CC BY
122
УДК 621.313.062.4:621.314.632
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Ю.Н. Дементьев
Томский политехнический университет E-mail: dementiev@mail2000.ru
Рассмотрены вопросы оптимального управления вентильным преобразователем по потокосцеплению в вентильном электроприводе ссинхронной машиной изависимым инвертором, а также в надсинхронном вентильном каскаде сасинхронной машиной с фазным ротором. Показана возможность обеспечения надежной работы электроприводов переменного тока с вентильным преобразователем при оптимальном выборе параметров управления, рекомендации по их выбору.
Ключевые слова:
Электропривод, переменный ток, управление, вентильный преобразователь, синхронная машина, вентильный двигатель, асинхронная машина, надсинхронный вентильный каскад.
Key words:
Electric drive, alternative current, control, valve inverter, synchronous machine, ac converter-fed motor, asynchronous machine, above-synchronous wound-rotor slip recovery system.
Необходимость повышения эксплуатационной надежности производственных установок и механизмов вызвала интенсивное развитие регулируемых приводов переменного тока, которые в настоящее время являются наиболее перспективными благодаря их применению для традиционно нерегулируемых общепромышленных механизмов. Среди различных типов электроприводов в последние годы все более широкое распространение получают электроприводы переменного тока с наиболее часто применяемым типом вентильного преобразователя со звеном постоянного тока и естественной коммутацией вентилей [1, 2].
Наиболее перспективным и универсальным типом регулируемого электропривода переменного тока является электропривод с синхронной машиной (СМ), питаемый от вентильного преобразователя частоты с инвертором тока, и управляемый по положению ротора вентильный двигатель (ВД), а также надсинхронный вентильный каскад (НВК)
с асинхронной машиной с фазным ротором (АМ). Использование в электроприводах переменного тока вентильных преобразователей с естественной и машинной коммутацией делает их энергоэффективными, дешёвыми и надежными.
Во многом работа электроприводов переменного тока ВД и НВК качественно подобна, так как существенно зависит от работы вентильного преобразователя (ВП), к зажимам а, Ь, с которого, присоединяется обмотка статора синхронной машины или обмотка ротора асинхронной машины, согласно схеме рис. 1.
Использование машинной коммутации вентилей ВП ВД или НВК позволяет повысить предельную мощность ВП (коммутатора СМ), его надежность, упростить силовые цепи и системы управления, снизить стоимость. Кроме того, имеется возможность без дополнительных устройств пропускать мощность в обоих направлениях, что легко реализуется изменением углов управления.
Вентили ВП, работающего в режиме зависимого инвертора, необходимо открывать с переменной частотой, зависящей от частоты вращения. На практике обычно используется так называемое внутреннее управление (самоуправление) [3, 4], т. е. вентили преобразователя открывают с частотой, изменяющейся пропорционально частоте вращения собственного вала машины, а коммутацию тока во всех режимах, за исключением пуска (ВД) и области синхронной скорости (НВК), осуществляют с помощью ЭДС вращения (индуцированного напряжения) СМ или АМ. Момент начала коммутации определяется сигналом, пропорциональным какому-либо сигналу электрической машины, а длительность коммутации - реактивными сопротивлениями машины.
В статье рассмотрен один из возможных способов управления ВП, позволяющий получить оптимальные, с точки зрения управления, регулировочные и механические характеристики электроприводов переменного тока и обеспечить приблизительно постоянное значение динамического запаса от границы опрокидывания ВП, работающего в инверторном режиме, во всем рабочем диапазоне изменения нагрузки.
Управление по потокосцеплению
Одним из самых простых и надежных способов при практической реализации внутреннего зависимого управления ВП в электроприводах переменного тока согласно рис. 1 является самоуправление по потокосцеплению [3, 4], заключающееся в том, что момент открывания вентилей синхронизирован с сигналом, пропорциональным потокосце-плению. Основными достоинствами этого способа управления является практическое постоянство амплитуды управляющего сигнала во всём рабочем диапазоне, кроме того, содержание высших гармоник в этом сигнале наименьшее, форма его близка к синусоиде, а годограф - к окружности.
Для потокосцеплений статорной цепи СМ в ВД и роторной цепи АМ в НВК действительны схемы замещения рис. 2 (за счет выбора коэффициента приведения, индуктивности рассеяния статора СМ и ротора АМ обращаются в нуль) [3-5].
На основе схем замещения рис. 2 для векторов потокосцепления можно записать:
¥ = ¥ - Ь'і - СМ в ВД;
¥г' = - Ь'Х - АМ в НВК, (1)
где і, іг - обобщенные пространственные вектора токов статора СМ и ротора АМ; Ь, Ьг' - приведенные переходные индуктивности статора СМ и ротора АМ; ¥, ¥ ', ¥„ ¥г ' - обобщенные пространственные вектора потокосцеплений статора СМ и ротора АМ.
Согласно схемам замещения рис. 2 и выражениям (1), управление вентилями ВП в рассматриваемых приводах переменного тока можно осуществлять по сигналу, пропорциональному любому заданному потокосцеплению:
¥ = ¥ - ці=¥ - (ц - ь')Т - вд,
¥ = ¥г - ц I=¥г - (ц - ц)ї - нвк, (2)
где Ь, Ьг'- приведенная переходная индуктивность статора СМ и ротора АМ; Ьз - индуктивность задания.
Таким образом, согласно (2), варьируя значениями индуктивности задания, можно установить любое желаемое потокосцепление управления. Например, если установить индуктивность задания Ьз=Ь и Ь3=ЬГ', то управление открыванием вентилей ВП будет осу-ществляться по переходному по-токосцеплению ¥ статора СМ в ВД и переходному потокосцеплению ¥ ' ротора АМ в НВК, если установить Ьз=0, то управление открыванием вентилей ВП будет происходить по потокосцеплению ¥ статора СМ в ВД и потокосцеплению ¥г ротора АМ в НВК.
Момент открывания вентилей ВП зависит от положения- вектора потокосцепления управления (задания) ¥з, и коммутация вентилей ВП происходит при его определенных положениях в момент времени открывания 4. Например, вентиль NC в ВД (рис. 3, а), а тиристор ОТ в НВК (рис. 3, б) открываются в момент времени 4, если .вектор потокосцепления управления (задания) ¥з достигнет положения, при котором его угол относительно координатной оси у будет равен углу управления (задания) а
Следующий очередной вентиль РВ в ВД и РС в НВК открываются тогда, когда вектор потокосце-
¥
с
ь=ьс,=ь
¥ г = ¥ 5 = Чг
а б
Рис. 2. Схемы замещения для потокосцеплений: а) СМ в ВД; б) АМ в НВК
пления управления (задания) Тз повернется на 60° относительно своего положения в предыдущей коммутации (рис. З, а, б).
В_связи с тем, что приведенные потокосцепле-ния Т' СМ в ВД и Тг^М в НВК определяются индуктированными, практически синусоидальными напряжениями, поэтому действительный угол открывания вентилей а определяется от места их естественной коммутации.
Из рис. З, а, б следует, что действительный угол открывания а определяет местоположение вектора переходного потокосцепления Т'СМ в ВД и переходного потокосцепления Тг' AM в НВК в момент открывания i=ik.
Момент открывания вентиля NC в ВД (рис. З, а) и вентиля NB в НВК (рис. З, б) определяется следующим условием:
Т з '(tk >еа = 0, (З)
где (•) означает скалярное произведение.
Принимая во внимание условие (З), можно получить расчетную формулу для определения действительного угла открывания а:
sin аз +1(1 - cos З)cos(aз + п / б)
а = arctg-----з------------------з-------=
cos аз -1 sin З cos(аз + п / б)
= аз +Yз, (4)
где /=1-LJL'- ВД; /=1-L3/Lr'- НВК; аз - угол задания вектора потокосцепления управления в момент открывания тиристора; у3 - уголмежду вектором потокосцепления управления_Тз, и вектором переходного потокосцепления Т' статора СМ (рис. З, а) или переходного потокосцепления ротора Т/ AM (рис. З, б).
Из выражения (4) следует, что действительный угол открывания а зависит от параметров машины (индук-
тивности - СМ и Ц '- АМ), индуктивности задания Ьз и угла управления аз, а также от нагрузки 8.
На рис. 4 представлены расчетные регулировочные характеристики управления а=/(8) для нескольких значений задания индуктивности Ьз и угла управления аз при работе ВП в инверторном режиме.
Регулировочные характеристики рассчитаны при значениях переходной индуктивности статора Ь-0,15 СМ и ротора Ц =0,2 АМ. Здесь же приведены граничная характеристика опрокидывания ВП, работающего в инверторном режиме а+8=180°, и характеристика нагрузки 8=60°, а также характеристика а+ 8=180°, при которой обеспечивается надежный режим работы ВП рассматриваемых приводов переменного тока.
Из приведенных характеристик и выражения (4) следует, что действительный угол открывания а при изменении нагрузки отклоняется от угла открывания при идеальном холостом ходе а0=а(8=0)=ази это отклонение зависит оттого, по какому потокосцеплению производится управление. Например, если принять значение индуктивности задания Ьз=Ь' для СМ в ВД и Ьз=Ьг' для АМ в НВК, то при возрастании нагрузки угол открывания а остается постоянным. Если принять значения индуктивности задания Ьз>0, то из-за 7з>0 угол а возрастает, а при Ьз<0 из-за 7з<0 угол а уменьшается.
Управление ВП по потокосцеплению и выбор оптимальных значений задания угла управления аз и индуктивности Ьз в рабочем диапазоне изменения нагрузки (8<30°) обеспечивает постоянство угла а+8.
Анализ расчетных характеристик, представленных на рис. 4, показывает, что к оптимальным, с точки зрения управления, характеристикам
а, град 180. 150- 120, Ьщ-Ь- —1^—1^ 1,5 1>Ьа=1^=о,15 ^£іі2ц“і,з
ЇГ т ■ а+8=180°
\ \ а+5=150°
р о ОО
90 - \
60
о 30 60 5, град
а
Рис. 4. Регулировочные характеристики: а) ВД, б) НВК
а+5=сош1:, например а+<5=150° в установившемся режиме работы (при 5«25° и моменте нагрузки в относительных единицах до 1,5), можно отнести характеристики при небольших отрицательных значениях индуктивности задания (Хз=-0,08 - ВД, Ьз=-0,07, Ьз=-0,1 - НВК). При этом обеспечивается приблизительно постоянное значение динамического запаса от границы опрокидывания (а+5=180°) ВП, работающего в инверторном режиме, во всем рабочем диапазоне изменения нагрузки и надежный режим работы ВД и НВК. Чем меньше переходная индуктивность статора Ь син-
хронной машины в ВД и ротора Ьг' асинхронной машины в НВК, тем ближе можно подойти к граничной характеристике опрокидывания а+5=180° ВП, работающего в инверторном режиме, достичь большего угла а+5=сош1 и обеспечить наилучшее использование ВП и электрических машин в машинно-вентильных приводах переменного тока.
Динамический запас по току, при котором обеспечивается надежная работа ВП при управлении по потокосцеплению во всем диапазоне изменения нагрузки, можно определить по следующему выражению:
Рис. 5. Механические характеристики: а) ВД, б) НВК
A/d = /dmax - /d = \/к.з [1 + cos(a + З)],
Т
где /кз = — - ток короткого замыкания СМ;
= Т Г
/к.з = “тт - ток короткого замыкания AM.
L
r
На рис. 5, а, б представлены механические характеристики в относительных единицах ю*(М*) СМ вВДиAMвHВК при аз=150° и различных значениях L3.
Из представленных характеристик следует, что к оптимальным параметрам заданий угла управления и индуктивности можно отнести следующие диапазоны значений задания: аз=150...160°,
La=-0,08...0 для ВД; аз=150...160°, Lз=-0,1...0 для НВК. Выбор других значений задания, например больших отрицательных значений индуктивности Ls=—0,15 для ВД и L,j=-0,2 для НВК, может привести к неустойчивой работе электроприводов в установившемся и динамическом режиме, что подСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Aракелян AX, Aфанаcьев A.A., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. - М.: Энергия, 1977. - 224 с.
2. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Вентильные каскады и двигатели двойного питания. - М.: Энергия, 1979. - 174 с.
3. Dementyev Yu.N. Felvezetos szinkron feletti aszinkron motoros kas-zkad hajtas statikus es dinamikus vizsgalata // Kandidatusi ertekez-es. - Budapest, 1984. - 177 c.
тверждают исследования на реальном электроприводе и на модели
Выводы
1. Предлагаемый способ оптимального управления вентильным преобразователем в электроприводах переменного тока, вентильном двигателе и надсинхронном вентильном каскаде по потокосцеплению достаточно прост в реализации, обеспечивает надежную работу преобразователя и максимальное использование двигателя.
2. Выбор оптимальных параметров индуктивности задания и угла управления обеспечивает динамический запас от границы опрокидывания вентильного преобразователя, работающего в инверторном режиме, при котором возможна надежная коммутация вентилей и устойчивая работа вентильного двигателя и надсинхронно-го вентильного каскада в установившемся и динамическом режимах.
Работа выполнена в рамках Госзадания «Наука» № 7.2826.2011.
4. Дементьев Ю.Н., Расстригин А.А. Зависимое управление роторным преобразователем в надсинхронном вентильном каскаде // Известия Томского политехнического университета. -2005. - Т. 308. - №7. - С. 116-119.
5. Дементьев Ю.Н. Математическое описание статики и динамики электропривода переменного тока с вентильными преобразователями // Электричество. - 2009. - № 12. - С. 45-50.
Поступила 06.03.2013 г.
