Особенности проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ А.П. Баев, М.Р. Гончаренко, А.С. Исаков, О.С. Осипцева

В статье представлены результаты проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов с векторными частотно-токовыми системами управления и автономными инверторами напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей.

Введение. Постановка задачи

Трудности с обеспечением заданной диаграммы штатного пуска и торможения асинхронной машины эскалатора, ее недогруженность, необходимость регулировать скорость эскалаторного полотна, длительная работа в генераторном режиме при спуске пассажиров привели к необходимости использования четырехквадрантных асинхронных электроприводов с векторными частотно-токовыми системами управления и автономными инверторами напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей в современных проектах эскалаторных станций.

В рамках данного подхода решалась задача модернизации существующих и создание принципиально новых эскалаторных станций, поставленная Комитетом по экономике и промышленной политике Администрации Санкт-Петербурга в 1998-2003 годах.

Структура и принципы функционирования четырехквадрантных асинхронных

электроприводов

На современном этапе развития полупроводниковой преобразовательной техники значимой проблемой является создание четырехквадрантных электроприводов переменного тока с векторными частотно-токовыми системами управления и автономными инверторами напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе силовых IGBT модулей. Такое построение силовой системы позволяет приводу работать длительное время в генераторном режиме, отдавая при этом в силовую сеть синусоидальный ток. В двигательном режиме работы привод потребляет синусоидальный ток из силовой сети. Это 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 IGBT модулями, что связано с заметно возросшими требованиями к качеству возвращаемой и потребляемой электрической энергии [1].

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 [2].

На рис. 1 показана функциональная схема четырех-квадрантного асинхронного электропривода. Асинхронный электропривод хорошо исследован, поэтому рассмот-

рим более подробно относительно новый элемент - инвертор рекуперации с системой управления.

Сеть 380 В х 3ф

Рис. 1. Функциональная схема четырехквадрантного асинхронного электропривода.

Инвертор рекуперации нагружен через ЬС-фильтр на силовую сеть и является источником питания для инвертора электропривода. ЬС- фильтр преобразует импульсное напряжение на выходе инвертора в непрерывный ток в силовой сети. Конденсаторы относительно небольшой емкости на выходе фильтра позволяют свести к минимуму пульсации от высших гармонических составляющих выходного сигнала инвертора, связанных с активно-индуктивным характером импеданса соединительных проводов и силовых вводов. Учитывая малое выходное сопротивление силовой сети в области основной гармонической составляющей напряжения в сети, можно пренебречь их влиянием при составлении математической модели. Тогда для симметричной сети можно записать уравнения в относительных величинах для электромагнитных процессов в системе "инвертор рекуперации-силовой фильтр-силовая сеть" во вращающейся системе координат, ось X которой связана с обобщенным вектором фазного напряжения сети и: их = (Г1 + хь-рих - Хь-1у + И,

% =

ио = (Г1 + Хьо-рН ,

где их , иу, и0 - проекции на ось X, У и Ъ обобщенного среднего за период несущей ши-ротно-импульсной модуляции вектора напряжения на выходе инвертора рекуперации; ¡х, ¡у , ¡0 - проекции на ось X, У и Ъ обобщенного вектора тока; и - проекция на ось X обобщенного относительного вектора фазного напряжения; Хь - относительное индуктивное сопротивление ЬС-фильтра и силовой сети, ХЬо - индуктивное сопротивление фильтра по нулевой оси; г1 - относительное суммарное активное сопротивление ЬС-фильтра и силовой сети; р - оператор дифференцирования по относительному времени. За базовые величины приняты базовые величины для асинхронной машины [3].

Система уравнений (1) справедлива для случая, когда период несущей широтно-импульсной модуляции значительно меньше постоянной времени Хь/г1 [3].

Уравнение для напряжения на конденсаторе фильтра в звене постоянного тока можно записать в виде

Хе-р-щ = 1.5-

где Ud - относительное напряжение в звене постоянного тока; iacd - ток в цепи питания инвертора электропривода; Хс - относительное емкостное сопротивление конденсатора в звене постоянного тока. Подставив в уравнения (2) выражения для проекций напряжения, получим:

0.5-Xc-p-Ud2 = 1.5-

Добавив к уравнению (3) выражения для тока в цепи асинхронного электропривода с поддержанием постоянной проекции на ось X вектора потокосцепления ротора y2x, получим уравнение в относительных величинах для напряжения в звене постоянного тока [3]:

0.5.Xc-p-Ud2 = 1.5-((n + 0.5-XL-p)-ix2 + U-ix + (r1 + 0.5-Xb-p)-iy2) + Ud-iacd , Ud-iacd = 1.5-((WX0)4 + v-д + Gr|i2 + 0.5-G2-p-^2) ,

G1 =

G2 = (Xs-(1/kr)2 + Xr)/(^2x)2 , kr=X0/Xs ,

где rs , rr - относительное сопротивление статора и ротора асинхронной машины, Xs, Xr, X0 - относительное индуктивное сопротивление статора, ротора и намагничивающей цепи; v - относительная частота вращения ротора; д - относительный момент на валу машины.

Уравнение (4) связывает механические переменные асинхронной машины для привода с частотно-токовым векторным управлением, напряжение в звене постоянного тока, фазный ток в силовой сети (с учетом коэффициента мощности) и фазное напряжение. Уравнения (1)-(2) позволяют синтезировать регуляторы тока во вращающейся системе координат и напряжения в звене постоянного тока для устройства рекуперации.

Необходимо отметить, что уравнения (1)-(4) справедливы при следующих ограничениях:

1. напряжение в звене постоянного тока не может быть задано в устройстве рекуперации менее выпрямленного сетевого напряжения, вследствие наличия обратных диодов у силовых модулей;

2. верхний предел напряжения в звене постоянного тока ограничен лишь предельными параметрами силовых элементов;

3. напряжение в звене постоянного тока должно быть достаточным для обеспечения фазного напряжения, необходимого для правильной работы асинхронного электропривода.

Таким образом, для синусоидальной широтно-импульсной модуляции (0.5 -Ud)2 > Ux2 + Uy2 ,

а для векторной широтно-импульсной модуляции (Ud)2 /3 > Ux2 + Uy2 ,

Уравнения (1)-(6) были использованы при проектировании четырехквадрантного асинхронного электропривода для эскалаторных станций метрополитена.

Для поддержания требуемого напряжения в звене постоянного тока используется система подчиненного управления, в которой регулятор напряжения вырабатывает сигнал управления для регулятора активной составляющей вектора тока во вращающейся системе координат. Для компенсации реактивной составляющей тока использованы сигналы обратной связи по току в соответствующем сечении силовой сети. Такая система управления способна в пределах своих энергетических возможностей компенсировать перекос фаз и гармонические составляющие в сети.

Особенно полезной оказалась возможность устанавливать любое напряжение питания электропривода в пределах 620-800 В в целях более полного использования воз-

можностей асинхронной машины и форсирования угловой скорости вращения ротора выше номинальной. Кроме того, достаточно свободный выбор значения напряжения питания позволяет уменьшить потери в электроприводе за счет задания оптимального тока намагничивания для асинхронной машины [3].

Основные результаты

В научно-исследовательском секторе управляемого электропривода ОАО НИИ ТМ создан и прошел лабораторные испытания опытный образец четырехквадрантного электропривода переменного тока с автономными инверторами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей для эскалаторов метрополитена мощностью 200 кВт. Привод представляет собой два одинаковых шкафа, отличие состоит лишь в программном обеспечении системы управления, построенной на основе микропроцессора TMS-320. Следует отметить, что значительное число программных блоков одинаково. Обмен данными между системами управления устройства рекуперации и электропривода осуществляется по скоростному и помехоустойчивому CAN каналу.

Заключение

Результаты испытаний образца четырехквадрантного электропривода переменного тока с векторной системой управления показали полное соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления поставленной задаче. Данные, полученные в результате испытаний, подтвердили теоретические выводы, сделанные в работах [1, 3], и приведенные выше уравнения (1)-(6).

Литература

1. Гончаренко Р.Б., Гончаренко М.Р., Рудомазина И.А. Пути повышения эффективности электромашинных систем преобразования энергии возобновляемых источников. // Известия Академии наук. Энергетика.1998. №2. С.36-45.

2. Rusong Wu, S. B. Dewan, G. R. Slemon A. PWM AC to DC converter with fixed switching frequency. // IEEE Trans. Ind. Appl. 1990. Vol. 26. №. 5. Р. 880-885.

3. Гончаренко М.Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода. Автореферат диссертации Л., ЛИТМО, 1989, с.17.