автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка устройств плавного пуска асинхронных электродвигателей на основе алгоритма векторно-импульсного управления

На правах рукописи

КОНЬКОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМА ВЕКТОРНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

Магнитогорск, 2011

005004758

Работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода и меха-троники ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова"

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент БАСКОВ Сергей Николаевич

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Сарваров Анвар Сабулханович

кандидат технических наук Юдин Андрей Юрьевич

Ведущая организация -

ОАО "Уральская Сталь", г. Новотроицк

Защита состоится "27" декабря 2011 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д.38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова".

Автореферат разослан "26" ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Как известно, пуск асинхронных электродвигателей (АД) прямым подключением к сети имеет несколько серьезных недостатков. При питании от автономных генераторов или электрических сетей ограниченной мощности, особенно в конце линии электропередачи, падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и этой линии при протекании больших пусковых токов приводит к просадке напряжения в сети, что отрицательно сказывается на работе другого подключенного к ней оборудования (компьютеры, связь, терминалы релейной защиты и др.), а сам двигатель может не запуститься из-за снижения пускового момента пропорционально квадрату просадки напряжения. Кроме того, значительные пусковые токи могут привести к срабатыванию защитной аппаратуры, отключению от электропитания и остановке технологических агрегатов. Прямой пуск асинхронного электродвигателя сопровождается 68 кратным броском пускового тока, что связано со значительными усилиями, действующими на проводники, расположенные в лобовых частях обмотки электродвигателя. Это приводит к постепенному нарушению (перетиранию) изоляции и преждевременному выходу двигателя из строя по причине короткого замыкания витков обмотки. В связи с этим асинхронные двигатели допускают ограниченное число пусков за период эксплуатации. Отрицательное влияние на механические передачи технологических агрегатов связано с тем, что в течение 15...20% времени разгона электродвигателя электромагнитный момент содержит вынужденную и свободную составляющие в виде знакопеременного момента с амплитудой, зависящей от начальных электромагнитных условий в момент пуска. В самом неблагоприятном случае ударный электромагнитный момент может в 3-4 раза превысить критический момент двигателя и в 7-10 раз - номинальный момент. Пиковые моменты переменного знака приводят к постепенному увеличению зазоров в механических соединениях между двигателем и механизмом, а в ряде случаев вредно сказываются и на технологическом процессе, где такие механические нагрузки недопустимы (например, конвейеры в которых происходит вытягивание ленты, вентиляторы и смесители при существовании опасности деформирования лопастей, системы транспортировки развешанных, уложенных или хрупких материалов при возможности их раскачивания, падения или рассыпания).

Основным, способом плавного пуска асинхронных двигателей, получившим широкое распространение благодаря относительно низким затратам на реализацию, является использование тиристорного регулятора напряжения. За счет плавного повышения напряжения в значительной степени снижаются броски пускового тока и уменьшается свободная составляющая момента. Основным недостатком этого способа пуска является значительное снижение пускового момента, что не позволяет использовать его не только для механизмов с активной и реактивной нагрузкой, но в ряде случаев и для механизмов с вентиляторной нагрузкой. Кроме того, использование тиристорного регулятора напряжения обуславливает ухудшение энергетических характеристик, таких как потери энергии, коэффициент мощности и гармонический состав токов и напряжений.

Увеличение пускового момента (при отсутствии бросков тока) и улучшение энергетических характеристик устройств плавного пуска являются приоритетными задачами для асинхронного электропривода. Для решения этих задач большой интерес представляет векторно-импульсный способ пуска, заключающийся в том, что статор двигателя подключают к сети импульсно, когда вектора потокосце-плений ротора и статора занимают в пространстве определенное взаимное положение. Подробные исследования этого способа, позволяющие реализовать его на

практике, не проводились. Поэтому задача решения проблемы плавного пуска мощных асинхронных двигателей простыми техническими средствами, на основе способа векторно-импульсного управления, поставленная в диссертационной работе, является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка конкурентоспособных асинхронных электроприводов на основе векторно-импульсного способа управления, обеспечивающих плавный пуск с регулируемым ограничением тока, отличающихся повышенным пусковым моментом и улучшенными энергетическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

- исследование существующих способов плавного пуска асинхронных электродвигателей и особенностей векторно-импульсного способа пуска;

- разработка математической модели асинхронного двигателя в режиме векторно-импульсного управления, исследование динамических режимов пуска методами математического моделирования;

- определение алгоритма подключения статора к сети для получения электромагнитного момента требуемой величины и знака;

- разработка принципов построения и вариантов реализации системы управления пуском асинхронного двигателя на основе векторно-импульсного алгоритма;

. - проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы электропривода.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчисления, методов I структурного моделирования. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования 31МШЫК математического пакета МАНАВ [32007Ь. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях на специально созданной экспериментальной установке путем прямого осциллографирования основных параметров с после-■ дующей их обработкой.

Научная новизна разработок заключается в разработке устройства плавного пуска с принципиально новой системой управления, реализующей векторно-импульсный способ пуска.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные зависимости и способы управления координатами асинхронного электродвигателя при векторно-импульсном управлении.

Предложено математическое описание, разработаны структурные схемы и создан программный продукт для моделирования работы асинхронного электродвигателя в режиме векторно-импульсного пуска.

Разработана система управления, обеспечивающая определение положения вектора потокосцепления ротора и подключение обмоток статора к сети в требуемые моменты времени в режиме широтно-импульсной модуляции, за счет чего обеспечивается положительный электромагнитный момент и ограничение тока статора на заданном уровне.

Теоретически и экспериментально доказано, что предложенная система управления обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя, причем среднее значение электромагнитного момента двигателя при ограничении пускового тока на уровне 2.5 - 3.5 от номинального больше, чем при пуске от тиристорного регулятора напряжения. При этом обеспечиваются значительно меньшие потери энер-

гии и меньшая величина коэффициента несинусоидальности тока статора.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

- разработано устройство плавного пуска асинхронных электродвигателей, обеспечивающее больший пусковой момент, чем у традиционных устройств на основе тиристорного регулятора напряжения, регулируемое ограничением тока и улучшенные энергетические характеристики. Простота предложенной силовой схемы позволяет реализовывать малогабаритные и недорогие устройства плавного пуска, в том числе и для высоковольтных асинхронных двигателей;

- разработанная система автоматизированного электропривода опробована на лабораторной установке. Экспериментально доказана возможность осуществления плавного пуска асинхронного двигателя по предложенному алгоритму.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, применением классических методов теории электропривода и теории автоматического управления, практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанной системы электропривода.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Алгоритм подключения статора асинхронного двигателя к сети, сочетающий принцип векторно-импульсного управления с широтно-импульсной модуляцией фазных напряжений статора, и обеспечивающий получение электромагнитного момента требуемой величины и знака.

2. Алгоритм определения положения вектора потокосцепления ротора асинхронного двигателя по величинам фазных ЭДС статора, наводимых магнитным полем ротора в моменты отключения статора от сети.

3. Принципы построения системы управления пуском асинхронного двигателя, работающей по алгоритму векторно-импульсного управления с широтно-импульсной модуляцией.

4. Математическая модель системы векторно-импульсного управления, учитывающая условия коммутации управляющих элементов силовых ключей.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного устройства плавного пуска.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (г. Тула), на международной конференции The IEEE Region 8 SIBIRCON 2010, International Confe-rens on "Computational Technologies in Electrical Engineering" (г. Красноярск), на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, 2009 г.); на межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов «Наука и производство Урала» (г. Ново-троицк, 2009-2011 г.г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники (г. Магнитогорск, 2009-2011 г.г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 51 наименования. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, в том числе 81 рисунок и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе проведен анализ электромагнитных переходных процессов, возникающих при пуске асинхронных двигателей. Так как подобный анализ является достаточно сложной задачей, для его проведения потребовалось составить математическую модель асинхронного двигателя в векторной форме, основаную на уравнениях обобщенной электрической машины (уравнениях Парка-Горева) с учетом особенностей, накладываемых векторно-импульсным режимом пуска. Проведена проверка адекватности математической модели путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными осциллограммами прямого пуска асинхронного двигателя 4А1001-4УЗ (4 кВт, 1430 об/мин) без нагрузки.

Известно, что величина и знак электромагнитного момента определяются произведением вектора потокоцепления статора Ч'1 и сопряженного вектора пото-

косцепления ротора Ч^, то есть зависят от величины этих векторов и угла между

ними. Для получения информации о положении векторов потокосцеплений статора и ротора, с помощью разработанной математической модели были вычислены величина и положение этих векторов при холостом пуске АД. На рис. 1 представлен график изменения угла между векторами потокосцеплений ротора и статора Дф,2, а на рис. 2 соответствующий ему график изменения электромагнитного момента двигателя.

1,8 1,6

«

о. 1,2

I 1 § 0,8 I 0,6

а

° 0,4

о С

0,2 0 -0,2

f \

} \

/ \

V

к* \

/ ч

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

t, с

Рис. 1. График изменения угла между векторами потокосцеплений статора и ротора при пуске АД

Отрицательные значения электромагнитного момента асинхронного двигателя вызваны отставанием вектора потокосцепления ротора относительно вектора потокосцепления статора на угол свыше 180°, то есть электромагнитный момент положителен, если вектор потокосцепления статора опережает вектор потокосцепления ротора (Дф,, >0). При этом максимальное значение момента (пропорциональное мнимой части векторного произведения 4х, ■Ч'г) будет достигаться, если вектор 4х, опережает вектор % на 90° (то есть Д<р/7 = 90°).

1,с

Рис. 2. График изменения электромагнитного момента при пуске АД

Таким образом, для исключения отрицательных значений и увеличения среднего значения момента, управление подключением статора АД к сети должно осуществляться в функции угла между векторами Ч11 и Ч>,. Для определения положения вектора потокосцепления статора при пуске необходимо использовать дифференциальные уравнения обобщенной машины. Наиболее просто величину угла поворота потокосцепления статора можно получить из уравнений, записанных в неподвижных осях а-р. Для корректного определения положения вектора потокосцепления статора при векторно-импульсном управлении в расчетах необходимо учитывать не мгновенные значения фазных напряжений двигателя, которые при отключении становятся равными нулю, а мгновенные значения фазных напряжений питающей сети. При реализации векторно-импульсного управления определение положения вектора потокосцепления ротора требуется только в те моменты времени, когда статор отключен от напряжения питающей сети. В этом случае положение векторов потокосцеплений ротора и статора совпадает. Следовательно, положение вектора потокосцепления ротора определяется по той же методике, что и положение вектора потокосцепления статора, однако напряжения и,а и и/р следует вычислять по реальным значениям фазных напряжений двигателя (а не сети), которые необходимо измерять с помощью датчиков напряжения.

В результате анализа влияния различных факторов на электромагнитные переходные процессы установлено, что применение векторно-импульсного способа пуска может быть целесообразно для асинхронных электроприводов с большим моментом инерции и низким значением пускового момента, близким к моменту холостого хода. К таким механизмам относятся крупные центробежные и осевые вентиляторы и компрессоры с безредукторным приводом. Кроме того, применение векторно-импульсного способа имеет смысл только на начальной стадии пуска, когда вектор потокосцепления статора вращается вокруг вектора потокосцепления ротора. После того, как векторы потокосцеплений начинают вращаться синхронно, должен использоваться либо прямой пуск, либо, если требуется ограничение пускового тока или темпа разгона, пуск с помощью регулятора напряжения.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке принципов и алгоритмов управления комбинированным пуском, объединяющим в себе век-торно-импульсное управление (на начальном этапе пуска) и регулирование напряжения. Функциональная схема системы управления, обеспечивающая подобный принцип, показана на рис. 3.

ПУСК

Блок вычисления угла между векторами потокосцеплений и момента подключения статора к сети

Блок вычисления положения вектора потокосцспления _статора_

Фг

Блок вычисления положения вектора потокосцепления ротора

Рис. 3. Функциональная схема системы управления комбинированным пуском АД

Работу системы управления можно упрощенно описать следующей последовательностью: после подачи сигнала «ПУСК» система дожидается момента перехода напряжения фазы «А» через ноль для синхронизации с питающей сетью, затем производится подключение статора АД к сети через трехфазный управляемый ключ. При этом создается положительный электромагнитный момент и начинается разгон двигателя. Для исключения отрицательных пиков электромагнитного момента вычисляются положения векторов потокосцеплений статора и ротора по измеренным мгновенным значениям фазных напряжений и токов. Отключение статора от сети производится тогда, когда угол между векторами потокосцеплений Дф,, становится больше 180°. Затем система управления ждет, пока вектор потокосцепления статора совершит полный оборот вокруг вектора потокосцепления ротора, и в момент их совпадения снова подключает статор двигателя к сети. Таким образом, процесс циклически повторяется, за счет чего электромагнитный момент двигателя формируется только из положительных пиков свободной составляющей момента. Кроме того, переход к прямому пуску осуществляется автоматически, так как если угол Д<р;, остается в пределах от 0 до 180°, статор двигателя остается подключенным к сети. При этом ограничение тока статора в процессе пуска осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции силового ключа с ограничением тока в каждом такте.

Для исследования особенностей управления пуском АД по предложенному принципу была разработана математическая модель системы управления в среде МаИаЬ, в программе структурного моделирования 81тиПпк.

На рис. 4 приведены графики изменения угловой скорости и электромагнитного момента двигателя 4А1001.4УЗ при комбинированном пуске с ограничением тока. Моделирование процесса пуска производилось при статическом моменте нагрузки Мс=0 и моменте инерции ^. =0.13 кгм2. Амплитуда фазных токов не превышает 30 А (рис. 5), то есть кратность пускового тока равна 2,5.

Рис. 4. Графики изменения угловой скорости и момента при комбинированном пуске с ограничением пускового тока

Рис. 5. Графики изменения фазных токов статора при комбинированном пуске с ограничением пускового тока

Как видно из графика изменения фазных токов на рис. 5, работу устройства комбинированного пуска отличает точное ограничение величины пускового тока на заданном уровне, связанное с наличием полностью управляемого силового ключа, работающего по принципу широтно-импульсной модуляции с ограничением тока в каждом такте. Основным показателем, по которому необходимо оценивать работу устройства плавного пуска, является средний электромагнитный момент (пусковой момент), так как все известные устройства подобного типа (кроме преобразователей частоты) обладают низким значением пускового момента, что является наибо-

лее существенным их недостатком. Из графика на рис. 4 видно, что величина электромагнитного момента меняется в процессе пуска. Среднюю величину электромагнитного момента двигателя можно приближенно оценить по времени пуска, рассчитав ее из основного уравнения движения электропривода при известном значении приведенного момента инерции. Для сравнения были проведены аналогичные исследования для пуска с помощью ТРН. На рис. 6 приведены графики зависимостей средней величины пускового момента от кратности пускового тока для комбинированного пуска (кривая 1) и пуска с помощью ТРН (кривая 2). Видно, что при одинаковой кратности пускового тока комбинированный пуск обеспечивает большее значение электромагнитного момента. При кратности пускового тока 2.5 в комбинированной системе средний электромагнитный момент будет в 0,75/0,41 = 1,83 раза больше, при кратности 3,5 в 1,34/0,65 = 2,06 раза. При больших значениях кратности пускового тока характеристики сближаются, что объясняется приближением к условиям прямого пуска и в одной, и в другой Системе. Однако наибольший практический интерес представляет именно работа систем при кратности пускового тока 2,5 - 3,5, и в этих условиях система комбинированного пуска обладает явным преимуществом.

2,5 1

2

а «

2

£ 1,5

и

0,5 -

2 3 4

Кратность пускового тока

Рис. 6. Зависимость среднего электромагнитного момента от кратности пускового тока для различных способов пуска

Принцип работы системы комбинированного пуска позволяет реализовать замкнутую систему управления с обратной связью по скорости (от аналогового или импульсного датчика скорости или при вычислении скорости вращения по математической модели), обеспечивающую линейный график разгона с постоянным (регулируемым) ускорением. При этом основным параметром системы, на который будет воздействовать регулятор, будет величина ограничения тока.

В третьей главе с помощью разработанной математической модели системы управления исследованы основные энергетические характеристики системы: активная и реактивная мощность, коэффициент мощности, потери мощности и КПД, а также гармонический состав напряжений и токов и величина коэффициента несинусоидальности. На рис. 7 приведены графики изменения активной мощности, потребляемой двигателем от сети Р*, механической мощности Р" =М -со/Рн

(мощность в относительных единицах) и КПД - ц = Р," /Р*. Для сравнения различных способов пуска были вычислены суммарные потери мощности за время пуска. Время пуска определялось как время разгона электродвигателя до скорости 0.95-соя =142 рад/с. Величины суммарных потерь приведены в таблице 1.

Рис. 7. Г рафики изменения мощности и КПД при комбинированном пуске АД с ограничением пусковых токов

Таблица 1

Потери энергии при различных способах пуска_

Способ пуска Время пуска, с Потери энергии, Дж

Прямой 0,36 3483

Комбинированный 0,97 3345

ТРН 0,97 4923

Наименьшую величину потерь обеспечивает комбинированный способ пуска (на 4% меньше по сравнению с прямым пуском), а наибольшую - пуск с помощью тиристорного регулятора напряжения (на 41% больше чем при прямом пуске). Таким образом, можно сделать вывод, что при комбинированном пуске АД не будет наблюдаться перегрева двигателя. Как известно, увеличение потерь в двигателе может быть связано либо с режимом его работы (потери в роторе зависят от скольжения), либо с гармоническим составом напряжений и токов. Так как графики разгона при комбинированном пуске и пуске с помощью ТРН примерно совпадают, то есть характер изменения скольжения одинаков, то источником дополнительных потерь может быть только значительная несинусоидальность токов при питании АД от ТРН. Проведенный анализ гармонического состава тока показал, что амплитуда основных гармоник тока при комбинированном пуске значительно меньше, чем при пуске с помощью ТРН. Значение коэффициента несинусоидальности практически в течение всего времени пуска находится в районе 0,1. Для тиристорного регулятора напряжения коэффициент несинусоидальности при пуске изменяется от 0,18 до 0,25.

В целом, анализ энергетических характеристик устройства комбинированного пуска подтвердил сделанные ранее выводы о том, что предложенный алгоритм управления с широтно-импульсной модуляцией силового ключа улучшает гармонический состав токов и уменьшает потери в двигателе, особенно по сравнению с тиристорным регулятором напряжения.

Четвертая глава посвящена разработке лабораторной установки и экспериментальным исследованиям векторно-импульсного пуска асинхронного двигателя. Рассмотрены два варианта силовых схем, позволяющих реализовать предложенный алгоритм управления (Рис.8).

Рис. 8. Варианты силовой схемы устройства комбинированного пуска АД

Анализ'их характеристик показал, что схема на рис. 8,а может применяться для электродвигателей средней и большой мощности, не имеющих выводов концов фазных обмоток. Схему на рис. 8,6 целесообразно применять для электродвигателей малой мощности, а так же для высоковольтных двигателей, для которых определяющим фактором для выбора схемы является малое количество силовых полупроводниковых приборов, так как их стоимость достаточно велика и зачастую вместо одного транзистора требуется последовательное включение нескольких транзисторов для увеличения коммутируемого напряжения.

В устройстве плавного пуска АД, реализующем векторно-импульсный способ управления, при выключении транзистора на нем возникает значительное перенапряжение, вследствие возникновения ЭДС самоиндукции на индуктивностях рассеяния обмоток асинхронного двигателя и паразитных индуктивностях монтажа схемы. Единственным возможным вариантом защиты транзистора является применение специальных защитных цепей (так называемых «снабберных цепей»), однако габариты защитной цепи в устройстве комбинированного пуска могут превышать габариты самого устройства плавного пуска. Для уменьшения габаритов снабберной цепи и уменьшения рассеиваемой в ней мощности была разработана схема драйвера IGBT-транзистора, позволяющая снизить величину пика напряжения за счет управления скоростью запирания транзистора (рис. 9). Схема состоит из компаратора DA1, на котором напряжение коллектор-эмиттер IGBT-транзистора, поступающее через делитель напряжения R1-R2, сравнивается с опорным напряжением Uref. Величина опорного напряжения и сопротивления делителя подбираются таким образом, чтобы срабатывание компаратора происходило при напряжении коллектор-эмиттер 550 В. Если напряжение меньше, то на выходе компаратора устанавливается отрицательное напряжение. При этом транзисторы Q2 и Q3 открыты, a Q1 закрыт. Таким образом, управляющее напряжение

на затвор силового транзистора при отпирании подается через сопротивление R3 и диод VD1, а при запирании разряд емкости затвора идет через открытый транзистор Q3 и сопротивление R3. Как только напряжение коллектор-эмиттер становиться больше 550 В, на выходе компаратора устанавливается положительное напряжение, транзисторы Q2 и Q3 закрываются, а Q1 открывается. В разрядную цепь затвора включается сопротивление Roff, которое уменьшает скорость запирания транзистора.

Collector

Рис. 9. Принципиальная схема драйвера IGBT-транзистора

Экспериментальные исследования предложенной схемы с IGBT транзистором BUP314 при напряжении шины постоянного тока 500 В, эквивалентной индуктивности рассеяния 10 мГн и коммутируемом токе 5 А показали, что с увеличением сопротивления Roff уменьшается величина пика напряжения на транзисторе. При увеличении сопротивления с 10 до 20 Ом величина пика напряжения Urn уменьшилась с 1070 В до 1020 В (на 4.7%), при этом потери энергии на выключение ранзистора увеличились с 8.6 до 14.9 мДж (на 42 %), а потери энергии на солро-ивлении снабберной цепи уменьшились с 25.4 до 23.7 мДж (на 7%).

Для реализации микропроцессорной системы управления в лабораторной ус-зновке был выбран 32-х разрядный микроконтроллер фирмы NXP - LPC2148 с рхитектурой процессора ARM7 TDMI. Функциональная схема лабораторной уста-овки приведена на рис. 10.

Рис. 10. Функциональная схема лабораторной установки

В лабораторной установке для осциллографирования доступны сигналы мгновенных значений фазных напряжений и токов двигателя, а так же угловой скорости. Для получения аналогового сигнала угловой скорости к микроконтроллеру подключен импульсный датчик типа ВЕ175А5 (1024 импульса на оборот). Вычисленное микроконтроллером значение угловой скорости через встроенный 12-и разрядный ЦАП подается один из выводов контроллера. Через второй канал ЦАП в аналоговую форму преобразуется угол между векторами потокосцеплений ротора и статора Дср;г. Осциллограмма угловой скорости АД при комбинированном пуске показана на рис. 11. 160

140

120

100

80

60

40

20

0

0 0.2 0.4 0.6 0.В 1 1.2 1.4

Рис. 11. Осциллограмма угловой скорости АД Время пуска, измеренное по той же методике, что и при теоретических исследованиях (время разгона до 0.95 -соя), составляет 1пуст - 0.95 с (при моделировании с аналогичными условиями время пуска 0.97 с). Близкое время пуска (расхождение с результатами моделирования составляет 2.1%), а так же общий характер изменения скорости позволяют сделать вывод о равенстве среднего электромагнитного момента за время пуска при моделировании и в результате экспериментальных исследований. На рис. 12 приведена осциллограмма изменения угла между векторами потокосцеплений ротора и статора Дф„.

1

0.8 0.6 0.4 0.2 о -0.2 ■0.4

О 0.2 0.4 0.6 08 1 1.2 1.4

Рис. 12. График изменения угла между векторами потокосцеплений

Д'Р«, рад -

.. jj.li.....

►

.......V.

н V

1, с

I ( ■ т

Из графика изменения угла между векторами потокосцеплений ротора и статора следует, что среднее значение Дср,_, составляет примерно 0,42 рад (48°), что

обеспечивает положительное значение электромагнитного момента в течение всего времени пуска. Анализ осциллограммы токов показывает, что функция токоо-граничения в лабораторной установке выполняется и амплитудное значение пускового тока не превышает заданного. В целом результаты экспериментальных исследований совпадают с результатами моделирования, что позволяет говорить о достоверности результатов моделирования и выводов, сделанных на их основе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Применение векторно-импульсного способа пуска может быть целесообразно для асинхронных электроприводов с большим моментом инерции и низким значением пускового момента, близким к моменту холостого хода. К таким механизмам относятся крупные центробежные и осевые вентиляторы и компрессоры с безре-дукторным приводом. Но в любом случае применение векторно-импульсного способа имеет смысл только на начальной стадии пуска, когда вектор потокосцепле-ния статора совершает колебания вокруг оси. После того как вектора потокосцеплений начинают вращаться синхронно должен использоваться либо прямой пуск, либо, если требуется ограничение пускового тока или темпа разгона, пуск от регулятора напряжения.

2. При одинаковой кратности пускового тока, комбинированный пуск обеспечивает большее значение электромагнитного момента, чем пуск с помощью ТРН. При кратности пускового тока 2.5 в комбинированной системе средний электромагнитный момент будет в 1,83 раза больше, при кратности 3,5 - в 2,06 раза. При больших значениях кратности пускового тока характеристики систем сближаются, что объясняется приближением к условиям прямого пуска и в одной, и в другой системе. Однако наибольший практический интерес представляет именно работа систем при кратности пускового тока 2,5 - 3,5, и в этих условиях система комбинированного пуска обладает явным преимуществом.

3. Способ комбинированного пуска позволяет реализовать замкнутую систему управления с обратной связью по скорости (от аналогового или импульсного датчика скорости или при вычислении скорости вращения по математической модели), обеспечивающую линейный график разгона с постоянным (регулируемым) ускорением. При этом основным параметром системы, на который будет воздействовать регулятор, будет величина ограничения тока.

4. При пуске с ограничением пускового тока, независимо от способа пуска, пиковые значения активной и реактивной мощности значительно снижаются, что обусловлено меньшими значениями пусковых токов. В целом комбинированный пуск характеризуется меньшими величинами активной, а особенно реактивной мощности по сравнению с тиристорным регулятором напряжения, что говорит о лучшем качестве потребления электроэнергии при комбинированном пуске. Наименьшую величину потерь при пуске обеспечивает комбинированный способ (на 4% меньше по сравнению с прямым пуском), а наибольшую - пуск с помощью тиристорного регулятора напряжения (на 41% больше чем при прямом пуске).

5. Амплитуда основных гармоник тока при комбинированном пуске значительно меньше, а значение коэффициента несинусоидальности практически в течение всего времени пуска находится в районе 0,1. Для тиристорного регулятора напряжения коэффициент несинусоидальности при пуске изменяется от 0,18 до 0,25.

6. Рассмотрены два варианта силовых схем, обеспечивающих возможность комбинированного пуска АД с векторно-импульсным управлением на начальном этапе и переходом к широтно-импульсному регулированию напряжения в дальнейшем.

Для любого варианта силовой схемы величина напряжения в момент коммутации может значительно превышать амплитуду линейного напряжения, что может привести к выходу транзистора из строя. Единственным возможным вариантом защиты транзистора является применение защитных «снабберных цепей». Для уменьшения потерь в защитных цепях и уменьшения их габаритов можно применить метод, заключающийся в управлении скоростью запирания lGBT-транзистора в функции величины напряжения на коллекторе. Для применения данного метода в устройстве комбинированного пуска была разработана специальная схема драйвера IGBT-транзистора.

7. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке совпадают с результатами теоретических исследований, что позволяет говорить о достоверности результатов моделирования и выводов, сделанных на их основе, а также о работоспособности разработанных алгоритмов и принципов управления. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коньков A.C., Басков С.Н., Давыдкин М.Н., Устройство плавного пуска высоковольтного синхронного двигателя с векторно-импульсным управлением // Изв. ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 3. С. 144 -149. (рецензируемое издание из перечня ВАК)

2. Коньков A.C., Басков С.Н. Комбинированный способ пуска асинхронных двигателей // Изв. вузов. Электромеханика, 2011. № 4. - С. 74-77. (рецензируемое издание из перечня ВАК)

3. Коньков A.C., Давыдкин М.Н. Применение микроконтроллера LPC2148 в системах управления плавного пуска синхронных электродвигателей компрессорных установок металлургического производства // Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 177 -182.

4. Коньков A.C., Басков С.Н., Давыдкин М.Н. Оценка динамики синхронного двигателя при различных способах пуска // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Вып. 17. - С. 37 - 42.

5. Коньков A.C., Басков С.Н., Давыдкин М.Н. Способ определения положения ротора синхронного двигателя // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 14-18 декабря 2009 г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. С. 69-72.

6. Коньков A.C., Дополнительные меры защиты IGBT-транзистора от перенапряжения при реализации векторно-импульсного пуска асинхронного двигателя // Наука и производство Урала: Сборник трудов межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов. - Новотроицк: НФ МИСиС, 2009..С.8-12.

7. Коньков A.C., Басков С.Н. Исследование электромагнитного момента асинхронного двигателя при различных способах пуска II Наука и производство Урала: Сборник трудов межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов. - Новотроицк: НФ МИСиС, 2010. С.112-116.

8. Басков С.Н., Коньков A.C., Черкас Т.В. Выбор математической модели асинхронного двигателя для исследования пусковых режимов II Наука и производство Урала: Сборник трудов межрегиональной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. - Новотроицк: НФ МИСиС, 2011. - С. 45-51.

Подписано в печать 24.11.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1.

Плоская печать. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 841

455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО "МГТУ"

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПУСКЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Выбор математической модели асинхронного двигателя.

1.2. Электромагнитный момент двигателя при пуске.

1.3. Вектор потокосцепления статора при пуске.

1.4. Вектор потокосцепления ротора при пуске.

Выводы по главе.

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПУСКОМ.

2.1. Разработка функциональной схемы системы управления.

2.2. Моделирование работы системы управления.

2.3. Система управления с ограничением пусковых токов.

2.4. Сравнение комбинированного способа пуска с пуском от регулятора напряжения.

2.5. Построение замкнутой системы управления пуском с обратной связью по скорости.

Выводы по главе.

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМБИНИРОВАННОГО ПУСКА.

3.1. Активная, реактивная мощность, коэффициент мощности.

3.2. Потери активной мощности, коэффициент полезного действия.

3.3. Гармонический состав токов.

Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПУСКОМ.

4.1. Варианты реализации силовой схемы.

4.2. Защита силового ключа от перенапряжения.

4.3. Разработка микропроцессорной системы управления.

4.4. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы по главе.

Асинхронные двигатели (АД) очень широко используются в различных отраслях промышленности. По различным данным [1-5], на долю асинхронного электропривода переменного тока приходится 70 до 90% от общего количества промышленных электроприводов. Большая часть АД относится к диапазону мощностей до 100 кВт с номинальным напряжением до 380 В. Распределение электроприводов по диапазону мощностей и доле потребляемой электроэнергии [6] приведено в таблице 1.

Таблица 1

Распределение асинхронных электроприводов по мощностям и потребляемой электроэнергии

Мощность, кВт Доля от общего количества, % Доля потребляемой электроэнергии, %

До1 10 1

От 1 до 5 60 29

От 5 до 20 20 40

От 20 до 100 9 20

Свыше 100 1 10

Если говорить о типе механизмов, приводимых в движение асинхронными электроприводами, то в большинстве случаев (до 60%) это различные вентиляторы, компрессоры и насосы, то есть механизмы, обладающие вентиляторной нагрузкой, обеспечивающей асинхронному двигателю относительно благоприятные условия прямого пуска.

Большинство эксплуатируемых в настоящее время асинхронных электроприводов являются нерегулируемыми. И если для низковольтных приводов с мощностями до 100 кВт доля регулируемых составляет порядка 7-10% и постоянно возрастает, то для мощных высоковольтных электроприводов ситуация еще более неблагоприятная. По экспертным оценкам [7], в различных отраслях промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве РФ находится в эксплуатации более 16 тысяч электродвигателей мощностью 0,35 МВт напряжением 6 и 10 кВ. Но лишь незначительная часть из них оборудована регулируемым электроприводом, в основном иностранного производства. Несмотря на то, что доля высоковольтных приводов относительно невелика, потребляемая ими электроэнергия составляет до 10% от общего количества (табл. 1).

Безусловно, далеко не всех случаях по технологическим требованиям необходимо регулирование координат электропривода. Применение же частотно-регулируемого электропривода только с целью экономии электроэнергии не всегда может быть оправдано экономически, вследствие высокой стоимости преобразователей частоты. Однако отсутствие управляемых преобразователей в большинстве асинхронных электроприводов создает одну из главных проблем в их эксплуатации - проблему прямого пуска.

Как известно, пуск асинхронных электродвигателей (особенно мощных) прямым подключением к сети имеет три серьезных недостатка:

1. Отрицательное влияние на питающую сеть. При питании от автономных генераторов или электрических сетей ограниченной мощности, особенно в конце линии электропередачи, падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и этой линии при протекании больших пусковых токов приводит к просадке напряжения в сети, что отрицательно сказывается на работе другого подключенного к ней оборудования (компьютеры, связь, терминалы релейной защиты и др.), а сам двигатель может не запуститься из-за снижения его момента пропорционально квадрату просадки напряжения. Кроме того, значительные пусковые токи могут привести к срабатыванию защитной аппаратуры, отключению от электропитания и остановке технологических агрегатов.

2. Отрицательное влияние на двигатель. Прямой пуск асинхронного электродвигателя сопровождается 6-8 кратным броском пускового тока, что вызывает значительные усилия на проводники, расположенные в лобовых частях обмотки электродвигателя, и как следствие - к ослаблению бандажирования обмотки, постепенному нарушению (перетиранию) изоляции и преждевременному выходу двигателя из строя по причине короткого замыкания витков обмотки. В связи с этим асинхронные двигатели допускают ограниченное число пусков за период эксплуатации.

3. Отрицательное влияние на механические передачи технологических агрегатов. В течение 15.20% времени разгона электродвигателя электромагнитный момент содержит вынужденную и свободную составляющие в виде знакопеременного момента с амплитудой, зависящей от начальных электромагнитных условий в момент замыкания контактов выключателя. В самом неблагоприятном случае ударный электромагнитный момент может в 3-4 раза превысить каталожный критический момент двигателя и в 7-10 раз номинальный момент. Известно много случаев, когда в процессе прямого включения в сеть двигателей насосных агрегатов и компрессоров срезались шпонки, выходили из строя турбины. Кроме того, пиковые моменты переменного знака приводят к постепенному увеличению зазоров в механических соединениях между двигателем и механизмом, а в ряде случаев вредно сказываются и на технологическом процессе, где такие механические нагрузки недопустимы (например, конвейеры в которых происходит вытягивание ленты, вентиляторы и смесители в случае опасности деформирования лопастей, системы транспортировки развешанных, уложенных или хрупких материалов при возможности их раскачивания, падения или рассыпания и т.д.).

Основным способом плавного пуска асинхронных двигателей, получившим широкое распространение благодаря относительно низким затратам на реализацию, является использование тиристорного регулятора напряжения [8]. За счет плавного повышения напряжения в значительной степени снижаются броски пускового тока, и уменьшается свободная составляющая момента [9]. Основным недостатком этого способа пуска является значительное снижение пускового момента, что не позволяет использовать его не только для механизмов с активной и реактивной нагрузкой, но в ряде случаев и для механизмов с вентиляторной нагрузкой.

Увеличение пускового момента (при отсутствии бросков тока) является одной из важнейших задач для асинхронного электропривода. Одним из подходов к решению этой задачи является использование положительных полуволн знакопеременного момента для увеличения среднего момента АД при пуске. Суть этого метода заключается в следующем. При подключении к сети неподвижного АД, возникает переходный процесс, приводящий к появлению двух составляющих момента - основной (принужденной) и знакопеременной переходной составляющей, причем амплитудные значения переходной составляющей момента могут иметь значения в несколько раз превышающие значение основного момента. Если подключение всех фаз статора АД к сети производить одновременно, на короткое время, при определенных начальных условиях, обеспечивающих появление переходного момента положительного знака, а отключать статор от сети до того, как переходный момент станет отрицательным, то переходный (положительный) момент суммируется с основным и увеличивает средний момент АД без увеличения тока статора. Попытки реализовать данный принцип, получивший название векторно-импульсного пуска [10, 11], предпринимались достаточно давно. Однако отсутствие полностью управляемых высоковольтных силовых полупроводниковых приборов и систем управления, способных в реальном времени выполнить большую вычислительную работу по расчету начальных электромагнитных условий АД, затрудняли практическую реализацию данного способа.

Целью диссертационной работы является исследование и реализация комбинированного способа пуска АД, сочетающего в себе пуск с помощью регулятора напряжения с векторно-импульсным управлением в начальный момент времени, для увеличения пускового момента за счет использования положительных полуволн знакопеременного момента, с использованием современной элементной базы и микропроцессорных систем управления.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач: г

1. Исследование причин и условий возникновения знакопеременного переходного момента, с позиции векторного управления АД.

2. Исследование особенностей векторно-импульсного способа пуска.

3. Разработка принципов построения и вариантов реализации комбинированной системы управления пуском АД.

4. Проведение теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы плавного пуска.

Содержание работы изложено в четырех главах.

Первая глава посвящена разработке математического описания асинхронного двигателя с учетом особенностей, накладываемых режимом векторно-импульсного пуска, составлению структурных схем математических моделей, разработке программного продукта для автоматизированного анализа и теоретическому исследованию потокосцеплений ротора и статора и электромагнитного момента асинхронного двигателя в режиме векторно-импульсного пуска.

Во второй главе определены принципы реализации системы векторно-импульсного управления пуском синхронного двигателя. Сформулированы основные функции системы управления. Предложена функциональная схема векторно-импульсной системы управления. Разработана математическая модель системы управления. Произведены теоретические исследования разработанной системы, методами математического моделирования.

Третья глава посвящена исследованию энергетических характеристик предложенной системы комбинированного пуска. С помощью математических моделей проведены вычисления таких параметров как активная и реактивная мощность, коэффициент мощности, потери мощности и КПД. Изучен гармонический состав напряжений и токов и величина коэффициента несинусоидальности. Проведены сравнения энергетических характеристик предложенной системы с другими вариантами пуска асинхронного двигателя.

В четвертой главе разработана силовая схема и микропроцессорная система управления, реализующая комбинированный способ пуска. При разработке силовой схемы особое внимание уделено вопросам защиты силового ключа от коммутационных перенапряжений, возникающих при работе устройства. Приведены результаты экспериментальных исследований разработанной системы, подтвердившие эффективность предложенного способа плавного пуска.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертации.

Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе 2 публикации в рецензируемых изданиях. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010, на международной конференции The IEEE Region 8 SIBIRCON 2010, International Conferens on "Computational Technologies in Electrical Engineering", на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, 2009 г.); на межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов «Наука и производство Урала» (г. Новотроицк, 2009-2011 г.г.); на научно-технических семинарах кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники (2009-2011 г.г.).

Выводы по главе

1. Рассмотрены два варианта силовых схем, обеспечивающих возможность комбинированного пуска АД с векторно-импульсным управлением на начальном этапе и переходом к широтно-импульсному регулированию напряжения в дальнейшем. Для лабораторной установки выбран вариант на основе способа коммутации трехфазной нагрузки переменного тока силовым транзистором, включенным на стороне постоянного тока трехфазного диодного моста. Подобная схема позволяет минимизировать количество дорогостоящих силовых ключей и обеспечить простоту их последовательного включения в высоковольтных схемах.

2. Для любого варианта силовой схемы величина напряжения в момент коммутации может значительно превышать амплитуду линейного напряжения, что может привести к выходу транзистора из строя. Единственным возможным вариантом защиты транзистора является применение специальных защитных цепей (так называемых «снабберных цепей»).

3. Основным недостатком снабберных ЯС-цепей является то, что они принимают запас энергии, накопленный в индуктивности схемы, при запирании транзистора. При последующем отпирании конденсатор разряжается через силовую цепь транзистора и энергия, накопленная в нем при коммутации, преобразуется в тепловую энергию, выделяющуюся на транзисторе и резисторе снабберной цепи. Вследствие этого увеличиваются потери энергии на силовом транзисторе, что приводит к увеличению габаритов радиатора и ухудшению энергетических характеристик устройства плавного пуска. Кроме того, габариты защитной цепи при векторно-импульсном управлении могут превышать габариты самого устройства плавного пуска.

4. Для уменьшения потерь в защитных цепях и уменьшения их габаритов можно применить метод, который заключается в том, что процесс выключения транзистора начинается с резистором минимальной величины в цепи затвора. В результате обеспечиваются высокая скорость запирания и малые потери. После того, как величина напряжения на коллекторе транзистора превысит определенное значение (обычно чуть большее, чем напряжение шины постоянного тока), сопротивление в цепи затвора резко увеличивается, что приводит к уменьшению скорости запирания и пика напряжения. Для применения данного метода в устройстве комбинированного пуска была разработана специальная схема драйвера ЮВТ-транзистора.

5. Для реализации предложенного алгоритма управления необходимо использовать микропроцессорную систему управления. В результате анализа характеристик современных специализированных микроконтроллеров был выбран 32-х разрядный микроконтроллер семейства LPC2100 фирмы NXP LPC2148 с архитектурой процессора ARM7 TDMI.

6. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке совпадают с результатами теоретических исследований, что позволяет говорить о достоверности результатов моделирования и выводов, сделанных на их основе, а так же о работоспособности разработанных алгоритмов и принципов управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Отрицательные значения электромагнитного момента асинхронного двигателя вызваны отставанием вектора потокосцепления ротора относительно вектора потокосцепления статора на угол свыше 180°, то есть электромагнитный момент положителен, если вектор потокосцепления статора опережает вектор потокосцепления ротора (Дф/2>0). При этом максимальное значение момента (пропорциональное мнимой части векторного произведения • Т2) будет достигаться, если вектор 4Jy опережает вектор на 90° (то есть Дф;2 = 90°).

2. На угол поворота вектора потокосцепления статора влияют обобщенные вектора й, и . Положения вектора потокосцепления и обобщенного вектора напряжения совпадает только в установившемся режиме. В начальный же момент времени, вследствие значительной величины пускового тока, положение вектора потокосцепления статора значительно отличается от положения обобщенного вектора напряжения. Для определения положения вектора потокосцепления статора при пуске необходимо использовать дифференциальные уравнения обобщенной машины. Наиболее просто величину угла поворота потокосцепления статора можно получить из уравнений, записанных в неподвижных осях а-р. Для корректного определения положения вектора потокосцепления статора при векторно-импульсном управлении в расчетах необходимо учитывать не мгновенные значения фазных напряжений двигателя, которые при отключении становятся равными нулю, а мгновенные значения фазных напряжений питающей сети.

3. Применение векторно-импульсного способа пуска может быть целесообразно для асинхронных электроприводов с большим моментом инерции и низким значением пускового момента, близким к моменту холостого хода. К таким механизмам относятся крупные центробежные и осевые вентиляторы и компрессоры с безредукторным приводом. Но в любом случае применение векторно-импульсного способа имеет смысл только на начальной стадии пуска, когда вектор потокосцепления статора совершает колебания вокруг оси. После того как вектора потокосцеплений начинают вращаться синхронно должен использоваться либо прямой пуск, либо если требуется ограничение пускового тока или темпа разгона - пуск от регулятора напряжения.

4. При реализации векторно-импульсного управления определение положения вектора потокосцепления ротора требуется только в те моменты времени, когда статор отключен от напряжения питающей сети. В этом случае положение векторов потокосцеплений ротора и статора совпадает. Следовательно, положение вектора потокосцепления ротора определяется по той же методике, что и положение вектора потокосцепления статора, однако напряжения и,а и м/р следует вычислять по реальным значениям фазных напряжений двигателя (а не сети), которые необходимо измерять с помощью датчиков напряжения.

5. Для реализации комбинированного пуска с токоограничением наиболее приемлемым вариантом будет ограничение тока силового ключа в каждом такте, когда подключение статора к сети будет происходить по такому же алгоритму, как и в предыдущей системе, а отключение - при превышении заданной величины фазного тока. Для того чтобы повысить среднее значение момента при одновременном ограничении тока статора, необходимо обеспечить импульсное подключение статора в течение всего времени, когда создаются электромагнитные условия для получения положительного электромагнитного момента.

6. При одинаковой кратности пускового тока, комбинированный пуск обеспечивает большее значение электромагнитного момента, чем пуск с помощью ТРН. При кратности пускового тока 2.5 в комбинированной системе средний электромагнитный момент будет в 1,83 раза больше, при кратности 3,5 в 2,06 раза. При больших значениях кратности пускового тока характеристики систем сближаются, что объясняется приближением к условиям прямого пуска и в одной и в другой системе. Однако наибольший практический интерес представляет именно работа систем при кратности пускового тока 2,5 - 3,5 и в этих условиях система комбинированного пуска обладает явным преимуществом.

7. Способ комбинированного пуска позволяет реализовать замкнутую систему управления с обратной связью по скорости (от аналогового или импульсного датчика скорости или при вычислении скорости вращения по математической модели), обеспечивающую линейный график разгона с постоянным (регулируемым) ускорением, что требуется для электроприводов некоторых технологических агрегатов. При этом основным параметром системы, на который будет воздействовать регулятор, будет величина ограничения тока.

8. При пуске с ограничением пускового тока, независимо от способа пуска пиковые значения активной и реактивной мощности значительно снижаются, что обусловлено меньшими значениями пусковых токов. В целом комбинированный пуск характеризуется меньшими величинами активной, а особенно реактивной мощности по сравнению с тиристорным регулятором напряжения, что говорит о лучшем качестве потребления электроэнергии при комбинированном пуске. Наименьшую величину потерь при пуске обеспечивает комбинированный способ (по сравнению с прямым пуском на 4% меньше), а наибольшую - пуск с помощью тиристорного регулятора напряжения (на 41% больше чем при прямом пуске).

9. Амплитуда основных гармоник тока при комбинированном пуске значительно меньше, а значение коэффициента несинусоидальности практически в течение всего времени пуска находится в районе 0,1. Для тиристорного регулятора напряжения коэффициент несинусоидальности при пуске изменяется от 0,18 до 0,25.

10.Рассмотрены два варианта силовых схем, обеспечивающих возможность комбинированного пуска АД с векторно-импульсным управлением на начальном этапе и переходом к широтно-импульсному регулированию напряжения в дальнейшем. Для любого варианта силовой схемы величина напряжения в момент коммутации может значительно превышать амплитуду линейного напряжения, что может привести к выходу транзистора из строя. Единственным возможным вариантом защиты транзистора является применение специальных защитных цепей (так называемых «снабберных цепей»).

11. Для уменьшения потерь в защитных цепях и уменьшения их габаритов можно применить метод, заключающийся в управлении скоростью запирания ЮВТ-транзистора в функции величины напряжения на коллекторе. Для применения данного метода в устройстве комбинированного пуска была разработана специальная схема драйвера ЮВТ-транзистора.

12. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке совпадают с результатами теоретических исследований, что позволяет говорить о достоверности результатов моделирования и выводов, сделанных на их основе, а так же о работоспособности разработанных алгоритмов и принципов управления.

1. Ключев В.И. Теория электропривода Текст.: учебник для вузов / В.И. Ключев. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

2. Москаленко, В.В. Электрический привод Текст.: Учебное пособие для вузов / В.В. Москаленко. 2-е изд. - М.: Академия, 2007. - 368 с. - ISBN 978-5-7695-2998-6.

3. Шамис М., Альтшуллер М., Ушаков И. Двигатели среднего напряжения (3-10 кВ) особенности автоматизированного электропривода // Новости электротехники, 2004, №2

4. Панкратов В.В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники // Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал, 2005, №2. с. 27-31.

5. Ильинский Ф. Н. Основы электропривода Текст.: Учебное пособие для вузов / Н.Ф. Ильинский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 224 с. - ISBN 5-7046-0874-4.

6. Колпаков А. Н. Перспективы развития электропривода // Силовая электроника, 2004, №1.

7. Лазарев Г.Б. Опыт и перспективы применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в электроэнергетике России // Новости приводной техники, 2003, №2

8. Ткачук А., Кривовяз В. Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей // Силовая электроника, 2007, №1

9. Ю.Андрклценко O.A., Капинос Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1986.-200 с.

10. П.Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 184 с.

11. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Госэнер-гоиздат, 1950.

12. Сипайлов Г.С., Лоос A.B. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1980. -176 с

13. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. -Л.: Энергия., 1980.-234 с.

14. Петров Л.П., Ладензон В.А., Подзолов Р.Г., Яковлев A.B. Моделирование асинхронных электроприводов с тиристорным управлением. М.: Энергия, 1977. - 200 с.

15. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. -М.: Высшая школа, 1975. 319 с.

16. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин Текст.: Учебное пособие для вузов / И. П. Копылов. М.: Высшая школа, 2001. - 328 с. - ISBN 5-06-003861-0.

17. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием Текст.: Учебное пособие для студентов вузов / Г. Г. Соколовский. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 267 с. - ISBN: 5-7695-2306-9.

18. Усольцев A.A. Общая электротехника: Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 301 с.

19. Field Oriented Control of 3-Phase AC-Motor. LN: BPRA073, Texas Instruments, 1998.

20. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы Analog Devices. Chip News, 1997, №7-8.

21. Krause, P.C., О. Wasynczuk, and S.D. Sudhoff, Analysis of Electric Machinery, IEEE Press, 2002.

22. Mohan, N., T.M. Undeland, and W.P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995, Section8.4.1.

23. Копылов И. П., Клоков Б. К.Справочник по электрическим машинам Текст. В 2 томах. Т. 1. / И. П. Копылов, Б. К. Клоков.- М.: Энерго-атомиздат, 1988. 456 с. - ISBN 5-283-00500-3.

24. Овчинников И.Е., Тер-Газарян Г.Н., Давидян Ж.Д., Рябов В.Н. Способ импульсного пуска синхронных машин // Электротехника, 1987, №3, с. 33-36.

25. Григорьев A.B., Глеклер Е.А. Математическпя и компьютерная модель синхронного генератора в среде Simulink // Эксплуатация морского транспорта, 2006, №2, с. 70-73.

26. Масленников В., Мартыненко В. Силовые блоки на основе мощных диодов и тиристоров Часть 1. Выпрямители. Ключи переменного тока // Компоненты и технологии, 2005, №5, с. 12-18.

27. Колпаков А. Топология частотных преобразователей средней и большой мощности // Компоненты и технологии, 2002, №2, с. 51 57.

28. Басков С.Н., Усатый Д.Ю., Радионов A.A. Пуск асинхронного двигателя в электроприводах с повышенным пусковым моментом // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2004. № 2. с. 47-49.

29. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. М.: Додэка, 2004. - 196 с. - ISBN - 5-94120-010-2.

30. YÍ Zhang, Saed Sobhani, Rahul ChokhawalaSnubber Considerations for IGBT Applications International Rectifier Applications Engineering 233 Kansas St., El Segundo, CA, 90245 USA.

31. Шишкин С. Силовые конденсаторы шины питания // Силовая электроника, 2006, №4, с. 21-26.

32. Колпаков А.И. Расчет конденсаторов шины питания мощных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии, 2004, №2, с. 11 -17.

33. Шишкин С.А. Силовые конденсаторы Epcos AG для IGBT-инверторов мощных преобразователей систем электроснабжения // Силовая электроника, 2005, №3, с. 22 29.

34. International rectifier application note AN-983 «IGBT characteristics and applications» by S. demente, A. Dubhashi, B. Pelly.

35. D.Heath, P.Wood. Overshoot voltage reduction using IGBT modules with special drivers. International Rectifier Design Tip DT-99-1.

36. Schröder, D.: „Emerging Power Electronic Devices, Physical Modelling and CAE" PEMC'98, Prague, Vol. 1, pp. Kl-1 -Kl-33.

37. Teigelkötter, J.: "Schaltverhalten und Schutzbeschaltungen von Hochleistungshalbleitern" Dt. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1996, VDI-Verlag, 1996.

38. Radim Visinka, Leos Chalupa, Ivan Skalka. Системы управления электродвигателями на микроконтроллерах фирмы Motorola // ChipNews, 1999, №1, с. 34-39.

39. Шевченко В. Использование контроллеров компании International Rectifier семейства IRMCF3xx в бытовой технике // CHIP NEWS УКРАИНА, 2007, №8, с. 43 48.

40. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // CHIPNEWS, 1999, № 1. с. 2 - 9.

41. Тревор Мартин. Микроконтроллеры ARM7 семейств LPC2300/2400 Текст.: Вводный курс разработчика / Тревор Мартин; пер. с англ. Ев-стифеева А. В. М. : Додэка-ХХ1, 2010. - 336 с. - ISBN 978-5-94120241-6.

42. Редькин П.П. Микроконтроллеры ARM7 семейства LPC2000 Текст.: Руководство пользователя / П.П. Редькин. М. : Додэка-ХХ1, 2007. -558 с. - ISBN 978-5-94120-111-2.

43. Волошин С., Шурин Н. Привод просто, как «раз, два, три» Часть 3. Модули управления вентильными двигателями без датчиков положения ротора // Компоненты и технологии, 2005, №3, с. 33 39.

44. Робканов Д.В., Дементьев Ю.Н., Кладиев С.Н. Прямое управление моментом в асинхронном электроприводе шнека дозатора // Известия Томского политехнического университета Т. 308, 2005, № 3, с. 45- 52.