CC BY
79
УДК 621.313
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА «МЯГКОГО» ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПРИВОДНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА
О.В. Горячев, И. А. Шигин, В.К. Гаврилкин
Предложен способ разнога приводного асинхронного трехфазного двигателя электрогидравлического привода при ограниченной мощности системы электропитания подвижного объекта. Представленное решение позволяет гарантированно перевести электрогидравлический привод в рабочий режим в условиях ограниченной мощности системы электропитания с минимальным влиянием на остальные системы ме-хатронного комплекса.
Ключевые слова: асинхронный трехфазный двигатель, автономный инвертор напряжения, синхронизация источников питания, трехфазный ключ.
Электрогидравлические приводы (ЭГП) в настоящее время широко используются в качестве силовых систем мехатронных комплексов средней и большой мощности, работающих от автономных источников питания системы электропитания (СЭП) ограниченной мощности. Применение СЭП ограниченной мощности приводит к тому, что прямой пуск приводного асинхронного трехфазного двигателя (АТД) оказывается невозможным, так как сопровождается большим мгновенным потреблением энергии, вызывающим падение, а после разгона АТД - резкий скачок напряжения [4]. Такое изменение напряжения вызывает срабатывание защиты и отключение аппаратуры СЭП и ряда других систем, в том числе и центральной вычислительной системы (ЦВС) мехатронного комплекса.
Уменьшить влияние в процессе пуска приводного двигателя ЭГП на качество выходного напряжения СЭП можно с помощью плавного пуска, который позволяет снизить абсолютные величины провалов напряжения, распределив дополнительную нагрузку во времени. Для реализации алгоритмов плавного пуска АТД необходим преобразователь частоты (ПЧ) с автономным инвертором напряжения (АИН).
Известны различные способы управления частотой вращения ротора АТД, представленные в работах А.С. Сандлера, В.И. Ключева, К.П. Ковача, Р.Т. Шрейнера, А.И. Вольдека. Проведенный анализ энергетических характеристик АТД с различными способами управления позволяет сделать вывод о предпочтительном использовании для плавного пуска приводного двигателя ЭГП амплитудно-частотного закона, обеспечивающего линейную зависимость момента от тока в любой точке разгонного участка:
' М Л 1 / I
}виг. :
Л/Т — ном т
М двиг. - —-1 дв
1 ном
т.е. энергетически наиболее выгодного режима эксплуатации АТД.
Однако недостатком включения в цепь питания приводного двигателя ЭГП АИН являются дополнительные потери в силовых ключах АИН: при падении на транзисторе порядка 4 В и среднем токе 50.. .60 А получим порядка 2 кВт потерь, которые необходимо рассеять в окружающей среде с температурой до 60 °С. Для решения такой задачи необходимы соответствующий по площади радиатор и его принудительный обдув независимым вентилятором, что по предварительной оценке приводит к габаритному размеру ПЧ 500х500х500 мм и массе около 100 кг[1].
Существенно уменьшить потери энергии в установившемся режиме и обеспечить заданные характеристики при пуске приводного двигателя ЭГП возможно путем «мягкого» переключения между нерегулируемым и регулируемым источниками питания двигателя (рис. 1).
Рис. 1. Схема «мягкого» включения АТД с ПЧ
Ключ 1 (К1) подает питание на преобразователь частоты, который, в свою очередь, по заданному закону регулирует напряжение и частоту питания АТД. Трехфазный электронный ключ ТЭК1 предназначен для подключения ПЧ и АТД. Поскольку момент двигателя в 3 - 4 раза превышает потребный момент, двигатель гарантированно разгоняется до номинальных оборотов. По окончании разгона ключ ТЭК1 закрывается и открывается ключ ТЭК2, подключая АТД к сети с напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Использование в качестве коммутатора ТЭК позволяет произвести переключение источников питания приводного двигателя ЭГП максимально быстро. Однако на самом ТЭК также возникают дополнительные потери. С целью исключения потерь на электронных ключах, целесообразно шунтировать ТЭК2 ключом К2. При такой схеме включения АТДПЧ работает только в течение времени разгона приводного двигателя и, следовательно, тепловые процессы можно не учитывать.
Из работ К.П. Ковача [5], А.Б. Виноградова [2] известно, что при переключении источников питания АТД возникает бросок тока, амплитуда которого зависит от фазового сдвига между напряжением сети и напряжением на двигателе. С целью обеспечения «мягкого переключения» питаю-
74
щего напряжения с ПЧ на бортовую сеть 380 В 50 Гц необходима фазовая синхронизация выходного напряжения источников питания по окончанию разгона АТД. Таким образом, формирование алгоритмов переключения источников питания АТД ЭГП является актуальной задачей.
Формирование и отработку законов управления разгоном АТД и согласования питающих напряжений целесообразно проводить на виртуальной модели в среде Matlab [3].
Для обеспечения синхронизации ПЧ с сетью необходимо прежде всего определить мгновенную фазу между напряжением сети и выходным напряжением ПЧ. Для этого воспользуемся известной формулой:
sin(wt + j) • cos wt = 1 [sin(wt + j - wt) + sin(wt + j + wt)] =
= 1 [sin j + s in(2wt + j)]
Если пропустить этот сигнал через сглаживающий фильтр, гармоническая составляющая удвоенной частоты sin(2wt + j) уменьшается до величины, которой можно пренебречь, и тогда выходной сигнал такой
схемы будет равен ~sin j.
Выделив, таким образом сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу, можно замкнуть обратную связь на задающий генератор ПЧ и, воздействуя на частоту генератора, обеспечить согласование ПЧ с сетью.
Структурная схема управления ПЧ со стабилизацией фазового сдвига для одной фазы приведена на рис. 2, где блок Invertor преобразует сеть из синуса в косинус; Filtr - сглаживающий фильтр; Korfiltr-корректирующий фильтр, повышающий точность системы.
Синхронизация и дальнейшая стабилизация напряжений осуществлены за счет компенсации фазового сдвига путем определения величины рассогласования фаз и компенсации этого рассогласования посредством регулирования частоты и фаз напряжений АИН.
Рис. 2. Структурная схема управления ПЧ со стабилизацией фазового сдвига
Модель системы управления разгона АТД и последующей синхронизации напряжения ПЧ с напряжением бортовой сети представлена на рис. 3.
Рис. 3. Модель управления разгона АТД и последующей синхронизацией питающих напряжений АТД для одной фазы
Процесс синхронизации напряжений приводит к изменению частоты вращения АТД и как следствие к повышенным токам в системе. В случае автономной СЭП критичным является не превышать заданное значение тока в процессе согласования напряжений источников питания. Анализ влияния процесса согласования питающих напряжений АТД ЭГП на качество выходного напряжения СЭП мехатронного модуля целесообразно проводить, используя систему уравнений СЭП - ПЧ - АТД. Данная математическая модель представлена на рис. 4.
Рис. 4. Модель управления пуском АТД и последующей синхронизацией ПЧ с сетью
76
Результаты моделирования пуска АТД от ПЧ и последующей синхронизации напряжений представлены на рис. 5 - 8.
Ф, рад
Рис. 5. Значение фазы
г, с
иа, В
Рис. 6. Синхронизация напряжений
1, с
1а, А
т я
Ш
рад/с
Рис. 7. Значение токов статора
Рис. 8. Развиваемые значения скорости и момента АТД
1, с
Ъ с
Ъ с
Таким образом, сформирована математическая модель, процесса синхронизации напряжений источников питания. Варьируя параметры модели, представленной на рис. 4, можно получить удовлетворительный для рассматриваемой системы процесс синхронизации выходных напряжений источников питания АТД ЭГП. Тем самым гарантируется успешный запуск АТД ЭГП в условиях ограниченной мощности СЭП с минимальным влиянием на остальные системы мехатронного комплекса.
Список литературы
1. Артющев В.В., Горячев О.В., Шигин И.А. Способ выведения на номинальный режим приводного двигателя электрогидравлического привода при ограниченной мощности системы электропитания // Сб. докл. X Всероссийской юбилейной науч.-тенхн. конф. «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов». Москва, 26 июня 2015 г. М.: Изд-во МАИ, 2015. С. 216 -222.
2. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново, Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2008. 298 с.
3. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование систем в MATLAB 6.0: учеб.пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. 320 с.
4. Асинхронные двигатели серии 4 А: справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
5. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, olegv-goraramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шигин Илья Александрович, инж.-исследователь 2-й категории, [email protected], Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Гаврилкин Виктор Константинович, инж., gavrilkinvkamail.ru, Россия, Тула, АО ««Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»
DEVELOPMENT OF ALGORITHM «SOFT» SWITCHING POVWR SUPPLIES OF INDUCTION MOTOR ELECTROHYDRA PLIC ACTPA TOR
O. V. Goryachev, I.A. Shigin, V.K. Gavrilkin 78
The control system for asynchronous motor of electro-hydravlik drive taking into account the saturation of power system is designed.
Key words:autonomous voltage invertor, electrohydraulic drilling, induction motor, synchronization of power supplies.
Goryachev Oleg Vladimirovich, candidate of technical sciences, professor, head of chair, olegvgorarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shigin Ilia Alexandrovich, research engineer of second category, i. [email protected], Russia, Tula, JSC "KBP named after Academician A. Shipunov",
Gavrilkin Victor Konstantinovich, engineer, gavrilkinvk@,mail. ru, Russia, Tula, JSC "KBP named after Academician A. Shipunov"
