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

Для реализации этой связи осуществляется фильтрация выпрямленного напряжения:

()

cfccfcf

UUUU

∆

⋅−+=

(7.2.1)

где U

сf

– отфильтрованное выпрямленное напряжение, U

– измеренное выпрямленное на-

пряжение, T

uс

– постоянная времени фильтра, ∆t – время цикла работы системы управления.

Коэффициент изменения напряжения:

,11

⎟

⎞

⎜

⎛

−+=

⎟

⎠

⎜

⎝

уuc

(7.2.2)

где K

– коэффициент влияния связи по напряжению.

Заданная фаза системы напряжений управления инвертора (основных гармонических

составляющих напряжений обмотки статора двигателя):

зucзз

∆

+τ=τ (7.2.3)

где ω

– заданная частота напряжений

Результаты расчета пуска того же двигателя при наличии связи по напряжению

(7.2.1)-(7.2.3) представлены на рис.

7.2.3.

управления инвертора.

Рис.7.2.3 Пуск двигателя при наличии связи по выпрямленному напряжению

иям

выпрям ыпрямителем. Это позволяет сокра-

тить ем

только в системах с частотным

управл управлением в тех случаях, когда при увеличении

частоты вращения двигателя инвертор переходит в режиме перемодуляции и далее в режим

фазной коммутации (в этих режимах векторное управление перестает функционировать).

Описанный алгоритм управления реализован в ряде электроприводов

(в приводах на-

сосов, в приводе деревообрабатывающего станка, в приводе конвейера самоходного шахтно-

го вагона и др.). Алгоритм уп реализован также в преобразователях частоты, ис-

пользуемых в качестве источников питания электросетей переменного напряжения.

алгоритм равления именяется и в приводах с синхронными двига-

телями [31], [61], [62], [111] с тем различием, что в них

для корректировки частоты исполь-

зуются

Из рис.7.2.3 видно, что дополнительная связь по выпрямленному напряжению, воз-

действующая на частоту напряжений управления, позволяет устранить низкочастотные ко-

лебания вращающего момента и частоты вращения двигателя при завершении разгона.

При рассмотренном управлении снижается чувствительность системы к колебан

ленного напряжения, вызванным 6-пульсным в

кость конденсаторной батареи преобразователя частоты.

Рассмотренный

алгоритм управления используется не

ением, но и в системах с векторным

равления

Аналогичный уп пр

колебания напряжения возбуждения двигателя.

201

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

§ 7.3 Транзисторные приводы бурового станка

Для самоходных буровых станков типа СБШ-250 Воронежского завода «Рудгормаш»

на «Электросиле» разработан модернизированный комплект электроприводов с асинхрон-

ными двигателями и транзисторными преобразователями частоты. Приводы имеют микро-

процессорную систему управления, в которой гул -

вания асинхронных двигателей и транзисторных инверторов. Работа выполнялась под руково-

дством Серова Н.А., в ней

участвовали Калачиков П. Н. (разработка электрических машин), Тере-

щенков В. В. (разработка элементов электроприводов) и ряд других специалистов «Электросилы».

Упрощенная схема системы электроприводов бурового станка представлена на

рис.

7.3.1 (привод подачи гидравлический и в комплект электрооборудования не входит).

реализованы алгоритмы векторного ре иро

i11

i31

u21

u31

es1

us1

es2

es3

us2

us3

i32

u22

u32

u12

i12

i22

АД

АД2

АД3

ИУ

СУ

inm

ИУ

во о -250

Питание приводов бурового станка осуществляется по кабельной линии от сети огра-

ниченной мощности. В схеме рис.

7.3.1 сеть представлена источниками ЭДС e

, e

и ин-

дуктивностями l

. Напряжения фаз сети u

, u

, токи фаз сети i

, i

В комплект электрооборудования входит шкаф преобразователей частоты ПЧШП-

120, два асинхронных двигателя хода АД

и АД

типа АДД-45 и двигатель вращателя АД

типа АДД-90. В шкаф преобразователя частоты ПЧШП-120 входят диодный выпрямитель,

фильтр выпрямленного напряжения с индуктивностью l

и емкостью C, два транзисторных

инвертора, микропроцессорная система управления СУ и коммутационная аппаратура.

В режиме хода станка двигатель вращателя отключен от инверторов коммутацион-

ными аппаратами, а двигатели хода подключены к инверторам. При этом система управле-

ния осуществляет раздельное регулирование двигателей хода и двух транзисторных инвер-

торов. В режиме бурения станок неподвижен,

двигатели хода отключены от инверторов

комму ап

индукт

пульса

Система электроприводов имеет следующие основные параметры. Мощность преоб-

разователя частоты 100 кВА, напряжение питания 380 В, частота напряжения питания 50 Гц,

выходное напряжение 0-360 В, номинальная выходная частота 50 Гц, пре-

делы регулирования выходной частоты 0-70 Гц, номинальный ток нагрузки 6х90 А, макси-

мальный

тые асин-

хронны т, с частоту вращения

Рис.7.3.1 Упрощенная схема приводов буро г станка СБШ

тационными паратами, а двигатель вращателя подключен к двум инверторам. При

этом система управления осуществляет регулирование одного двигателя вращателя и двух

транзисторных инверторов, питающих один двигатель.

Привод вращателя содержит также уравнительные дроссели, которые обеспечивают

ивную связь фаз различных обмоток двигателя вращателя и служат для ограничения

ций токов

(схема приведена ниже).

преобразователя

ток нагрузки 6х360 А, КПД не менее 0,95. Трехфазные

короткозамкну

е двигатели АДД-45 имеют мощность по 45 кВ инхронную

202

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

1000 об/мин. Шестифазный короткозамкнутый асинхронный двигатель АДВ-90 вертикально-

го исполнения имеет мощность 90 кВт, синхронную частоту вращения 1500 об/мин. Пара-

метры двигателя АДВ-90 и расчеты его режимов работы приведены в § 3.7.

Фотография преобразователя ПЧШВ-120 представлена на рис.

7.3.2.

Рис.7.3.2 Преобразователь частоты ПЧШП-120 бурового станка СБШ-250

При моделировании электроприводов станка рассматриваются раздельно системы тя-

гового привода и привода вращателя. Ниже описана модель привода вращателя.

При моделировании система разделяется на взаимосвязанные подсистемы следую-

щим образом. Емкость в звене выпрямленного тока заменяется зависимым источником на-

пряжен

ветви

входных токов транзисторных инверторов. Далее используется разделение на взаимосвязан-

ные подсхемы шестифазного ции

между обмотками ст

В результате выполнения указанных операций исходная расчетная схема рис.

7.3.1

ия u

, и этот источник переносится в ветвь сглаживающего дросселя l

и в

двигателя. Оно осуществляется по потокам взаимной индук

атора и ротора и достаточно подробно описано в § 3.2 (рис.

3.2.1).

разделяется на взаимосвязанные подсхемы, изо раженные на рис.

7.3.3.

i11

i21

i31

u21

u31

es1

es2

es3

us1

us2

us3

i32

u22

u32

u12

i12

i22

uс

iс

e11

e21

es11

es21

e31es31

es32 e32

es22

es12

e12

ls21 ls22 ls23

rr rr21 2322 24

ls24

ls21

r24

ls23ls22

r21 r22 r23

ls24

iad

aqi

7.3 3Рис. . Разделение схемы привода вращателя на взаимосвязанные подсхемы

203

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

В соответствии с изложенным разработана математическая модель привода вращате-

ля с шестифазным асинхронным двигателем и транзисторным преобразователем частоты в

виде программы расчета на ЭВМ электромеханических процессов. При использовании этой

модели выполнен ряд расчетов (исходные данные по двигателю приведены в § 3.7). Один из

расчето

2000 Гц. Результаты

расчета представлены в таблице

7.3.1 и на рис.7.3.4.

Таблица 7.3.1 Результаты анализа режима работы привода вращателя

при отсутствии в системе уравнительных дросселей

Входная мощность, кВт

Ток сглаживающего дросселя, А

Напряжение конденсатора, В

82.361

161.493

509.959

в выполнен для случая установившегося режима работы двигателя вращателя при

нагрузке 74 кВт и частоте напряжения питания 50 Гц (уравнительные дроссели в системе от-

сутствуют). При расчетах частота ШИМ инверторов принята равной

Напряжение 1 фазы 1 обмотки двигателя, В

Коэффициент искажения синусоидальности кривой

203.117

0.5031

Частоты гармоник, Гц

1900

2100

3950

4050

5800

6200

7750

Действующие значения

175.533

50.404

51.428

20.123

20.564

23.166

24.775

20.025

Фазы, гр.

-40.9135

71.8183

110.9753

43.5948

142.4769

-24.6610

-148.4914

-156.7475

8250

20.211

-19.1046

Напряжение фазы 2 обмотки двигателя, В

Коэффициент искажения синусоидальности кривой

203.658

0.5022

Частоты гармоник, Гц

1900

2100

3950

4050

5800

6200

Действующие значения

176.109

51.835

49.762

20.305

20.916

24.401

23.196

Фазы, гр.

-70.8430

151.5994

29.8171

72.8177

113.0018

112.4494

72.3539

20.286

20.087

-6.6677

-170.6876

Ток 1 фазы 1 обмотки двигателя, А

Коэффициент искажения синусоидальности кривой

94.077

0.5064

Частоты гармоник, Гц

250

350

1900

2100

3750

5800

6200

7750

8250

Действующие значения

81.122

5.561

5.184

33.724

30.311

3.093

5.239

4.830

3.951

3.709

Фазы, гр.

-64.9287

-91.2501

4.8896

120.3363

-114.0912

115.8165

22.1173

-12.8886

-62.6205

74.1763

Ток 1 фазы 2 обмотки двигателя, А

Коэффициент искажения синусоидальности кривой

93.255

0.5108

Частоты гармоник, Гц

250

350

1900

2100

3750

5800

6200

7750

8250

Действующие значения

80.168

5.748

5.173

33.658

30.352

3.082

5.156

4.891

3.905

3.733

Фазы, гр.

-94.7806

112.6949

156.9925

-72.4182

78.8476

-94.3805

-110.6434

119.6068

87.5038

-75.7091

Электромагнитный момент 1 двигателя, %

Частота вращения, %

Мощность на валу, кВт

87.852

99.965

74.661

204

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Рис.7.3.4 Токи и напряжения привода вращателя

при отсутствии в системе уравнительных дросселей

ид льсации.

Таким ест

Как в но из рис.7.3.4, в токах фаз двигателя существуют значительные пу

образом, в ш ифазном двигателе, питающемся от двух инверторов напряжения,

вследствие взаимных индуктивных связей обмоток статора по путям рассеяния возможно

появление значительных пульсаций токов на частотах ШИМ.

Указанная особенность системы с шестифазным двигателем была выявлена при на-

ладке комплекта оборудования бурового станка. На

рис.7.3.5 представлена осциллограмма

тока двигателя, снятая на действующей установке для рассчитанного выше режима работы.

Для сравнения на этом же рисунке представлена кривая тока, рассчитанная на ЭВМ при ис-

пользовании математической модели системы.

4,984,96 4,97 4,99

t, c

i12, А

Iад, A

Эксперимент

150

-100

-5 0

100

150

200

t, мс

Расчет

Р еля

при отсутствии в системе уравнительных дросселей

ис.7.3.5 Осциллограмма и расчетная кривая тока фазы двигат

205

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

При наладке комплекта оборудования для ограничен пульсаций токов были ис-

пользованы три уравнительных дросселя l

ия

ок двигателя, как указано на рис.

7.3.6 в транзистор-

ных подсхемах слева.

-l

, которые были включены в систему между

одноименными фазами различных обмот

i11

i21

i31

u11

u21

u31

i32

u22

u32

u12

i12

i22

uс

e11

e21

e31

es11

es21

es31

es32 e32

es22

es12

e12

ly2ly1 ly3

e12

e22

e32

e31

e21

e11

es12

i12

i22

i32

u32

u22

u12

s22

es32

i11

i31

i21

u31

u21

u11

uс

s31

es21

es11

ey11

ey21

ey31

ey32

ey22

ey12

lsy+lmy

Рис.7.3.6 Схема включения уравнительных дросселей

На рис.7.3.6 справа изображены транзисторные подсхемы привода вращателя, в кото-

рых используется замена взаимных индуктивностей уравнительных дросселей l

зависимы-

ми источниками напряжения e

в соответствии с выражениями:

ynm

⎭

⎬

⎫

===

.3,2,1,,

myn

.3.1)

писание уравнительных дросселей включено в математическую модель привода

вращателя. На рис.

7.3.7 представлена осциллограмма фазного тока двигателя при наличии в

систе тивность по-

луобм

ме уравнительных дросселей и расчетная кривая тока. При расчете индук

отки дросселя принята равной 200 мкГн.

4,984,96 4,97 4,99

t, c

I21- расчет

Э ксп ер и м ен т

100

150

Осциллограмма кривая тока фазы двигателя

при нал

Рис.7.3.7 и расчетная

ичии в системе уравнительных дросселей

На рис.7.3.8 представлена диаграмма токов и напряжений привода и электромагнит-

ного момента двигателя при наличии в системе уравнительных дросселей.

206

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Рис.7.3.8 Токи и напряжения привода вращ

момент двигателя при наличии в системе

ателя и электромагнитный

уравнительных дросселей

В таблице 7.3.2 х -

менных в режиме работы, соответствующем рис.

7.3.8.

Таблица 7.3.2 Результаты анализа режима работы привода вращателя

при наличии в системе уравнительных дросселей

Входная мощность, кВт

Ток сглаживающего дросселя, А

Напряжение конденсатора, В

87.010

170.608

509.889

представлены результаты анализа токов, напряжений и други пере

Напряжение 1 фазы 1 обмотки двигателя, В 184.525

Частоты гармоник, Гц

1900

2100

3950

4050

Действующие значения

175.260

24.493

23.376

18.730

19.337

Фазы, гр.

-71.7204

119.9242

63.6748

75.8425

110.6061

Напряжение 1 фазы 2 обмотки двигателя, В 183.277

Частоты гармоник, Гц

1900

2100

Действующие значения

23.884

Фазы, гр.

-41.1580

104.6000

79.0881

3950

4050

18.790

19.175

41.1782

144.7593

173.975

23.942

Ток 1 фазы 1 о тки двигателя, А

Коэффициент искажения синусоидаль

90.806 бмо

ности кривой 0.1333

Частоты гармоник, Гц

Действующ

1900

2100

ие значения

7.449

Фазы, гр.

-95.0795

89.994

8.340

-75.0149

101.1908

Ток 1 фазы 2 обмотки двигателя, А

Коэффициент искажения синусоидальности кривой

80.510

0.1502

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

-82.8749

-53.9669

59.8589

1900

2100

79.596

8.288

7.535

Электром

Частота

Мощность на валу, кВт

79.001

агнитный момент 1 двигателя, %

вращения, %

92.940

99.874

Сравнение рис. 3.5 и 7.3.7, а также таблиц 7.3.1 и 7.3.7. 2 показывает, что уравнитель-

ные дроссели позволяю

Однако при отсу -

ний и токов шестифазного двигателя представляют собой симметричные системы. В частно-

сти, основные гармонические составляющие токов одноименных фаз различных обмоток

т значительно улучшить форму токов на выходе инверторов.

тствии дросселей основные гармонические составляющие напряже

207

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

двигателя имеют взаимный сдвиг практически на 30 эл. град. (см. табл. 7.3.1). При этом токи

шести фаз можно представить в виде

системы векторов, изображенных на рис.

7.3.9 слева

I11

I21

I31

I12

I32

I22

I21

I12

I11

I32

I31

I22

при отсутствии дросселей при наличии дросселей

Рис.7.3.9 Векторные диаграммы фазных токов шестифазного двигателя

Уравнительные об

моток. При этом в

ва Э

видно

ро гателя

взаимн ли ии вза-

имной индуктивности уравнительных дросселей фазные токи различных обмоток двигателя

должны практически совпасть по фазе. Для рассматриваемого шестифазного двигателя это

является несимметричным режимом работы.

Следует отметить, что эксперименты и

описанные расчеты выполнялись при коэффи-

циенте

составляющие

на частотах ШИМ и кратных частотах.

На математической модели системы рассматривались изменения характеристик при

вода путем повышения напряжения на выходе инверторов при использовании режима пере-

модуляции. Однако в режиме перемодуляции в напряжениях на выходе инверторов появля-

ются 5, 7, 11, 13 и ряд других гармонических составляющих. Для некоторых высших гармо-

нических составляющих сравнительно невысокого порядка двигатель обладает малыми со-

противлениями, и это приводит к значительному искажению фазных токов

двигателя.

Указанные явления зависят, в первую очередь, от конструкции электрической маши-

ны, в частности, от коэффициента сокращения шага обмоток статора. При диаметральном

шаге в каждом пазу статора размещаются проводники одной фазы, и взаимная индуктив-

ность обмоток минимальна. При сокращенном шаге обмоток в некоторых пазах (или во всех)

размещаются проводники разных фаз

и обмоток. При этом для различных систем симмет-

ричных гармонических составляющих токов индуктивности машины оказываются различ-

ными, а для некоторых систем они могут оказаться малыми. Известно, что для симметрич-

ных систем токов прямой, обратной и нулевой последовательностей индуктивности обмотки

статора трехфазной машины переменного тока могут быть различными. Однако в многофаз

ной машине, работающей с полупроводниковым преобразователем, токи статора могут со

держать и несимметричные системы гармонических составляющих (или системы с какими-

либо иными условиями симметрии). В математических моделях машин, описанных в данной

книге, эти особенности учитываются при использовании нескольких индуктивностей рассея-

ния обмоток статора: индуктивности l

для симметричного режима работы всех фаз, индук-

тивности

кт

т быть определены при электромагнитных расчетах электрической машины и при экспе-

риментальном определении характеристик.

Однако, если полупроводниковый преобразователь выполнен с LC-фильтрами на вы-

ходе каждого инвертора, то при эффективной фильтрации может быть обеспечено питание

двигателя практически синусоидальными симметричными напряжениями. В этом случае

особенности исполнения многофазного двигателя оказывают малое влияние на пульсации

токов.

дроссели стремятся выровнять токи одноименных фаз различных -

ектора токов сближаются по фазе, как изображено на рис.

7.3.9 спра . то

и из таблицы

7.3.2, в кото й токи одноименных фаз различных обмоток дви

о сдвинуты по фазе всего шь на 7,86 эл. град. Очевидно, что при увеличен

модуляции в номинальном режиме, близком к 1. При этом напряжения управления

инверторов близки по форме к синусоиде и на выходе инверторов, кроме основных гармони-

ческих составляющих напряжений, присутствуют в основном гармонические

для симметричного режима работы только одной трехфазной обмотки, а также

инду ивности l

для токов нулевой последовательности. Эти параметры определяются или

могу

208

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

§ 7.4 Транзисторные приводы шахтного вагона

На самоходных шахтных вагонах, большегрузных самосвалах, на некоторых типах

трамваев используются тяговые электроприводы с раздельным управлением правыми и ле-

выми колесами. Двигатели правых и левых колес могут находиться в различных условиях, и

при работе одних машин в режиме тяги другие могут работать в режиме торможения. Усло-

вия усложняются при движении по

местности с крутыми подъемами, спусками, поворотами.

При питании двигателей от общего источника между ними возникает обмен энергией, воз-

можны колебания. Одна из разработок электроприводов, в которой существуют указанные

особенности, выполнялась в ФГУП ЦНИИ СЭТ для самоходных шахтных вагонов. Руково-

дил разработкой Хомяк В. А., разработку микропроцессорной системы управления осущест-

влял

Махонин С. В., в работе участвовали также авторы данной книги Пронин М. В. и Во-

ронцов А. Г. [77]

Комплект электроприводов шахтного вагона по функциям, по схеме и параметрам

элементов близок к комплекту оборудования самоходного бурового станка, который рас

смотрен в § 7 ого вагона, а

также фотографии основного

оборудования представлены на рис.7.4.1.

.3. Упрощенная функциональная схема системы приводов шахтн

Рис.7.4.1 Функциональная схема приводов шахтного вагона

209

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

Комплект приводов шахтного вагона содержит следующее основное оборудование:

входной диодно-транзисторный преобразователь (мощность 100 кВт, напряжение питания

660 В, частота 50 Гц), два транзисторных инвертора напряжения мощностью по 50 кВА, два

асинхр

ые изображены на рис.7.4.1. В этих же контейнерах

размещ

ьку в каждом контейнере имеется

мостов

торами и транзисторным выпрямителем. При этом обес-

печивается взаимная

связь контроллеров по интерфейсу RS-485.

а рис.

7.4.2 изображена упрощенная схема электроприводов шахтного вагона.

онных тяговых двигателя мощностью по 40 кВт, один асинхронный двигатель конвей-

ера мощностью 22 кВт, пульт управления. Выпрямители и инверторы размещены в трех

взрывозащищенных контейнерах,

котор

ены фильтры, коммутационная аппаратура, устройства защиты, сигнализации, эле-

менты микропроцессорной системы управления. Поскол

ой преобразователь на транзисторах IGBT, то в каждом контейнере содержится и

управляющий контроллер. При работе приводов осуществляется согласованное управление

двигателями, транзисторными инвер

i11

i21

i31

u21

es1

es2

es3

us1

us2

us3

i32

u22

u32

u12

i12

i22

АД1

АД2

ИУ

АД3

СУ

inm

ИУ

Рис.7.4.2 Схема электроприводов шахтного вагона

В схеме рис.7.4.2 питающая сеть представлена трехфазной системой ЭДС e

и индук-

тивностями l

. Входной преобразователь представлен диодным выпрямителем, транзистор-

ным выпрямителем, сглаживающим дросселем l

и фазными дросселями l

. Автономные ин-

верторы напряжения представлены транзисторными трехфазными мостами. В состав транзи-

сторных выпрямителя и инверторов входит также конденсаторная батарея. Конструктивно

она разделена на три приблизительно одинаковые части, которые размещены в трех указан-

ных контейнерах. Однако с точки зрения электромагнитных процессов в системе это сущест-

венного значения не имеет, и в

схеме рис.7.4.2 указана только одна емкость. Тяговые асин-

хронные двигатели обозначены на схеме АД

и АД

. Двигатель конвейера обозначен АД

При работе конвейера двигатели АД

и АД

отключены, а двигатель АД

подключен к

одному из инверторов. При движении шахтного вагона двигатель АД

отключен, а двигатели

АД

и АД

подключены к инверторам. При этом, если осуществляется передача мощности из

сети двигателям, то в контейнере входного преобразователя работает диодный выпрямитель,

и уровень ествля-

ется торможение двигателей, и их энергия передается в цепь выпрямленного напряжения, то

уровен

теля

льная форма тока

сети и обеспечивается коэффициент мощности приблизительно равный 1.

В рассматриваемой системе транзисторные преобразователи работают в режиме ши-

ротно-импульсной модуляции. Частота ШИМ инверторов 1000 Гц, частота ШИМ выпрями-

теля

5000 Гц.

выпрямленного напряжения составляет ориентировочно 850 В. Если осущ

ь выпрямленного напряжения повышается до 1050 В, и в работу

включается транзи-

сторный выпрямитель. Он работает в режиме активного выпрями и осуществляет реку-

перацию энергии в питающую сеть. При этом поддерживается синусоида

210