., 1983. - 256 с.

37. Славик И. Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей / И. Славик. М., 1989. - 222 с.

38. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др. М., 1983. - 576 с.

39. Триол. Каталог продукции и применений. М., 1998. - 264 с.

40. Трубецкой В.А. Исследование и разработка асинхронных частотных электроприводов с управляемыми координатами вектора тока статора: Дис. канд. техн. наук / В.А. Трубецкой. Воронеж, 1998.- 142 с.

41. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков и др. М., 1990. 576 с.

42. Холявин А.В. Повышение надежности электроприводов с транзисторными преобразователями частоты / А.В. Холявин, JI.H. Коноплев, В.Ф. Кубасов // Автоматизированный электропривод. -М., 1990. -С. 351-354.

43. Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника» / И.М. Чиженко, B.C. Руденко, В.И. Сенько. М., 1974. - 430.

44. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода / М.Г. Чиликин, В.И. Ключев, А.С. Сандлер. М., 1979. - 515 с.

45. Шиянов А.И. Электропривод для перегрузочных роботов АЭС / А.И. Шиянов, А.К. Муконин, В.А. Трубецкой, А.П. Харченко // Материалы VI н/т конференции «Робототехника для экстремальных условий». СПб., 1996. -С. 48-54.

46. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами / Р.Т. Шрейнер, Ю.А. Дмитриенко. Кишинев, 1982. -224 с.

47. Электропривод асинхронный глубоко регулируемый комплектный. Размер 2М-5-2. Каталог JIK 08.18.06 82. - М., 1982. - 4 с.

48. Электротехнический справочник. Использование электрической энергии / Под ред. И.Н. Орлова. В 3 т. 1988. - Т. 3: В 2 кн. Кн. 2. - 616 с.

49. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока / И.И. Эпштейн. М., 1982. - 192 с.

50. Эфендизаде А.А. Теория регулируемого асинхронного электропривода / А.А. Эфендизаде. Баку, 1955. - 188 с.

51. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientirung, die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen / F. Blaschke // Siemens. Z. 1971, Bd 45. N10. S 757-760.

52. Bradac V. Statick m nice kmitoctu pro regulaci otacek asynchronich motoru / V. Bradac // Techn. elek. stoju. 1989. - 34, N 3-4. - C. 39-41.

53. Drehrichtungsumkehr bei vollem Lauf// AGT Dok. 1990. -19, N4. -S. 34.

54. ELFA catalogue 49. (http//www.elfa.se).

55. Floter W. Die Transvektor-Regelung fur den feldorientierten Betriev einer Asynchronmaschine / W. Floter, H. Ripperger // Siemens. Z. 1971, Bd 45. N10. S 761-764.

56. Frequenszumricher bis 250W // F + H: Fordern und Heben. 1989. -39, N5.-S.495.

57. Frequenszumricher fur Drehzahlverstellung // DE: Elektromeister + Dentsches Elektrohandwerk. 1989. - 64, N14. - S. 1044.

58. Fur kleine Leistungen // AGT Dok. 1989. -18, N3. -S. 23.

59. Hentschel E. Nransistorpulsumruchter fur kleine Antiebsleistungen / E. Hentschel, K. Menke // Siemens Energ. und Automat. 1989. - 11, N2. - S. 28-29.

60. Hoskovec О. M nic kmitoctu pro r zen otacek motoru nakratko mal ho vykonu // O. Hoskovec, J. Krai // Elektrotechnik. 1988. - 43, N9. -C. 262-265.