Анализ состояния и перспективы развития электромеханотронных систем с автогенераторным управлением

НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИ

УДК 621.314.5

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНОТРОННЫХ СИСТЕМ С АВТОГЕНЕРАТОРНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ

В.Г. МАКАРОВ, Г.Ф. КРОПАЧЕВ, И.Р. ХАЙРУЛЛИН, С.С. АТНЮХИН Казанский государственный технологический университет

Проведен анализ современного состояния работ по созданию электромеханотронных систем с автогенераторным управлением на базе двигателей переменного тока. Рассмотрены схемы, конструкции, принцип работы электромеханотронных систем в однофазном и трехфазном исполнении. Показано, что наиболее перспективной является совмещенная конструкция, в которой объединены полупроводниковый преобразователь, цепи управления транзисторами и электрическая машина. Сформулированы направления совершенствования совмещенной конструкции электромеханотронной системы с автогенераторным управлением.

Применение транзисторных преобразователей в силовой преобразовательной технике началось в 1950 годы, что неразрывно связано с разработкой и промышленным выпуском мощных транзисторов [1]. В те же годы были изучены особенности работы транзисторов в режиме переключения. Одновременно с этим проводились работы по созданию транзисторных преобразователей, предназначенных для работы в составе регулируемого электропривода на базе двигателей переменного тока. Так начались разработки транзисторных преобразователей, выполненных по принципу

самовозбуждающегося магнитно-транзисторного инвертора напряжения (МТИН). Простейшей схемой подобного преобразователя является автогенератор Роэра [2].

Как правило, МТИН строятся на базе мультивибраторов с нелинейным релейным элементом, в качестве которого используется трансформатор с прямоугольной петлей гистерезиса, выполняющий функции задания частоты переключения транзисторов и формирования управляющих импульсов. Системы регулируемого электропривода на базе двигателей переменного тока и МТИН, учитывая принцип действия последних, получили название автогенераторных электромеханотронных систем (ЭМТС). Структурная схема такой ЭМТС показана на рис. 1.

Следует отметить, что МТИН являются довольно экономичными. Это объясняется тем, что на самовозбуждение такого автогенератора потребляется, в основном, реактивный ток. Трансформатор, как электротехническое устройство, обладает высоким КПД, транзисторы работают в экономичном ключевом режиме. К достоинствам МТИН следует отнести совмещение в одном устройстве функций силового инвертора и блока управления частотой. Такие системы устойчивы к воздействию сильных магнитных полей, ударным механическим нагрузкам и вибрации.

© В.Г. Макаров, Г.Ф. Кропачев, И.Р. Хайруллин, С.С. Атнюхин Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

Рис. 1. Структурная схема ЭМТС с автогенераторным управлением

Существенным недостатком МТИН является то обстоятельство, что регулирование частоты осуществляется изменением питающего напряжения, подаваемого от источника постоянного тока, поэтому такие инверторы могут применяться в ЭМТС, диапазон регулирования которых не более 1:3.

В силу простого схемотехнического решения и хорошего использования транзисторов и трансформатора для построения преобразователя рекомендуется мостовая схема самовозбуждающегося инвертора [3, 4], который условимся называть фазной ячейкой. Принципиальная схема фазной ячейки представлена на рис. 2.

Омі

Рис. 2. Принципиальная схема фазной ячейки

Транзисторы УТ1 — УТ 4 образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания с напряжением ип , а в другую - первичная обмотка I трансформатора Т1. Трансформатор Т1 выполняется на магнитном сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса. Временная диаграмма изменения магнитного потока трансформатора Т1 показана на рис. 3 (явлением гистерезиса пренебрегаем).

Управление транзисторами осуществляется от обмоток обратной связи ІІ-У, подключаемых к базам транзисторов через дополнительные сопротивления Л1 — Л4 . В соответствии с изменением магнитного потока трансформатора Т1

изменяется выходное напряжение фазной ячейки иф, а также напряжения

обмоток обратной связи. Отключение транзисторов одной диагонали моста и включение транзисторов другой диагонали сопровождается переключением зажимов Х1 и Х 2 относительно полярности источника питания, вследствие чего кривая иф имеет форму меандра (рис. 4).

Рис. 3. Временная диаграмма магнитного потока трансформатора

Рис. 4. Временная диаграмма выходного напряжения фазной ячейки

Обратные диоды УВ1 — УВ4 обеспечивают двухстороннюю проводимость преобразователя. Нагрузка, которой является обмотка статора асинхронного двигателя, подключается к зажимам Х1 и Х 2 .

Анализ зависимости иф (^) показывает, что в фазном напряжении, помимо

основной, присутствуют высшие гармоники. Известно, что высшие гармоники, содержащиеся в кривой напряжения и тока, повышают потери в стали (на гистерезис и вихревые токи). Это приводит к снижению КПД полупроводникового преобразователя и электрической машины. Кроме того, каждая гармоника тока при взаимодействии с аналогичной гармоникой магнитного потока создает момент того же порядка. Высшие гармоники создают тормозные моменты, следствием этого является возникновение провалов на механической характеристике, повышение шума и вибрации электрической машины. Наиболее существенное влияние оказывает третья гармоника.

Следует отметить, что вследствие насыщения магнитопровода третья гармоника присутствует в кривой тока г /, протекающего по первичной обмотке трансформатора. Кроме того, третья гармоника присутствует и в кривой магнитного потока, поэтому здесь со всей остротой встает вопрос о формировании фазного напряжения таким образом, чтобы исключить третью гармонику.

На базе фазной ячейки может быть построен однофазный преобразователь, однако он не находит широкого применения, поскольку однофазным электрическим машинам присущи существенные недостатки. С точки зрения общепромышленного

применения наибольший интерес представляют трехфазные преобразователи. В течение ряда лет на кафедре электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета ведутся разработки двух- и трехфазных МТИН, в которых синхронизация фаз осуществляется с помощью обмоток переключающих трансформаторов [5, 6]. При этом схема соединения обмоток и определенное соотношение количества витков позволяют получить устойчивую синхронизацию фаз и необходимый фазовый сдвиг.

Рассмотрим трехфазный самовозбуждающийся инвертор [6], магнитная система которого выполнена на базе трехфазного группового трансформатора, а силовая часть собрана на шести транзисторах УТ1 — УТ 6, соединенных по мостовой схеме (рис. 5). Управление транзисторами - 180 градусное. Групповой трансформатор выполняется на трех кольцевых ленточных магнитопроводах с прямоугольной петлей гистерезиса. На каждом трансформаторе размещаются первичная обмотка I, синхронизирующая обмотка II и шесть вторичных обмоток Ш-УШ. Коэффициент трансформации п между первичной и синхронизирующей обмотками равен трем, это обеспечивает взаимный сдвиг фаз на 120°. Транзисторы шунтируются обратными диодами У01 — УБ6. Нагрузка подключается к точкам А, В, С.

Рис. 5. Принципиальная схема МТИН на групповом трансформаторе

Формирование фазного напряжения двухступенчатой формы осуществляется путем суммирования напряжений первичной обмотки I и синхронизирующей обмотки II, расположенных на разных сердечниках. Временные диаграммы, поясняющие формирование фазного напряжения иа, показаны на рис. 6. Двухступенчатая форма напряжений на обмотках I и II с паузой 60° на нулевом уровне обеспечивается различной скоростью движения рабочих точек трансформаторов Т1, Т2 и Т3 по кривой намагничивания на отдельных интервалах времени (рис. 7). Линейные напряжения будут иметь амплитуду, равную напряжению ип , и паузу 60° на нулевом уровне.

І» Іг £< /о 6 и /о

-

ип “II -I - -1 - -

0 — -1 _ — /

Не- 0

Рис. 6. Формирование кривой фазного напряжения иа

Рис. 7. Временные диаграммы магнитных потоков трансформаторов Т1, Т2 , Т3

Напряжения база-эмиттер транзисторов УТ1, УТ3, УТ5 формируются вторичными обмотками III, V, VII, соединенными между собой последовательно. Управляющие напряжения транзисторов УТ2, УТ4, УТ6 формируются последовательно соединенными вторичными обмотками IV, VI, VIII. Коэффициент трансформации между обмотками III, VI и IV, VI равен трем, коэффициент трансформации между обмотками III, VII и IV, VIII равен пяти. Временные диаграммы, поясняющие формирование напряжения ибэ транзистора УТ1, показаны на рис. 8.

Разложение кривых выходных напряжений инвертора в ряд Фурье свидетельствует о наличии третьей гармоники в фазном напряжении.

и /2 Л Л» (г ^4

^ -1 *

1  г й ГС. Н Г

1 —1 1 _ -1 - п (

— 1 — 1 t

1

Рис. 8. Формирование напряжения ибэ транзистора УТ1 в МТИН на групповом

трансформаторе

Амплитуда ЭДС третьей гармоники достигает 39% от амплитуды ЭДС первой гармоники. Амплитуды ЭДС первой и третьей гармоник складываются, в результате наибольшее значение фазной ЭДС повышается на 35% и на 7% - ее действующее значение. Линейные напряжения не содержат третьих гармоник. Следует отметить, что за счет 180 - градусного управления транзисторами фазные напряжения двигателя будут иметь двухступенчатую форму с амплитудой первой

ступени -3- ип , второй ступени - -3- ип и не будут содержать в своем составе

третьих гармоник.

Предложенный способ соединения первичных и синхронизирующих обмоток можно рассматривать как соединение в звезду. Применение группового трансформатора при соединении обмоток звездой позволяет избавиться от третьих гармоник в кривых фазных токов, это приводит к появлению третьей гармоники в кривой магнитного потока. Величина потока третьей гармоники достигает 13% от потока первой гармоники. В результате третья гармоника появляется в кривой фазного напряжения. Однако в инверторе на групповом трансформаторе третья гармоника магнитного потока является синхронизирующей. Недостаток такой синхронизации - наличие третьей гармоники в кривой фазного напряжения инвертора. Очевидно, что синхронизация на третьих гармониках магнитного потока и напряжения нежелательна.

В связи с этим возникла необходимость разработать меры по исключению третьей гармоники магнитного потока в трехфазном МТИН. Эта задача была решена

в трехфазном мостовом инверторе, магнитная система которого выполнена на базе стержневого трансформатора [7]. Схема этого МТИН показана на рис. 9.

+І*і

о

Рис. 9. Принципиальная схема МТИН на стержневом трансформаторе

На каждом стержне трансформатора Т1 размещаются первичная обмотка I, синхронизирующая обмотка II и четыре вторичных обмотки Ш-У1. Коэффициент трансформации п между первичными и синхронизирующими обмотками равен единице.

Напряжения на первичных и синхронизирующих обмотках формируются в соответствии с изменением магнитных потоков в стержнях С1, С2, С3 трансформатора Т1, временные диаграммы которых представлены на рис. 10 (явлением гистерезиса пренебрегаем).

Напряжения база-эмиттер транзисторов УТ1, УТ3, УТ5 формируются вторичными обмотками III, IV. Аналогично посредством обмоток У и VI формируются управляющие напряжения транзисторов УТ2, УТ4, УТ6. Коэффициент трансформации между вторичными обмотками III, IV и У, VI равен единице.

Рис. 10. Временные диаграммы магнитных потоков стержней трансформатора Т1

На рис. 11 приведены временные диаграммы напряжений на первичных и синхронизирующих обмотках, а также выходных напряжений инвертора.

ГГ) и А> її (о

«А

«<

О'

иаЬ

Чьс

Рис. 11. Временные диаграммы напряжений МТИН на стержневом трансформаторе © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

Применение схемы МТИН на стержневом трансформаторе позволяет экономить до 30 % стали и 12 % меди [7], обеспечив, тем самым, снижение массы, габаритов и стоимости ЭМТС в целом. К недостаткам предложенной схемы следует отнести отсутствие заданной последовательности чередования фаз, а также двухступенчатую форму управляющих напряжений транзисторов, подобную форме фазных напряжений. Известно, что для экономичной работы транзисторов в режиме переключения необходимо формировать управляющие напряжения прямоугольной формы.

В ходе работ по совершенствованию схемы МТИН на стержневом трансформаторе решено использовать комплементарные пары транзисторов, что позволит сократить количество обмоток управления в два раза. Кроме того, с целью формирования прямоугольных управляющих напряжений транзисторов искусственно создана средняя точка N источника питания с помощью конденсаторов С1 и С2 одинаковой емкости (рис. 12). Временная диаграмма напряжения ио , возникающего между точками 0 — N , представлена на рис. 13. Видно, что это напряжение имеет форму меандра и изменяется с тройной частотой. Наличие третьей гармоники напряжения между точками 0 и N позволяет формировать прямоугольные напряжения ибэ путем введения третьей гармоники в цепи управления транзисторов. Для достижения этой цели в схему инвертора вводится маломощный вольтодобавочный трансформатор Т2 (рис. 12), первичная обмотка которого подключается между точками 0 и N [7]. Трансформатор Т2 имеет также три вторичные обмотки П-ГУ. Формирование и бэ прямоугольной формы с помощью вторичных обмоток ГГ-ГУ вольтодобавочного трансформатора (ВТ) поясняет рис. 14.

+{/ц

Рис. 12. Принципиальная схема МТИН с вольтодобавочным трансформатором © Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

Рис. 13. Временная диаграмма напряжения и о

иТ-П-П-П-ГЬ

Рис. 14. Формирование напряжения ибэ транзистора УТ1 в МТИН с вольтодобавочным

трансформатором

Следует отметить, что за счет применения комплементарных пар транзисторов даже при наличии вольтодобавочного трансформатора экономия стали составляет 27%, экономия меди - 24,5% [7]. Кроме того, за счет наличия вольтодобавочного трансформатора обеспечивается заданная последовательность чередования фаз, а также устойчивая синхронизация как при пуске, так и при работе под нагрузкой. В схеме МТИН с вольтодобавочным трансформатором синхронизация определяется третьей гармоникой тока, протекающей по первичной обмотке трансформатора Т 2. Диапазон регулирования при этом составляет 1:3,8.

Одним из перспективных направлений развития ЭМТС является конструктивное объединение полупроводникового преобразователя, цепей управления транзисторами и электрической машины. В литературе [2] такая конструкция ЭМТС названа совмещенной.

Идеи, реализованные в схеме МТИН с вольтодобавочным трансформатором, получили свое дальнейшее развитие в трехфазной асинхронной вентильной машине [8, 9], схема которой показана на рис. 15.

Обмотка статора, в отличие от серийного асинхронного двигателя, разделена на полуобмотки: рабочую I и синхронизирующую II. За счет этого габариты асинхронного вентильного двигателя (АВД) несколько больше, чем у обычного асинхронного двигателя той же мощности, питающегося от источника синусоидального напряжения. Обмотки управления III, IV транзисторов УТ 1 - УТ6 укладываются в те же пазы, что и обмотка статора. Трансформатор Т1 является вольтодобавочным и предназначен для формирования управляющих напряжений транзисторов прямоугольной формы, обеспечения заданной последовательности чередования фаз, а также устойчивой синхронизации как при пуске, так и при работе под нагрузкой.

Дополнительный полумостовой каскад на транзисторах УТ7, УТ8, управляемый от задающего генератора, предназначен для регулирования частоты выходных напряжений инвертора, построенного на транзисторах УТ 1 - УТ6. Регулирование осуществляется за счет изменения частоты управляющих импульсов, подаваемых на транзисторы УТ7, УТ8 от задающего генератора.

Таким образом, осуществляется изменение частоты напряжения, приложенного к обмотке управления V вольтодобавочного трансформатора Т1. Переключаясь на заданной частоте, вольтодобавочный трансформатор, несмотря на свою незначительную мощность и габариты, ведет за собой силовую часть, которая содержит в себе инвертор на транзисторах УТ1 - УТ6, а также электрическую и магнитную системы асинхронного вентильного двигателя. Применение дополнительного полумостового каскада, работающего на обмотку управления вольтодобавочного трансформатора, позволяет получить в ЭМТС с АВД диапазон регулирования 1:5.

О

Рис. 15. Принципиальная схема трехфазной асинхронной вентильной машины

Совмещенная конструкция технологически более сложна по сравнению с обычным двигателем, однако требования компактности, уменьшения веса и габаритов делает ее оправданной. Следует отметить, что трудоемкость изготовления совмещенной конструкции меньше, чем трудоемкость отдельного изготовления электродвигателя и трансформаторов для МТИН, вследствие отсутствия ряда трудоемких операций по штамповке листов трансформатора, сборке магнитопровода и намотке обмоток трансформатора [2].

Ток, протекающий по обмоткам управления при использовании современных транзисторов с высоким коэффициентом усиления, составляет не более 3% от тока электродвигателя, в результате чего намагничивающая сила обмотки управления не оказывает значительного влияния на намагничивающую силу обмотки статора, и увеличение намагничивающей составляющей тока холостого хода АВД будет незначительным. Обмотки управления, уложенные в пазы статора АВД, подвергаются интенсивному охлаждению от вентилятора электрической машины, что позволяет выбрать

повышенную плотность тока, уменьшив объем меди. Таким образом, совмещение обмоток управления с магнитной системой электрической машины не оказывает отрицательного влияния на работу каждого элемента в отдельности, входящего в ЭМТС, и позволяет компактно выполнить электропривод за счет снижения расхода активных материалов.

К недостаткам предложенной конструкции можно отнести следующее: магнитная система каждой фазы АВД находится в состоянии насыщения в течение одной трети полупериода, что снижает энергетические показатели электрической машины.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию совмещенной конструкции вентильной машины переменного тока и расширению её функциональных возможностей в следующих направлениях:

1) построение вентильной машины переменного тока на основе статора серийной машины переменного тока без изменения геометрии и обмоточных данных;

2) разработка такой схемы соединения обмоток вентильной машины, применение которой приведет к тому, что магнитная система каждой из фаз статора будет входить в режим насыщения лишь кратковременно, исключая глубокое насыщение;

3) использование явнополюсного ротора с электромагнитным возбуждением.

Выводы

1. Применение трехфазного МТИН на групповом трансформаторе приводит к завышенному расходу активных материалов, кроме того, в кривых фазных напряжениях инвертора и магнитных потоков трансформатора содержится третья гармоника. При этом третья гармоника магнитного потока является синхронизирующей. Недостатки такой синхронизации очевидны.

2. В трехфазном МТИН на стержневом трансформаторе третья гармоника отсутствует как в кривых фазных напряжений инвертора, так и в кривых магнитных потоков фаз. Однако в этой схеме наблюдается произвольная последовательность чередования фаз, отсутствует синхронизация при пуске электрической машины. Кроме того, управляющие напряжения транзисторов имеют двухступенчатую форму, что снижает КПД транзисторов в ключевом режиме.

3. Применение схемы трехфазного МТИН с вольтодобавочным трансформатором позволяет обеспечить синхронизацию фаз выходных напряжений инвертора как при пуске двигателя, так и при работе под нагрузкой, а также задать последовательность чередования фаз и расширить диапазон регулирования. Синхронизация в этой системе осуществляется за счет третьей гармоники тока, протекающей по первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. Использование трехфазного МТИН с вольтодобавочным трансформатором позволяет обеспечить экономию активных материалов: 27% стали и 24,5% меди.

4. Конструктивное объединение полупроводникового преобразователя, цепей управления транзисторами и электрической машины позволяет упростить технологию изготовления ЭМТС в целом, обеспечив при этом значительную экономию активных материалов.

Summary

The state and perspectives of electromechanotronical systems with autogenerating control of alternating current are analyzed. Schemes, design and principles of function of electromechanotronical systems in the single- and three phase modifications are considered. It is shown that the integrated design including a semi-conductor converter, control circuits of transistors and an electric motor is most respective. Directions of development the integrated mechanotronical systems with autogenerating control are suggested.

Литература

1. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин, В.С. Лаптев. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.

2. Ильинский Н.Ф. Транзисторно-магнитные преобразователи

непрерывного сигнала в последовательность импульсов / Н.Ф. Ильинский, В.В. Михайлов. - М.: Энергия, 1966. - 168 с.

3. Источники питания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред. С.Д. Додика, Е.И. Гальперина. - М.: Советское радио, 1969. -448 с.

4. Коссов О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. - 2 изд., доп. и перераб. - М.: Энергия, 1971. - 432 с.

5. А.С. 2088037 РФ. Преобразователь постоянного напряжения /

Л.Я. Зиннер, Р.Я. Гайнутдинов, В.В. Дорохин, С.Н. Катков, Н.Ф. Миляшов, А.И. Музафаров, В.Н. Тарасов, А.М. Шаряпов. - Бюлл. №23. - 1997.

6. А.С. 1127060 СССР. Преобразователь постоянного напряжения / Р.Р. Валиуллин, Л.Я. Зиннер, Г.Ф. Кропачев, Н.Ф. Миляшов, В.Н. Тарасов, А.С. Чемерчев. - Бюл. № 44. - 1984.

7. Макаров В.Г. Влияние третьих гармоник напряжения, тока и магнитного потока на электромагнитные процессы в автогенераторных электромеханотронных системах: Дис. ... канд. тех. наук. 05.09.03. - Защищена 24.12.98. Утв. 8.07.99. - Казань, 1998. - 212 с.

8. Газизов Р.М. Электромеханическая система с асинхронным вентильным двигателем: Дис. ... канд. тех. наук. 05.09.03. - Защищена 28.06.00; Утв. 15.03.01. -Казань, 2000. - 201 с.

9. Патент 2147154 РФ. Вентильная машина переменного тока / Р.М. Газизов, Л.Я. Зиннер, Г.Ф. Кропачев, В.Г. Макаров, А.В. Толмачева. - Бюл. №9. -2000.

Поступила 27.12.2006