Особенности проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ А.П. Баев, М.Р. Гончаренко, А.Н. Коровьяков, С.А. Серебряков, В.И. Шеремет

Представлены результаты проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов эскалаторов, обладающих рядом новых функциональных свойств по сравнению с традиционными приводами переменного тока.

Введение. Постановка задачи

Для достижения требуемых динамических свойств, высоких эксплуатационных характеристик и экономичности в структуру современных электроприводов асинхронных двигателей включают преобразователи координат, инверторы и типовые регуляторы, реализующие частотный метод управления и векторный способ формирования момента машины переменного тока.

В рамках данного подхода решена задача принципиальной реконструкции систем управления приводами эскалаторов, поставленная Комитетом по экономике и промышленной политике Администрации Санкт-Петербурга.

Структура и принципы функционирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов

На современном этапе развития полупроводниковой преобразовательной техники значимой проблемой является создание четырехквадрантных электроприводов переменного тока с автономными инверторами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе ЮВТ модулей. Такое построение силовой системы позволяет приводу работать длительное время в тормозном режиме, отдавая при этом в силовую сеть синусоидальный ток. В двигательном режиме работы привод потребляет энергию из силовой сети.

Наличие в структуре устройства управления электроприводом звена постоянного тока и автономного инвертора напряжения с регуляторами напряжения и токов существенно снижает отрицательное воздействие привода на промышленную сеть переменного тока по сравнению с аналогичными тиристорными устройствами, ведомыми сетью. Поэтому в настоящее время предпочтительными оказываются более дорогие системы с ЮВТ модулями, что связано с заметно возросшими требованиями к качеству возвращаемой и потребляемой электрической энергии.

Современный электропривод строится на основе векторного способа формирования момента машины переменного тока во вращающейся с частотой электромагнитного поля прямоугольной системе координат. Такой способ управления пригоден и для устройств рекуперации. Действительно, в прямоугольной системе координат, вращающейся с частотой силовой сети, где одна из осей совпадает с вектором напряжения, можно прямым образом разделить управления процессами, связанными с активной и реактивной составляющими мощности. В этом случае имеется возможность не только обеспечить требуемое напряжение в звене постоянного тока, но и компенсировать реактивную мощность в сети переменного тока в рамках энергетических возможностей устройства за счет управления двумя взаимно перпендикулярными составляющими тока.

Для поддержания требуемого напряжения в звене постоянного тока используется система управления с обратной связью по постоянному напряжению, которая вырабатывает сигнал управления для регулятора активной составляющей фазного тока, а для компенсации реактивной составляющей - сигналы обратной связи по току в соответствующем сечении силовой сети.

Совмещение в едином устройстве системы управления мощным трехфазным асинхронным электроприводом и устройства рекуперации энергии в сеть, связанных через звено постоянного тока, позволяет реализовать эффективную и гибкую техническую систему, характеризующуюся следующими важными для практики свойствами.

Асинхронный электропривод обеспечивает:

• точную отработку заданной скорости с компенсацией скольжения;

• глубокий диапазон регулирования скорости;

• плавную работу двигателя в области малых частот вращения и сохранение момента вплоть до нулевой скорости;

• быструю реакцию привода на скачки нагрузки,

• подавление скачков скорости при резких скачках нагрузки за счет высокой динамики регулирования во всех возможных режимах работы электропривода.

Система управления устройством рекуперации позволяет эксплуатировать это устройство в следующих режимах:

• в автономном;

• синхронизации с промышленной сетью;

• компенсации реактивной мощности;

• компенсации высших гармоник сети.

Важной особенностью разработанной системы является то, что система управления мощным трехфазным асинхронным электроприводом с устройством рекуперации энергии в промышленную сеть структурно и алгоритмически разделяется на две функционально взаимосвязанные динамические подсистемы:

• подсистему управления асинхронным электроприводом;

• подсистему управления устройством рекуперации.

При аналитической разработке и практической реализации комплексной системы управления асинхронным электроприводом с устройством рекуперации учитывались следующие особенности.

Динамические свойства асинхронного электропривода и устройства рекуперации как объектов управления существенно различаются. Также существенно различаются цели управления этими техническими устройствами и значения требуемых показателей качества управления. Однако, несмотря на отмеченные обстоятельства, можно выделить для системы управления электроприводом и системы управления устройством рекуперации подмножества режимов работы, в которых структурно соответствующие устройства управления имеют много общего. Более того, некоторые устройства управления рассматриваемых подсистем структурно идентичны и отличаются лишь значениями своих параметров. Последнее упрощает как разработку всей системы, так и ее техническую реализацию.

Особенности программного обеспечения

Регуляторы и устройства обработки измерительной информации описываемой системы реализованы на микропроцессорах ТМ8320Б243.

Программное обеспечение устройств управления и обработки измерительной информации состоит из типовых программных модулей и оригинальных программ. Особенностью алгоритмической и программной организации системы является то, что структурные аналогии многих устройств управления системой трансформированы в программную идентичность соответствующих типовых программных модулей. Это сокращает затраты на настройку системы и повышает ее аппаратурную и программную надежность.

Лабораторные и стендовые испытания

Комплексные лабораторные испытания элементов и устройств разрабатываемой системы управления в совокупности с программными модулями подтвердили правильность выбранной для реализации системы физических принципов функционирования и эффективность примененных для ее организации фундаментальных принципов управления.

Для всесторонней проверки работы системы управления трехфазным асинхронным электроприводом с устройством рекуперации во всех режимах разработан и создан специальный испытательный стенд, позволяющий воспроизвести условия работы реальных электроприводов эскалаторов метрополитена.

Основные результаты

В научно-исследовательском секторе управляемого электропривода ОАО НИИ ТМ в конечной стадии проектирования находится четырехквадрантный электропривод переменного тока с автономными инверторами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей для эскалаторов метрополитена мощностью в 200 кВт. В этом приводе реализованы соответствующие векторные системы управления инверторами, каждая из которых построена на основе микропроцессора TMS-320, обладающего достаточным быстродействием. Обмен данными между системами осуществляется по скоростному и помехозащищенному CAN каналу.

Заключение

Результаты предварительных испытаний четырехквадрантного электропривода переменного тока с векторной системой управления показали полное соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления жестким требованиям к системам метрополитена. Причем, так как центральное ядро системы управления реализовано программными средствами на микропроцессоре TMS-320F243, перестройка системы управления и изменение ее функций сводится к модификации программных модулей и изменению значений коэффициентов типовых законов управления.

Литература

1. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат (ЛО), 1982. 392 с., ил.

2. Гончаренко М.Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода (дис. к.т.н.). Л.: ЛИТМО.

3. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с., ил.