Сравнение частотно-токового и частотно-напряженческого способов релейно-векторного управления асинхронными электроприводами с автономным инвертором тока

УДК 621.313

И. А. Косенко

Сравнение частотно-токового и частотно-напряженческого способов релейно-векторного управления асинхронными электроприводами с автономным инвертором тока

Выполнен сравнительный анализ частотно-токового и частотно-напряженческого способов релейно-векторного управления асинхронными электроприводами с автономным инвертором тока с широтно-импульсной модуляцией.

В последние годы наблюдается повышенный интерес к асинхронному электроприводу (ЭП) с автономным инвертором тока (АИТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что вызвано его существенными достоинствами [1-4]: во-первых, - простотой реализации режима рекуперации энергии в питающую сеть (осуществляется посредством одного комплекта нереверсивного управляемого выпрямителя); во-вторых, - пониженной крутизной фронтов статорных напряжений двигателя (в сравнении с ЭП на основе автономного инвертора напряжения с ШИМ), что позволяет исключить недопустимые перенапряжения на обмотках двигателя (которые, как известно, отрицательно влияют на их изоляцию) и заметно продлить общий срок его службы в эксплуатации [5]; в-третьих, -отсутствие электролитического конденсатора в звене постоянного тока преобразователя частоты (ПЧ), что упрощает защиту преобразователя в аварийных режимах и повышает надежность работы электропривода в целом.

Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что при построении систем автоматического регулирования асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ используются схемы с явными модуляторами [6, 7] или прогнозирующим релейно-век-торным управлением [2-4]. Схемам с явными модуляторами присущи недостатки, связанные со сложностью формирования близких по форме к синусоидальной статорных напряжений и токов двигателя и устранением резонансных явлений, возникающих в цепях между емкостями (установленными на выходе АИТ) и двигателем. Применение же прогнозирующего релейно-векторного управления в настоящее время является наиболее перспективным, так как позволяет исключить упомянутые резонансные явления (за счет релейного алгоритма работы системы регулирования), повысить быстродействие и улучшить качество регулирования электромеханических процессов электропривода.

Известное в настоящее время построение систем автоматического управления (САУ) в ЭП с прогнозирующим релейно-векторным управлением базируется на регулировании статорного тока [3] или статор-ного напряжения [2, 4]. При этом управление, при котором для частотно-регулируемой машины непосредственно задаются фазные статорные напряжения (с соответствующим им обобщенным вектором статор© И. А. Косенко 2008 р.

ного напряжения ив) общепринято называть «частот-но-напряженческим» управлением (ЧНУ), а при котором задаются непосредственно фазные токи (с соответствующим вектором статорного тока !3) - «частотно-токовым управлением» (ЧТУ) [8].

К сожалению, в известной научно-технической литературе отсутствует сравнительный анализ электромеханических процессов асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ при применении частотно-токового и частотно-напря-женческого способов прогнозирующего релейно-век-торного управления, что затрудняет проектирование САУ для указанных ЭП, актуально и востребовано практикой.

Целью данной статьи является сравнение электромеханических процессов асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ, формируемых при частотно-токовом и частот-но-напряженческом способах прогнозирующего ре-лейно-векторного управления.

Электрическая силовая схема преобразователя частоты (ПЧ) с АИТ-ШИМ показана на рис. 1 и содержит в своем составе: токоограничивающие реакторы 1_1-1_3; управляемый выпрямитель (УВ), выполненный в виде трехфазной мостовой схемы на тиристорах У1-У6; сглаживающий реактор Ь^; шунт и датчик тока выпрямителя ДТВ; автономный инвертор тока (АИТ), выполненный в виде трехфазной мостовой схемы на запираемых тиристорах У7-У12; блок конденсаторов С1-С3.

На рис. 2, а, б представлены функциональные схемы рассматриваемого ЭП для ЧТУ и ЧНУ (подробно рассмотренные в [3, 4] соответственно), которые содержат: асинхронный двигатель АД; регуляторы положения РП, скорости РС, потокосцепления ротора РПС и токов РТ, РТ1, РТ2, РТ3; блок регуляторов БР; системы векторного регулирования тока СВРТ и напряжения СВРН; системы управления выпрямителем СУВ и инвертором тока СУИ; датчик положения ДП; блок датчиков БД фазных статорных напряжений и токов; вычислитель модуля ВМ; блок компенсации БК; координатный преобразователь КП и блок идентификации.

Для разработанных функциональных схем, представленных на рис. 2, а, б, созданы имитационные модели асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ для частотно-токового и частотно-напряженческого способов управления с прогнозирующим релейно-векторным регулированием, которые учитывают фактическую дискрет-

Рис. 1. Схема ПЧ с АИТ-ШИМ

а)

ность работы силовых ключей управляемого выпрямителя и инвертора. Посредством данных имитационных моделей рассчитаны (для двигателя 4А132Б6У3 мощностью 5,5 кВт) стационарные электромагнитные и переходные электромеханические процессы (разгона, наброса и сброса номинальной нагрузки, реверса, торможения, отработки двукратного значения статорного тока, а также больших, средних и малых перемещений вала ротора АД) рассматриваемого ЭП, которые показаны на рис. 3 - рис. 10. На данных диаграммах приняты следующие обозначения: и5а, Iи - фазные значения статорных напряжения и тока, потокосцепления ротора соответственно; и^, ии и I^ - соответственно напряжения на выходе выпрямителя и входе инвертора тока, ток

в звене постоянного тока; Iш,1*р и Iш, I- соответственно проекции (на оси неподвижной координатной системы «а - Р») заданного I* и фактического Iв значений обобщенных векторов статорного тока;

sp - соответственно проекции за-

б)

Рис. 2. Функциональные схемы асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ: а) - для ЧТУ, б) - для ЧНУ

U sa.U afi и Usa, U,

данного U* и фактического Us значений обобщенных векторов статорного напряжения; М и ю - электромагнитный момент и угловая скорость АД; Is и -соответственно модули обобщенных векторов статорного тока и потокосцепления ротора; а* и а - заданное и фактическое значения угла поворота вала.

Из анализа функциональных схем ЭП с АИТ-ШИМ и полученных для них диаграмм электромеханических процессов при ЧТУ и ЧНУ сделаем следующие выводы.

Выводы

1. При прогнозирующем релейно-векторном регулировании для частотно-токового и частотно-на-пряженческого способов управления достигается высокое быстродействие регулирования статорного тока (характеризующееся временем нарастания (7-10) мс при отработке двукратного задания на активную составляющую обобщенного вектора статорного тока).

2. В техническом отношении схема САУ при частотно-токовом управлении заметно проще, чем при ЧНУ, это объясняется следующим:

- отсутствием блока компенсации внутренних перекрестных связей двигателя, а также дополнительных (как в случае с ЧНУ) регуляторов тока, что в совокупности заметно упрощает техническую реализацию рассматриваемой системы с ЧТУ и повышает её быстродействие [4];

- простотой реализации системы прогнозирующего релейно-векторного регулирования статорного тока (СВРТ), что достигается упрощением математических зависимостей при определении оптимальной комбинации открытых силовых ключей АИТ [3].

3. Частота переключения силовых ключей АИТ при обоих рассматриваемых способах управления является примерно одинаковой и составляет: для динамических режимов - не более 3,5 кГц, а для стационарных режимов - не более 2 кГц. Однако, при

Ш5Я. 0>В:Вя,Л;*'га. 10-16

0 0,05 0.1 0,15 0,2 0,25 ^С б)

0,01 0,02 д)

, ,11^. 0Л*В: 1за ,2 ч А; Угц .4 0- В б

40 20 О -20 -40,

Ига.О.№;1Еа,2хД;%а,40хВб

0,01

0,02

Л)

й

4о' 20 О -20 -40

Уза, 0.1хВ;1аа,2*А;УГа,40*Вб

о

0,01

м)

0,02

и

Рис. 3. Стационарные электромагнитные процессы асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ: а, б, в, г, д, е - на холостом ходу; ж, з, и, к, л, м - с номинальной нагрузкой; а, в, д, ж, и, л - для ЧТУ; б, г, е, з, к, м - для ЧНУ (при скоростях: а, б, ж, з - ю = 0,1юн ;

в, г, и, к - ю = 0,5юн ; д, е, л, м - ю = юн )

0.01 0,02 в)

Рис. 4. Стационарные электромагнитные процессы асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ при номинальной скорости: а, в - для ЧТУ; б, г - для ЧНУ

а)

г)

б)

д)

в)

е)

т*

Рис. 5. Переходные процессы отработки ступенчатого задания на активную составляющую статорного тока

в асинхронном ЭП с АИТ-ШИМ: а, в, д - для ЧТУ; б, г, е - для ЧНУ (при скоростях: а, б - ю = 0,1юн; в, г - ю = 0,5юн;

д, е - ю = юн)

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0.05 Г,С б) г)

Рис. 6. Электромеханические процессы при ударном приложении номинальной нагрузки: а, в - для ЧТУ; б, г - для ЧНУ

20 15 10 5 0 -5 -10-15

г)

т* Т

Рис. 7. Годографы изменения заданного и фактического обобщенных векторов статорного тока в стационарных режимах работы ЭП: а, в - для ЧТУ; б, г - для ЧНУ

а) б)

Рис. 8. Переходные электромеханические процессы асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ: а - для ЧТУ; б - для ЧНУ

в) г)

Рис. 9. Годографы изменения заданного и* и фактического и* обобщенных векторов статорного напряжения в стационарных режимах работы ЭП: а, в - для ЧТУ; б, г - для ЧНУ ( а, б - на холостом ходу; в, г - с номинальной

нагрузкой)

100 50 О -бо

-100

,20;

М, НмЛ,,А

л/ Ж

/М /

о 0,02 0.04 0,06 о,оа р (.С

г)

а*,а,5*]шд;ю,рад/с; М, Нм;13,Л

О 0.05 0,1 0,15 0,2 0,25 ЩЗ б)

0.02 0,04 0,06 ^с д)

"Рад/о; М, Нм; !„,А

в)

Рис. 10. Переходные электромеханические процессы регулирования положения: а, в, д - для ЧТУ; б, г, е - для ЧНУ

этом система с ЧНУ обеспечивает функционирование АИТ-ШИМ с относительно большими значениями (100мкс и выше) длительностей межкоммутационных интервалов силовых ключей инвертора, тогда как с ЧТУ работа осуществляется с намного меньшими длительностями упомянутых интервалов (менее 20 мкс). Это требует применения при ЧТУ более быстродействующих силовых ключей инвертора и уменьшенной дискретности цифровой системы управления, чем при ЧНУ.

4. Сравнение полученных электромеханических процессов при отработке перемещений асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ с применением ЧТУ и ЧНУ показали, что размах пульсаций электромагнитного момента АД в ЭП с ЧНУ значительно ниже, чем с ЧТУ, что является предпосылкой создания на основе САУ с ЧНУ широкодиапазонного и следящего асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ.

5. Для обоих рассматриваемых способов ре-лейно-векторного управления получено высокое качество (соответствующее общепринятым стандартным настройкам) регулирования асинхронного ЭП с АИТ-ШИМ в динамических и стационарных режимах, что предполагает возможность широкого использования данного ЭП в общепромышленном автоматизированном электроприводе при ЧТУ и ЧНУ.

Перечень ссылок

1. Leonhard W. Control of electrical drives. - Springer Verlag, 1996. - 420 p.

2. Шрейнер Р. Т., Ефимов А. А., Мухаматшин И. А. Про-

в системах электроснабжения и электропривода // Электроприводы переменного тока: Труды XIII научно-технической конф. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ. - 2005. - С. 137-140.

3. Волков А. В., Косенко И. А. Асинхронный электропривод на основе автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией // Техн. елект-родинамка. Тем. вип.: Проблеми сучасноТ елект-ротехшки. - Кив. - 2008. - Ч. 1. - С. 81-86.

4. Волков А. В., Косенко И. А. Прогнозирующее ре-лейно-векторное регулирование в асинхронных электроприводах с инвертором тока // Вюник КДПУ. - Кременчуг. - 2008. - № 3. - С. 98-102.

5. Рехенберг К. Влияние частоты пульсаций напряжения преобразователей частоты на срок службы изоляции обмоток частотно-управляемых трехфазных асинхронных двигателей // Техн. електро-динамка. - Киев. - 2000. - № 2. - С. 56-58.

6. Nonaka S., Neba Y. A PWM GTO current-source converter-inverter system with sinusoidal inputs and outputs // IEEE Trans. IA. - 1989. - Vol. 25. - № 1. -P. 76-85.

7. Nonaka S., Neba Y. Quick regulation of sinusoidal output current in PWM in converter-inverter system / / IEEE Trans. IA. - 1991. - Vol. 27. - № 6. - P. 10551062.

8. Пивняк Г. Г., Волков А. В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией. - Днтропет-ровськ: НГУ, 2006. - 470 с.

гнозирующее релейно-векторное управление ак- Поступила в редакцию 27.06.08

тивными токовыми преобразователями частоты

Виконано порiвняльний SHani3 частотно-струмового i частотно-напругового cnoco6ie релейно-векторного керування асинхронними електроприводами з автономним iнвертoрoм струму з ширoтнo-iмпульcнoю модуля^ею.

The comparative analysis of frequency-current and frequency-voltage relay-space vector control methods by asynchronous electric drives based on current source inverter with pulse-width modulation is carried out.