Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Подождите немного. Документ загружается.

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

блок искусственной коммутации БИК, сглаживающий дроссель L

др

, пусковой резистор R

контактором обвода КО, систему управления и другие элементы.

Рис.6.5.1 Структурная схема преобразовательного агрегата вагона-электростанции

Двигатель СД–185 мощностью 185 кВт выполнен с двумя трехфазными обмотками,

взаимно сдвинутыми по фазе на 30 эл. град. Напряжение статорных обмоток

, частота напряжения 50 Гц. При пуске агрегата начальное возбу

двигателя

1170 В ждение двигателя

обеспечивается при питании системы возбужден ал н

режимах питание системы возбуждения двигателя осуществляется от сети 380 В. Для

учета

трехфазным обмоткам син-

хронного двигателя и соединены последовательно дроссе-

лем и пусковым резистором. Напряжение -

ключат

тема управления обеспечивает работу привода и регулирование параметров при

пуске агрегата, в н -

жения контактной

контак

тся

н-

синхронизируются со сверхпереходными ЭДС. При этом в установившихся режимах обеспе-

чивается поддержание

до -

каются пределах от минимального δ

min

до максимального δ

max

зна-

чения.

ия от аккумуляторной батареи. В ост ь ых

влияния нагрузки на магнитное состояние двигателя в его систему возбуждения введена об-

ратная связь по току генератора.

Тиристорные мосты зависимого инвертора подключены к

друг с другом, со сглаживающим

контактной сети подается на инвертор через вы

ель

и блок искусственной коммутации. Перед блоком искусственной коммутации

включен фильтр с конденсатором C

и резистором R

, на выходе блока включена цепочка

диодов VD, шунтирующих цепь с дросселем, инвертором и двигателем при прерывании вы-

прямленного тока.

Сис

установившихся режимах, при изменениях нагрузки и колебаниях апря

сети. На вход системы управления поступают сигналы по напряжению

тной

сети U

, по выпрямленному току инверторов I

, сигналы датчика положения ро-

тора двигателя ИДП. На выходе системы управления формирую сигналы управления кон-

тактором обвода ИУО, тиристорами инвертора ИУИ, а также сигналы управления ИУК и

ИУП коммутирующим и проходным тиристорами блока искусственной коммутации. В сис-

теме управления обеспечивается фильтрация напряжений двигателя с использованием и

формации о фазных токах,

и выделяются сверхпереходные ЭДС двигателя E

, E

. В зоне

естественной коммутации тока в вентилях инвертора управляющие импульсы инвертора

заданного угла запаса инвертора δ

ном

. В переходных режимах пус

отклонения угла запаса в

191

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

При проектир ля -

лиза пе ие -

тифазн На

рис.

6.5.2 представлена п -

ного момента и частоты

овании установки была разработана ее математическая модель д ана

исан шесреходных и установившихся режимов работы. В модели использовано оп

ой синхронной машины и 12-пульсного тиристорного инвертора (см. § 6.4).

олученная на модели диаграмма токов, напряжений, электромагнит

вращения агрегата в начале пуска.

ском агрегата осуществляет-

ся нач

льного

уровня

мал, агрегат готов к приему нагрузки.

ис.6.5.2 Начало пуска преобразовательного агрегата вагона-электростанции

На рис.6.5.2 изображены следующие кривые:

− выпрямленное напряжение u

;

− выпрямленный ток i

;

− фазные напряжения 1 обмотки двигателя u

, u

;

− фазные токи 1 обмотки двигателя i

, i

;

− ток возбуждения двигателя i

;

− электромагнитный момент двигателя M

эм

;

− частота вращения двигателя n.

В соответствии с рис.

6.5.2 и со схемой рис.6.5.1 перед пу

альное возбуждение двигателя в течение времени T

. Затем инвертор подключается к

контактной сети через пусковой резистор R

. В начале пуск происходит при искусственной

коммутации тока в вентилях инвертора с использованием блока искусственной коммутации

БИК. СИФУ выдает в БИК сигналы ИУК, по которым включается коммутирующий тиристор

и гасится выпрямленный ток. Далее с задержкой по времени СИФУ выдает импульсы на

включение проходного тиристора ИУП и включение тиристоров инвертора ИУИ.

Переход на

естественную коммутацию тока в вентилях инвертора осуществляется при достижении

5-10 % номинальной частоты вращения. Выход на номинальную частоту вращения обеспе-

чивается после включения регулятора частоты.

В процессе пуска при уменьшении тока контактной сети до заданного минима

пусковой резистор шунтируется контактором обвода. Переходный процесс представ-

лен на рис.

6.5.3. Кроме кривых, указанных на рис.6.5.2, на рис.6.5.3 изображены: напряже-

ние контактной сети u

, угол инвертирования инвертора β. Шунтирование пускового сопро-

тивления сопровождается кратковременным увеличением выпрямленного тока инвертора и

фазных токов двигателя. После завершения переходного процесса агрегат работает на холо-

стом ходу, ток контактной сети I

сравнительно

192

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Рис.6.5.3 Шунтирование пускового сопротивления

На рис.6.5.4 представлен процесс наброса номинальной нагрузки на преобразователь-

ный агрегат. На рисунке, кроме кривых, указанных выше, изображена зависимость от време-

ни момента сопротивления на валу двигателя M

. Скачкообразное изменение M

от 0 до но-

минального значения соответствует моменту наброса нагрузки.

Рис.6.5.4 Наброс номинальной нагрузки на преобразовательный агрегат

Из рисунка видно, что наброс нагрузки на агрегат сопровождается увеличением вы-

прямленного тока инвертора. Одновременно система регулирования увеличивает угол ин-

вертирования β, поддерживая угол запаса δ. При этом размагничивающее действие фазных

токов двигателя компенсируется увеличением тока возбуждения I

После завершения переходного процесса устанавливается номинальный режим рабо-

ты агрегата. Напряжения и токи инвертора и двигателя, угол инвертирования инвертора, а

также вращающий момент двигателя представлены на рис.

6.5.5. В установившихся режимах

работы системы поддерживается сравнительно большой угол запаса инвертора для обеспе-

чения устойчивости системы при скачкообразных изменениях напряжения контактной сети.

На рис.

6.5.6 представлен переходный процесс при увеличении напряжения контакт-

ной сети u

193

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Рис.6.5.5 Номинальный режим работы преобразовательного агрегата

Рис.6.5.6 Переходный процесс при скачкообразном увеличении напряжения сети

В рассматриваемом случае указанное возмущ е ени успешно отрабатывается системой

регулирования. Если скачок напряжения контактной сети слишком велик, то для ограниче-

ния выпрямленного тока кратковременно включается пусковой резистор.

модели силовой части установок [18], [111],

[132]. К

модели на каждом интервале расчета определяются токи, напря-

жения и другие переменные. Часть переменных, соответствующая имеющимся в реальной

системе датчикам, поступает в плату ввода-вывода. В этой плате сигналы преобразуются в

аналоговые и передаются в блок управления. Сигналы «датчиков» обрабатываются в блоке

управления по соответствующей программе. На выходе блока управления формируются сиг-

налы, которые передаются в компьютер через плату ввода-вывода. В компьютерной модели

эти сигналы используются для переключения

вентилей и выполнения других операций.

6.6 Наладка систем управления с использованием

математических моделей

В разработанной системе наладки изготовленных блоков управления и отладки про-

грамм управления используются компьютерные

омпьютер соединяется с блоком управления через плату ввода-вывода (плату согла-

сования). В компьютерной

194

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Основным условием реализации указанной возможности наладки блоков управления

является создание математических моделей приводов, работающих в реальном времени

[106]. Такие модели (программы расчета на ЭВМ) созданы на «Электросиле» для некоторых

систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями.

Несколько моделей разработаны для установок, содержащих тиристорные преобразо-

ватели частоты со звеном постоянного тока или

инверторы, синхронные машины и возбуди-

тели (пусковые устройства турбоагрегатов мощностью 63–220 МВт [3], приводы мельниц

мощностью 4 МВт [1], приводы шахтных вентиляторов мощностью 3,7 МВт, преобразовате-

ли собственных нужд ПР-50 для электропоездов). Одна из используемых схем системы на-

ладки блоков управления указанных установок представлена на рис.

6.6.1. В схеме компью-

терная модель силовой части установки связана через плату согласования с микропроцес-

сорным блоком управления МПСУ.

Плата

согласования

МПСУ

СИФУ выпрямителя

СИФУ инвертора

ПИ-регулятор

частоты

вращения

ПИ-регулятор

выпрямленного

Блок искусственной

Регу ор

возбуждения

Ia, Ic

ИУВ

сг

ИУИ

тока

коммутации

лят

Ifz

Uсг

ИУИ

a, Ic

ИУВ

Uс

Компьютерная модель Плата согласования Блок управления

6кВ, 50Гц

a, Ic

Uс

ИУ

СУ

Тр

ТВ

ТИ

Q4 Q1 Q2

ПЧ

Ifz

Q5 R

СМ

Рис.6.6.1 Схема системы наладки блоков управления электрических систем

В компьютерной модели учитываются следующие устройства: ПЧ – преобразователь

частоты, L – дроссель, ТВ – выпрямитель, ТИ – инвертор, L

– сглаживающий дроссель, СМ

– синхронная машина, Тр – трансформатор, В – возбудитель, r

- разрядный резистор, СУВ –

система управления возбудителем, Q1-Q5 – выключатели. Блок управления содержит систе-

мы импульсно-фазового управления (СИФУ) выпрямителя и инвертора и регуляторы. Через

плату согласования передаются сигналы: U

– напряжение сети, U

– напряжение статора,

и I

– напряжение и ток возбуждения, I

– заданный ток возбуждения, I

, I

– фазные токи

преобразователя, ИУВ, ИУИ – импульсы управления выпрямителя и инвертора.

В системе наладки (рис.

6.6.2) используется компьютер, блок управления полупровод-

никового преобразователя и осциллограф. В компьютер загружается математическая модель

силовой части системы. В блок управления загружается программа уп авления. И эти систе-

мы работают совместно. Контроль правильности работы осуществляется с помощью осцил-

лографа, подключаемого к контрольным точкам блока управления.

Рис.6.6.2 Рабочее место для наладки блоков управления электрических систем

195

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Глава 7 Электроприводы с асинхронными машинами

§ 7.1 Пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей через

тиристорные регуляторы напряжени

При п

усках двигателей переменного тока путем подключения их напрямую к питаю-

щей сети возникают большие пусковые токи, провалы напряжения. В двигателях в началь-

ный момент пуска возникают знакопеременные колебания вращающего момента. Эти меха-

нические воздействия приводят к старению машин, к сокращению срока службы. Для огра-

ничения пусковых токов, провалов напряжения и

механических перенапряжений применяет-

ся пуск двигателей через токоограничивающие реакторы, как изображено на рис.

7.1.1.

АД

s3es1 es2

us3us1

ls ls

us2

АД

us1

es1

us2

us3

es2 es3

lрlр lр

es3es2es1

us2us1

lsls

us3

АД

uн1 uн2 uн3

Прямой пуск Реакторный пуск Плавный пуск

Рис.7.1.1 Схемы пуска трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя

Токоограничивающие реакторы являются наиболее дешевым средством ограничения

пусковых токов, и их применение эффективно, если не происходит «зависание» двигателя на

промежуточной частоте вращения. При «зависании» токоограничивающий реактор шунтиру-

ется выключателем, и п о е нтирования реактора

пуск продолжается при токах того же порядка, что и при прямом пуске

. Применение токоо-

гранич

игателя на пониженной

частоте ия,

ений при пусках двига-

телей является применение тиристорных устройств плавного пуска, содержащих встречно-

параллельно включенные тиристоры в каждой азе. Схема пуска представлена на рис.

7.1.1.

Тиристор пр о . Сущест-

вуют попытки и п стоты на-

пряжения, подаваемого частотное управление

в д

тиристо разработаны математические стемы. В

моделях исание тиристорного преобр представ-

ленное гатель описан в различных вариантах: ытеснения

тока в р теснения (§ 3.5). На рис.

7.1.2 изобр схемы, на

которые тановки при моделировании с уче ения тока

в обмот ы.

уск м ж т быть успешно завершен. Но после шу

ивающих реакторов приводит к снижению напряжения, подаваемого на двигатель.

Пропорционально квадрату напряжения снижается вращающий момент, в том числе пуско-

вой и критический моменты. Чтобы не произошло «зависание» дв

вращен его электромагнитный момент должен превышать момент сопротивления

нагрузки на всех частотах от 0 до номинальной. Для обеспечения

этого при пусках часто

снижают нагрузку на валу двигателя (поворотом лопастей вентиляторов и др.).

Более эффективным средством устранения нежелательных явл

ный е бразователь в данном случае является регулятором напряжения

с ользования преобразователя этого типа и для регулирования ча

на двигатель (квазичастотное управление). Но

анном случае реализуется только в зоне низких скоростей вращения двигателя.

Для процессов при пусках через расчета и анализа электромеханических двигателей

рное устройство плавного пуска

еское оп

модели си

использовано математич азователя,

в § 4.2. Асинхронный дви без учета в

оторе (§ 3.1) и с учетом вы

ажены под

разделяется силовая часть ус

машин

том вытесн

ке ротора асинхронной

196

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

es1

es2

es3

us1

us3

us2

ls21 ls22 l

r21 r

r23 r24

ls24

ls21

r24

ls23ls22

r21 r22 r23

ls24

iad

iaq

is1

is3

is2

телРис.7.1.2 ронным двига

тиристорным регулятором напряжения и питающей сетью

Устройство управления содержит систему импульсно-фазового управления тиристо-

рами, регулятор частоты вращения, формирующий заданный действующий ток статора, а

также регулятор тока статора, формирующий напряжение управления преобразователя. Ма-

тематическое описание основных элементов системы управления представлено в § 4.2.

В соответствии с указанным описанием силовой части установки и системы управле-

ния разработана программа расчета на

ЭВМ электромеханических процессов. В качестве

примера ниже рассмотрены особенности пуска двигателя мощностью 1250 кВт при следую-

щих параметрах. Частота вращения 3000 об/мин, напряжение 6 кВ, частота 50 Гц, коэффици-

ент мощности 0,9, номинальный ток 139 А, скольжение 1,2 %, КПД 96 %, момент инерции с

учетом нагрузки 42 кгм

. Индуктивность рассеяния обмотки статора 0,09 о.е., активное со-

противление обмотки статора 0,011 о.е., индуктивность намагничивания 2,4 о.е. Параметры

контуров ротора l

s21

=0,001 о.е., l

s22

=0,025 о.е., l

s23

=0,035 о.е., l

s24

=0,06 о.е., r

s21

=0,1 о.е.,

s22

=0,07 о.е., r

s23

=0,04 о.е., r

s24

=0,02 о.е. На валу имеется вентиляторная нагрузка, которая

задается зависимостью момента сопротивления от частоты (M

На рис.

7.1.3 представлена диаграмма пуска двигателя при угле управления вентиля-

ми, равном 0 в течение всего процесса пуска (практически прямой пуск). В конце процесса

разгона двигателя момент сопротивления на валу номинальный.

Подсхемы установки с асинх ем,

Рис.7.1.3 Пуск двигателя мощностью 1250 кВт без ограничения тока

197

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

В соответствии с рис.7.1.3 амплитуда пускового тока (после затухания

составляющих) равна 1368 А, действующий пусковой ток равен 967 А. Кр

апериодиче-

ских атность пус-

кового тока K

итуда пускового тока

равна 2205 А. Кратности пускового момента K

=2,29, критического момента K =2,85.

=6,96. С учетом апериодических составляющих ампл

мп мк

Если действующее значение пускового тока ограничивается в системе управления на

уровне 556 А (кратность пускового тока K

=4), то для этого случая на рис.7.1.4 представлена

диаграмма процесса разгона двигателя.

Рис.7.1.4 Пуск асинхронного двигателя мощностью 1250 кВт

с ограничением пускового тока 5-кратным значением

Как о з ляющие от-

сутствуют. ем чение всего

процес ход

я на валу ми-

нимального пускового тока рассматриваемого двигателя, достаточного для успешного пуска.

видн и рис.7.1.4, в токе двигателя и сети i

апериодические состав

Сист а регулирования поддерживает ток двигателя постоянным в те

са пуска до вы а на номинальный режим работы, в котором устанавливается номи-

нальный ток. В электромагнитном моменте двигателя отсутствуют знакопеременные колеба-

ния и амплитуда момента существенно меньше, чем при прямом пуске. Вместе с тем, суще-

ственно меньше

и разность электромагнитного момента и момента сопротивления на валу.

По этой причине длительность процесса разгона двигателя в 3 раза больше.

При уменьшении заданного ограничения тока возникает опасность, что двигатель на

какой-то частоте вращения не сможет преодолеть момент сопротивления нагрузки. На

рис.

7.1.5 представлена зависимость от относительного момента сопротивлени

о.е.00

0,5

1,0

2,0

2,5

3,0

1,5

п, о.е.

Рис.7.1.5 Зависимость минимального пускового тока двигателя мощностью 1250 кВт

от относительного момента сопротивления на валу

Зависимость рис.7.1.5 справедлива для конкретного двигателя, который имеет боль-

шой пусковой момент – 2,29 о.е.

198

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

§ 7.2 Привод насоса с транзисторным преобразователем

частоты ТПЧ-250-380

В настоящее время многие электроприводы небольшой и средней мощности выпол-

няются с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и преобразователями частоты, со-

держащими диодные выпрямители, фильтры выпрямленного напряжения и инверторы на

транзисторах IGBT. Эти приводы используются в тех случаях, когда не требуется рекупера-

ция эне итаргии в п ющую сеть. Схема привода представлена на рис.

7.2.1.

cu2

es2 us2

es1

es3

us3

us1

ИУ

СУ

вода и электромеханические процессы в нем описаны во многих публикациях.

Вместе тем, одну особенность системы целесообразно рассмотреть подробнее.

При испытаниях электропривода на стенде ФГУП ЦНИИСЭТ группой Эпштейна В.

И. была выявлена следующая характерная особенность электромеханических процессов в

электроприводе. При пуске двигателя без нагрузки на валу

в конце процесса разгона возни-

кают расходящиеся колебания токов двигателя, что приводит к срабатыванию защиты и к

отключению преобразователя (защита реализована в драйверах управления транзисторами).

Для анализа причин возникновения указанных колебаний процесс пуска асинхронно-

го двигателя был воспроизведен на математической модели привода. Модель была выполне-

на в соответствии с описанием двигателя

, представленным в § 3.1 и § 3.4, и в соответствии с

описанием преобразователя частоты, представленным в § 5.3.

При выполнении расчетов использовались следующие данные. Питание преобразова-

теля осуществляется от трансформатора мощностью 400 кВА, имеющего напряжение вто-

ричной обмотки 380 В, номинальную частоту 50 Гц и напряжение короткого замыкания

5,8 %. При этом индуктивности рассеяния фаз трансформатора равны 0,0666 мГн. Сглажи-

вающий дроссель

имеет индуктивность 0,5 мГн и активное сопротивление 0,01 Ом, емкость

конденсаторной батареи 1200 мкФ. Частота ШИМ инвертора 1058 Гц. Асинхронный двига-

тель имеет мощность 250 кВт при коэффициенте мощности 0,87, номинальное напряжение

380 В, номинальную частоту 50 Гц. Активные сопротивления обмоток статора и ротора

0,012 о.е. и 0,015 о.е., индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора 0,11 о.е.

0,12 о.е., индуктивность намагничивания 2,4 о.е. Пуск двигателя осуществляется при отсут-

ствии нагрузки на валу. Заданное время разгона 3 с. Заданная частота фильтруется аперио-

дическим звеном с постоянной времени 0,3 с. Заданная амплитуда основной гармонической

составляющей напряжения управления в номинальном режиме 1,15 о.е. На рис.

7.2.2 пред-

ставлен результат расчета процесса пуска двигателя при отсутствии нагрузки на валу.

Рис.7.2.1 Схема привода с асинхронным двигателем и преобразователем частоты

Одна из разработок приводов указанного типа выполнялась при участии авторов кни-

ги Пронина М. В. и Воронцова А. Г. Привод с транзисторным преобразователем типа ТПЧ-

250-380 мощностью 250 кВт разрабатывался в 1999 году для одной из насосных станций

Санкт-Петербурга. Привод имеет микропроцессорное управление. В контроллере реализован

простейший алгоритм управления, при котором амплитуда

основной гармонической состав-

ляющей напряжения двигателя пропорциональна заданной частоте этого напряжения.

Некоторые вопросы работы схемы рис.

7.2.1 рассмотрены в § 5.3. Математические

модели при

199

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Рис.7.2.2 Пуск двигателя на холостом ходу

На рисунке изображены: выпрямленный ток диодного выпрямителя i

, выпрямленное

напряжение (напряжение на конденсаторе) u

, фазный ток двигателя i

ад

, вращающий момент

двигателя M

эм

и частота вращения n двигателя.

Как видно из рис.

7.2.2, в процессе разгона двигателя ток i

больше 0, и из сети по-

требляется энергия, которая запасается во вращающихся массах двигателя. Пока ускорение

велико, низкочастотные колебания в системе незначительны. При выходе на заданную час-

тоту вращения двигателя потребление энергии из сети уменьшается, и это приводит к

уменьш

аторной батарее, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения.

ыми элементами, между которыми происходит об-

мен эн

ительно превышает запас электрической энергии, и сравнительно небольшие

колеба

прямит

ению выпрямленного тока i

диодного выпрямителя. При малом токе i

даже неболь-

шие колебания в системе приводят к периодическому запиранию выпрямителя. В этом слу-

чае энергия колебаний, возвращаемая двигателем в цепь выпрямленного напряжения, накап-

ливается в конденс

эта энергия вновь отдается двигателю. В повторяющемся колебательном процессе

увеличивается амплитуда выпрямленного напряжения и амплитуда

фазных токов. Колеба-

тельный процесс прерывается в результате срабатывания защиты преобразователя.

В рассмотренном процессе основн

ергией, являются емкость конденсаторной батареи в звене выпрямленного тока преоб-

разователя и механические инерционные массы двигателя. Обычно запас механической

энергии знач

ния частоты

вращения двигателя, не всегда заметные при измерениях в действующих

установках, связаны с большими и даже аварийными колебаниями выпрямленного напряже-

ния. Элемент системы, который способствует развитию аварийного процесса, – диодный вы

ель. Его отрицательная роль проявляется при работе системы на холостом ходу. При

наличии нагрузки диодный выпрямитель всегда открыт, выпрямленное напряжение жестко

связано с напряжением сети, и рассмотренные колебания обычно отсутствуют.

Элемент, который способствует пассивному гашению колебаний, – активное сопро-

тивление обмотки ротора. В системах с повышенным активным сопротивлением обмотки

ротора колебания могут и не возникнуть (в приводах небольшой мощности).

Активное средство гашения колебаний заключается в использовании в системе

управления дополнительной связи по выпрямленному

напряжению.

200