автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование векторных систем управления асинхронными электроприводами с автономными инверторами тока с релейным регулированием

На правах рукописи

Абросимов Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С АВТОНОМНЫМИ ИНВЕРТОРАМИ ТОКА С РЕЛЕЙНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 В МАП 2013

Липецк-2013

005059261

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

фащиленко Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий»;

Соболев Александр Иванович, кандидат технических наук, ОАО «Чер-метавтоматика», генеральный директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «31» мая 2013 года в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ТТТИМ-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 ТИО„ = 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 БтиНпк. 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 H.H. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертационной работе научно-технические проблемы и цели, обоснована актуальность, показаны новизна и практическая значимость работы, выделены основные защищаемые положения.

В первой главе проведен обзор современного состояния и направлений развития современных систем частотного асинхронного электропривода переменного тока, приведена классификация способов частотного управления. Предложенная классификация отражает основные отличия в методах управления и показывает направление их постоянного развития. Проведен сравнительный анализ основных методов управления, приведены их достоинства и недостатки. Рассмотрены различные типы преобразователей частоты, таких как: непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), автономный инвертор напряжения (АИН), автономный инвертор тока (АИТ).

Выявлено, что одними из все более важных факторов при внедрении новых систем регулируемого электропривода переменного тока являются повышение энергоэффективности и повышение качества питающего напряжения асинхронного двигателя с достижением высокой точности регулирования и жесткости механических характеристик. Существующие системы на базе стандартных инверторов напряжения не обеспечивают синусоидальную форму напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя, что приводит к множеству негативных последствий. Поставлена задача создания систем электропривода, которые могут обеспечивать высокую точность регулирования, жесткость механических характеристик и форму питающего напряжения, близкую к синусоидальной. Таким образом, перспективным направлением разработок является создания систем электропривода на базе автономного инвертора тока с улучшенными характеристиками, выполненных на распространенной элементной базе.

Выполненный анализ позволил сформировать следующие задачи исследования:

— разработка векторных систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и релейным регулятором напряжения;

— разработка математических моделей предлагаемых систем управления электроприводом;

— сравнительный анализ предложенных систем управления асинхронным электроприводом;

— анализ установившихся режимов работы предлагаемых асинхронных электроприводов;

— анализ переходных процессов предложенных векторных систем управления;

— разработка принципа оптимизации работы ключей автономного инвертора тока при управлении от релейного регулятора;

— оценка эффективности предложенных систем управления применительно к электроприводу рабочих валков дрессировочного стана цеха ПХ1111 ОАО «НЛМК».

Во второй главе проведено исследование свойств асинхронного двигателя математическими методами. Представлены математические модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в естественной системе координат А, В, С и во вращающейся системе координат (1, q, которые отражают все процессы, протекающие в АД. Уравнения двигателя в осях (1, q имеют вид приведенный в системе (1).

где иы, и1[( и и2(1, и2ч — проекции векторов напряжений статора и ротора на ортогональные оси ¡,ч и ¡2(], ¡2ч- проекции векторов токов статора и

ротора на ортогональные оси с1-ч}; и Ч/2(1, Ч/2[] - проекции потокос-

цеплений статора и ротора на ортогональные оси (1-^; г,, г2 — активные сопро-

(О

тивления фазных обмоток статора и ротора; со2 - частота вращения ротора двигателя; Lm - взаимная индуктивность, учитывающая магнитную связь одной фазы статора с тремя обмотками ротора и соответственно одной обмотки ротора с тремя обмотками статора; L, =Lm + L15 - индуктивность обмотки статора, учитывающая магнитную связь с двумя другими фазными обмотками статора; L2 = Lm + L25 - индуктивность обмотки ротора, учитывающая магнитную связь с двумя другими фазными обмотками ротора; L1S, L25 - индуктивности рассеяния фазных обмоток статора и ротора соответственно.

Приведено математическое описание релейного принципа формирования напряжения и тока на обмотке двигателя питающегося от ПЧ на базе АИТ. Уравнения описывающие принцип релейного регулирования приведены в системе уравнений 2:

QA = 1, если Д11А > h/2; QA = 0, если Д11А < h/2;

■ QB = 1, если Д1Ш > h/2; QB = 0, если Д1ш < h/2;

Qc = 1, если Д11С > h/2; Qc = 0, если Д11С < h/2;

Qa = 1, если Ди1А > h/2; QA = 0, если Ди1А < h/2;

J QB = 1, если Ди1В > h/2; QB = 0, если Ди,в < h/2;

Qc = 1, если Ди1С > h/2; Qc = 0, если Ди1С < h/2,

где Д1,а,Д11Ь,Д11о - разница мгновенных значений между заданным и действующим током статора соответственно фаз А ,В ,С; Ди,А, Ди1В, Ди1С — разница мгновенных значений между заданным и действующим напряжением статора соответственно фаз А, В, С; h — модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания тока статора и устойчивости работы системы регулирования; Qa,Qb,Qc — состояние выходов релейного регулятора тока или напряжения в зависимости от системы регулирования. На основе предложенного математического описания разработаны алгоритм работы релейных регуляторов тока и напряжения.

На следующем этапе предложено математическое описание векторной системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с формированием задания на ток обмотки статора, учитывающее влияние релейного регулятора тока. На рисунке 1 а представлена функциональная схема системы векторно-токового управления.

На следующем этапе предложено математическое описание векторной системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного ин-

вертора тока с формированием задания на напряжение обмотки статора, учитывающее влияние релейного регулятора напряжения. На рисунке 16 представлена функциональная схема системы векторного управления по напряжению, отличающаяся от схемы векторно-токового управления применением дополнительных регуляторов тока и блока коррекции ЭДС. Регулятор тока и блок коррекции ЭДС построен на основании уравнений (3):

им = -Еи + (Я, + к&')1и + стЬ, ^, и,, = Е„ + (Я, + к^Х + сЬ, %. (3)

Рисунок 1 - Функциональная схема системы векторного управления по мгновенному значению а) - тока; б) - напряжения

В третьей главе разработаны схемы АИТ на базе IGCT тиристоров управляемых релейными регуляторами тока и напряжения. Способ частотного управления АД с АИТ и РРН защищен патентом на изобретение [11]. Устройство реализующее способ приведено на рисунке 2. Проведенные исследования показывают, что предложенные схемы управления на базе релейного регулирования позволяют достичь формы напряжения и тока на зажимах обмотки статора близкие к синусоидальной (рисунок 3). Особенностью работы автономного инвертора тока является необходимость непрерывного протекания тока нагрузки. При работе релейного регулятора возможна ситуация когда ток нагрузки не протекает через АИТ в случае, если замкнуты одновременно 3 ключа анодной или катодной групп инвертора. Разработан алгоритм оптимизации работы ключей, обеспечивающий непрерывность протекания тока нагрузки (рисунок 4).

На следующем этапе исследования разработаны модели векторных систем управления асинхронным электроприводом на базе управляемого выпрямителя, автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и с релейным регулятором напряжения. Управление инвертором производится путем формирования управляющих сигналов релейным регулятором тока, на вход которого поступает задание на ток или напряжение в виде:

С =|l*|-sin(c'Vt); i|b = |l*I -sinCco* -1-2те/3); = |l*I ■ sin(co* • t + 2тс/3);

• I (4)

uia =|u;|-sin(ovt); u;b = jU,'J• sin(coJ• t-2л/3); u^ = |u*|-sin(co|-t + 27t/3).

Кроме того исследования показали, что при работе автономного инвертора тока возникают ситуации, когда высокая частота коммутации ключей одной фазы инвертора приводит к дефициту реактивного тока и возникают незначительные провалы в форме тока для релейного регулятора тока и форме напряжения для релейного регулятора напряжения. Применение дополнительных отсекающих диодов и конденсаторных батарей малой емкости в силовой части АИТ позволяет компенсировать дефицит реактивного тока. На рисунке 5 показаны графики переходных процессов при пуске АД с последующим набросом нагрузки при векторной системе управления с РРТ. В работе также приведен сравнительный анализ предложенных систем управления по критерию частоты коммутации ключей от нагрузки на валу, емкости коммутирующих конденсаторов, точности формирования регулируемого параметра. Полученные результаты показывают общий характер зависимостей при применении РРТ и РРН. Однако, при использовании РРН частота коммутации ключей АИТ выше, чем при применении РРТ. Проведен анализ предложенных систем управления на базе автономного инвертора тока с релейным регулированием. Полученные результаты сравнительных характеристик гармонического состава напряжений и

токов сведены в таблицу 1, по которым видно, что предлагаемые системы управления имеют лучший гармонический состав.

Рисунок 2 - Структурная схема АИТ с РРН фаз

8 10t,MC

4 6 8 10 t,Mc и 2 4 6 8 1(Н,мс в) г)

Рисунок 3 — Формы мгновенных значений напряжения и тока: а — напряжение при РРН; б — ток при РРН; в - напряжение при РРТ; г — ток при РРТ

Рисунок 4 - Алгоритм оптимизации работы ключей АИТ

Рисунок 5 - Графики переходных процессов при разгоне до номинальной скорости с последующим набросом нагрузки при частоте коммутаций 3-5 кГц: а - скорости и момента; б - тока и потокосцепления; в - напряжения; г - динамическая

характеристика

Таблица 1 - Результаты расчета THDu в различных режимах работы

частота, Гц нагрузка, о.е. точность Д,% THDu-PPT THDu-PPH

20 0 2 3.5 2.94

5 5.31 4.47

8 10.12 9.51

10 15.07 14.23

0.5 2 5.53 4.91

5 6.93 6.51

8 12.03 11.73

10 17.15 16.35

1 2 5.51 4.86

5 6.99 6.33

8 12.13 11.87

10 17.19 16.66

50 0 2 6.5 5.94

5 7.31 6.47

8 11.12 10.51

10 17.07 16.23

0.5 2 6.71 6.14

5 7.38 7.07

8 13.12 12.51

10 17.27 16.43

1 2 6.71 6.14

5 7.38 7.07

8 13.12 12.51

10 17.27 16.43

Применение релейного регулятора напряжения позволяет достичь лучшего качества напряжения по сравнению с релейным регулятором тока, но при этом частота коммутации ключей для АИТ с РРН выше. Проведенные исследования показывают, что для построения векторных систем управления более целесообразно использовать схему управления на базе РРТ. Схема управления на базе РРН может использоваться в скалярных системах управления, т.к. управляющими сигналами скалярного регулирования являются амплитуда и частота напряжения.

В четвертой главе была предложена схема адаптации частотного электропривода на базе АИТ с РРТ для использования на дрессировочном стане ПХПП ОАО «НЛМК». Для создания такой схемы были проанализированы Технологические требования к электроприводу рабочих валков дрессировочного стана ПХПП ОАО «НЛМК», который является реверсивным и предъявляются высо-

кие требования к точности регулирования, поэтому применение векторной системы управления необходимо для данного привода.

В процессе исследования была также проанализирована существующая схема электроснабжения и предложена схема, адаптированная к существующей, которая не требует существенного изменения существующей схемы. Кроме того проанализирована существующая схема автоматизации электропривода рабочих валков дрессировочного стана и предложена адаптированная к существующей схема автоматизации. Установлено, что не требуется значительного изменения верхних уровней существующей структуры автоматизации.

Проведено математическое моделирование переходных процессов электродвигателя рабочих валков, управляемого векторной системой управления на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока. Также произведена оценка возможности рекуперации энергии в сеть. Полученные графики переходных процессов показывают, что разработанная система управления обеспечивает высокую точность регулирования, жесткость механических характеристик с достижением формы кривой напряжения, близкой к синусоидальной и подтверждают устойчивость системы в статическом режиме.

На следующем этапе проведен анализ динамических и энергетических показателей предложенной системы управления, который показывает, что при рекуперации энергии в сеть коэффициент нелинейных искажений ТНЕ>и достигает 35 %. Применение дополнительного сетевого фильтра позволяет улучшить качество электроэнергии при рекуперации ее в сеть на 20-25%. Возможность рекуперации электроэнергии в сеть без применения дополнительных блоков значительно улучшает энергоэффективность всей системы по отношению к системам управления асинхронным электроприводом на базе АИН в которой энергия рекуперации гасится на тормозном сопротивлении, увеличивая при этом тепловые потери.

Для экспериментального подтверждения результатов, полученных посредством компьютерного моделирования, была разработана лабораторная установка на базе контролера ТМ8320 Р2812, которая реализует схему трехфазного инвертора на ЮВТ транзисторах с релейным регулятором тока. Результатами эксперимента являются графики тока инвертора при пуске и графики тока инвертора в статике. Полученные зависимости соотносятся с результатами математического моделирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований была решена актуальная задача, заключающаяся в разработке систем векторного частотного управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения. Системы управления обеспечивают формы напряжения и тока на обмотках статора электродвигателя близкие к синусоидальной и позволяют достичь высокую точность регулирования и жесткость механических характеристик.

Основные результаты, полученные в диссертации, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработаны векторные системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и релейным регулятором напряжения, которые обеспечивают высокие качества напряжения и тока на зажимах обмотки статора, характеризующиеся коэффициентом несинусоидальности ТНЕ)и равным 5-10 % во всех режимах работы с достижением высокой жесткости механических характеристик и точности регулирования.

2. Разработаны математические модели предложенных систем управления асинхронным электроприводом, которые стали основой для проведения исследований систем векторного управления электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока во всех режимах работы, учитывающие элементы релейного регулирования и позволяющие получить графики переходных процессов.

3. Проведен сравнительный анализ предложенных систем управления асинхронным электроприводом. Предпочтение" отдано векторной системе управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока, т.к. имеет меньшую частоту коммутации ключей 3-5 кГц автономного инвертора тока при одинаковой емкости выходного фильтра (С = 17 мФ) и точности поддержания регулируемого параметра (5%). Частота коммутации ключей АИТ с РРН при этом составляет 6-10 кГц в зависимости от режима работа.

4. Предложенные системы управления в установившихся режимах работы обеспечивают заданную точность регулирования, высокую жесткость механических характеристик, устойчивость работы и близкие к синусоидальной фор-

мы напряжения и тока на зажимах обмотки статора, характеризующиеся коэффициентом нелинейных искажений THD равным 3-5 %.

5. Проведен анализ переходных процессов предложенных систем векторного управления, который показывает, что они обеспечивают постоянство пускового момента независимо от изменения нагрузки на валу от 0 до 100 % номинального момента в пределах требуемого диапазона регулирования скорости 1:10.

6. Разработан принцип оптимизации работы ключей автономного инвертора тока при управлении от релейного регулятора. Предложенный принцип управления обеспечивает постоянное сохранение цепи через нагрузку АИТ.

7. Проведена оценка эффективности системы векторно-токового управления с релейным регулятором тока применительно к электроприводу рабочих валков дрессировочного стана цеха ПХПП ОАО «НЛМК». Предложенная система управления отвечает требованиям, предъявляемым к электроприводу, обеспечивает близкие к синусоидальным формы напряжения и тока на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя в режимах потребления и рекуперации электроэнергии в сеть.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков, В. Н. Анализ систем управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и релейными регуляторами напряжения со сглаживающим емкостным фильтром / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Электротехнические комплексы и системы управления. — Воронеж, ВГТУ. — 2011. — №3. — С. 64-68.

2. Мещеряков, В. Н. Векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Электротехнические комплексы и системы управления. — Воронеж, ВГТУ. — 2012.— №4. — С. 61-65.

3. Мещеряков, В. Н. Системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика: ФГБОУ ВПО «Южно—Российский государственный технический университет» — Новочеркасск, ЮРГТУ. - 2012. - №4. - С. 53-57.

4. Мещеряков, В. Н. Векторная система управления электроприводом с ПЧ на базе АИТ с РРТ / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Управление большими системами: материалы IX Всероссийской школы-конференции мо-

лодых ученых. Том 2/ Липецкий государственный технический университет. -Тамбов-Липецк: Изд-во Першина Р.В. -2012. - С. 156-159.

5. Мещеряков, В. Н. Системы скалярного и векторного управления частотными электроприводами с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. М. Башлыков, А. С. Абросимов, О. В. Мещерякова, М. М. Лосихин // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново. - 2012. -С. 37-41.

6. Мещеряков, В. Н. Система управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами напряжения / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энерго— и ресурсосбережение XXI век: сборник материалов IX — ой Международной научно—практической интернет конференции: ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». - Орел: Изд-во: ООО ПФ «Картуш» - 2011. - С. 245-248.

7. Мещеряков, В. Н. Векторная система управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энерго- и ресурсосбережение XXI век: сборник материалов X — ой Международной научно—практической интернет конференции: ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». - Орел: Госуниверситет-УНПК - 2012. - С. 82-84.

8. Мещеряков, В. Н. Системы управления асинхронным электроприводом, обеспечивающие высокое качество напряжения питающей сети / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сборник статей III Международной научно-практической интернет конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний-2012. -С. 49-51.

9. Мещеряков, В. Н. Повышение качества питающего напряжения приводов с преобразователями частоты на базе инверторов тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Энергетика и энергоэффективные технологии: сборник докладов IV международной научно-практической. - Липецк: ЛГТУ - 2010. -С. 49-51.

10. Мещеряков, В. Н. Системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока / В. Н. Мещеряков, А. С. Абросимов // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» XVI Бенардосовские

чтения. Том 3: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». — Иваново. — 2011. - С. 92-95.

11. Пат. 2456742 Российская Федерация, МПК Н02Р25/02, Н02Р27/04, Н02Р27/06. Способ управления электроприводом переменного тока/ Мещеряков В.Н., Безденежных Д. В., Башлыков A.M., Абросимов A.C. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2011114789/07; заявл. 14.04.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. №20. - 9 с.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] проведен сравнительный анализ систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и напряжения; в [2] предложена схема векторной системы управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока, проведено математическое моделирование переходных процессов; в [3] разработаны схемы систем управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока; в [4] построены векторные диаграммы векторной системы управления на базе АИТ с РРТ; в [5] проведен сравнительный анализ систем скаляроного и векторного управления частотными электроприводами с релейным регулятором тока; в [6] проведен анализ энергетической эффективности системы управления на базе АИТ с РРН; в [7] проведен анализ энергетической эффективности векторной системы управления на базе АИТ с РРТ; в [8] предложены схемы, позволяющие повысить качество напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя; в [9] разработан метод повышения качества питающего напряжения в электроприводах на базе автономного инвертора тока; в [10] разработаны системы управления автономным инвертором тока; в [11] предложен способ управления асинхронным электроприводом на базе АИТ с релейным регулированием.

Подписано в печать 16.04.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Ризография. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 130 экз. Заказ № 261. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

042 СИ 358352 Абросимов Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С АВТОНОМНЫМИ ИНВЕРТОРАМИ ТОКА С РЕЛЕЙНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В. Н. Мещеряков

Липецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНЫМ И ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ...........................8

1.1 Обзор структур преобразователей частоты используемых в настоящее время.........................................................................................................................8

1.2 Сравнительный анализ преобразователей частоты на базе АИН и преобразователей частоты на базе АИТ.........................................................................12

1.3 Классификация способов частотного регулирования асинхронным электроприводом ............................................................................................................17

Выводы...........................................................................................................................30

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ............................30

2.1 Математические модели асинхронного двигателя..............................................30

2.2 Математическое описание инвертора тока на полностью управляемых ключах и управляемого тиристорного выпрямителя..........................................38

2.3 Описание релейного принципа формирования напряжения и тока на обмотке двигателя, питающегося от ПЧ на базе АИТ............................................42

2.4 Математическое описание векторных систем управления.................................53

Выводы...........................................................................................................................69

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА БАЗЕ

АИТ С РЕЛЕЙНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ...........................................................70

3.1 Разработка принципиальной схемы частотного векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором на базе инвертора тока с релейным регулятором тока......................................................................70

3.2 Разработка принципиальной схемы частотного векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором на базе инвертора тока с релейным регулятором напряжения..........................................................82

3.3 Оптимизация конструкции инвертора тока с РРТ и РРН ................................ 90

3.4 Сравнительный анализ предложенных систем векторного управления ........ 96

Выводы.........................................................................................................................104

4 АДАПТАЦИЯ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АИТ С РРТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ДРЕССИРОВОЧНОМ СТАНЕ ПХПП ОАО «НЛМК»..........................................................................................................105

4.1 Описание технологического процесса. Формулирование требований к системе управления..............................................................................................105

4.2 Разработка системы автоматизации и управления дрессировочным

станом....................................................................................................................111

4.3 Векторно-токовое управление двухдвигательным электроприводом дрессировочного стана.........................................................................................115

4.4 Исследование динамических и энергетических показателей предложенной системы управления...............................................................................128

Выводы.........................................................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................133

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Модель асинхронного электропривода на базе АИТ с РРТ

с векторным управлением..........................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Модель асинхронного электропривода на базе АИТ с РРН

с векторным управлением..........................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Графики переходных процессов при векторном управлении асинхронным электроприводом на базе АИТ с РРН........................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Описание технологического процесса дрессировочного

стана ПХПП ОАО «НЛМК».......................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Технические данные асинхронного двигателя с коротко-

замкнутым ротором типа 1LA8407 Siemens и расчет параметров обмоток.........162

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Методика расчета емкости коммутирующих конденсаторов и индуктивности сглаживающего реактора.......................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Реализация лабораторной установки на базе контроллера

TMS320 F2812..............................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Расчет ожидаемого экономического эффекта..........................183

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Акты об использовании результатов диссертации..................187

У

ВВЕДЕНИЕ

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 мгновенные значения тока или напряжения

г

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 качества 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:

- предложены системы управления обеспечивают высокие показатели качества электроэнергии на выходе инвертора, характеризующиеся низким коэффициентом несинусоидальности напряжения ТНБи = 2...10% в различных режимах работы;

- предложены системы управления асинхронным электроприводом позволяют расширить область применения преобразователей частоты на базе авто-

$

номных инверторов тока, которые обеспечивают высокие качества электроэнергии на выходе преобразователя.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования являлась векторная система управления асинхронным электроприводом на базе автономного инвертора тока. 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 БтиНпк.

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 автоматика 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 10 приложений. Общий объем работы - 189 страниц. Основная часть изложена на 144 страницах текста, содержит 69 рисунков, 6 таблиц.

1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЧАСТОТНЫМ И ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ

1.1 Обзор структур преобразователей частоты используемых в настоящее время

Очевидной является тенденция непрерывного замещения нерегулируемого электропривода общепромышленных механизмов (конвейеры, компрессоры, вентиляторы, транспортеры, дымососы и т.д.) регулируемым [1]. К основным достоинствам регулируемого электропривода можно отнести следующие показатели: уменьшение энергопотребления конвейеров и транспортеров на 20-30 %, и до 50 % для вентиляторов насосов, увеличение межремонтного срока службы за счет снижения динамических нагрузок, повышение качества получаемой продукции. Долгое время его широкое применение в промышленности сдерживалось отсутствием требуемой элементной базы.

Необходимость регулирования в технологических процессах стала причиной изучения и разработки различных систем электропривода. Наибольшее внимание отдается разработке и созданию регулируемых электроприводов с двигателями переменного тока [2, 3, 4]. При этом основной задачей является создание систем электропривода не уступающих по качеству регулирования приводам постоянного тока. До последнего времени исследование систем электропривода переменного тока было затруднено неглубоким изучением двигателей переменного тока, применяемых в системах автоматического регулирования и малым развитием силовой и интеллектуальной полупроводниковой элементной базы [5, 6, 7, 8]. Развитие частотного управления на основе регулирования частоты питающего напряжения является одним из основных направлений развития современного электропривода [9, 10, 11]. На данном этапе развития электропривода разработано множество системм управления асинхронными двигателями (АД), отличающиеся своими принципами работы и достигаемыми механическими характеристиками [12, 13, 14]. Выбор в пользу той или иной системы приходится соотносить с тре-

бованиями к технологическому процессу, к быстродействию, к качеству регулирования параметров электропривода [15,16, 17]. Также важной характеристикой электропривода является его энергетический показатель [18, 19].

Регулируемый автоматизированный электропривод — сложная взаимозависимая система, которая описывается системами алгебраических, разностных и дифференциальных уравнений [20, 21]. Широко используемый регулируемый асинхронный электропривод состоит из следующих основных частей:

- асинхронного двигателя, выбранного по критериям надежности, массога-баритным размерам, стоимостным и энергетическим показателям;

- преобразователя частоты на полностью управляемых ключах;

- системы управления на базе микропроцессорной техники с возможностью прямого регулирования выходных координат, реализации законов ШИМ - управления, обмена данными с другими вспомогательными электропривода, самодиагностики и защиты;

- датчиков, контролирующих механические, энергетические и технологические параметры регулирования, необходимых для достижения требуемой точности регулирования в замкнутой системе.

В 80-е годы произошли значительные изменения: появилось понимание в необходимости применения регулируемого электропривода, которое стало причиной разработки новых, современных элементов и технических устройств - силовых полностью управляемых полупроводниковых ключей (транзисторов) и систем управления ими, которое стало экономически оправдано. Развитие силовых полупроводниковых элементов и интеллектуальных систем электронного управления, большие капиталовложения в эту сферу по всему миру привели к революционным изменения, главным образом в широко используемом асинхронном электроприводе. В результате стали доступны высокоэффективные преобразователи частоты (ПЧ) для работы с асинхронными электродвигателями с коротко-замкнутым ротором промышленного исполнения.

.Первые прототипы асинхронного электропривода с частотным управлением были построены на полностью управляемых тиристорах с ёмкостными

схемами коммутации [22]. Преобразователи частоты в таких частотно-управляемых электроприводах были построены по схеме тиристорный управляемый выпрямитель — индуктивный либо емкостной накопитель энергии — инвертор. Применение ёмкостного накопителя энергии (конденсатора значительной ёмкости) приводило к тому, что инвертор формировал на выходе напряжение прямоугольной формы, �