CC BY
57
УДК 621.3
О. Н. Парфенович, канд. техн. наук, доц., О. А. Капитонов
ТРАНЗИСТОРНЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
В статье приведены результаты исследования транзисторного широтно-импульсного регулятора напряжения для асинхронных электродвигателей. Даны графики напряжений и токов в силовых ключах и обмотках электродвигателя, полученные методом компьютерного моделирования в среде МЛТЬЛБ. Показано улучшение соєф и КПД электропривода при работе в зоне нагрузок, меньших номинальных, и на регулировочных характеристиках.
В настоящее время в промышленно развитых странах существует тенденция использовать только регулируемые, так называемые интеллектуальные электродвигатели, что, в целом, при их эксплуатации уже сейчас дает свыше 10... 15 % экономии электроэнергии. В частности, не менее 40 % электроэнергии потребляют различного рода нагнетатели (насосы, вентиляторы и пр.), которые в большинстве своем приводятся в движение нерегулируемыми электродвигателями. Установка же в нагнетателях вместо дросселирования регулируемых электродвигателей дает экономию электроэнергии - до 40.50 %, воды -15.20 %, тепла - до 20 %.
Весьма эффективно использование регулируемых интеллектуальных, энергосберегающих электродвигателей и в машиностроении, в этом деле, по данным зарубежных источников, экономят до 15.20 % электроэнергии и до 10.15 % электродвигателей.
Западноевропейские электротехнические концерны ABB, «Сименс», «Дор-фос», японские - «Хитачи», «Тошиба», американская «Аналог Дэвис» и др. расширяют функциональные возможности асинхронных электродвигателей за счет применения частотных преобразователей, сработанных на основе новых IJBT- и MOSFET-технологий.
Мы предлагаем для решения задач энергосбережения в стандартных электродвигателях использовать регуляторы напряжения, которые могут
быть в 4.5 раз дешевле частотных, а для расширения функциональных возможностей электродвигателей (регулирование частоты вращения, пуска, торможения и пр.), снижения на единицу мощности их массогабаритных характеристик (стали, меди) использовать специальную, разработанную нами конструктивную концепцию асинхронного с короткозамкнутым ротором электродвигателя с двухроторной электромеханикой ДАС-12 и регулятором напряжения в электромехатронном исполнении [1].
В качестве регулятора напряжения для данного электродвигателя можно применить общеизвестный тиристорный регулятор напряжения с фазовым управлением. Нами разрабатывается транзисторный регулятор напряжения, работающий на модулируемой частоте 4.10 кГц. Функциональная схема такого регулятора приведена на рис. 1. Результаты испытания показали достаточную эффективность подобного технического решения регулирования напряжения в цепи обмотки статора электродвигателя.
Схема предлагаемого регулятора работает следующим образом. При открытом состоянии силовых транзисторов на статор электродвигателя поступает напряжение питающей сети. При этом ток каждой из фаз электродвигателя протекает через фазу обмотки питающего трансформатора (сети), диодно-транзисторную группу и фазу обмотки статора электродвигателя.
При запирании силовых транзисторов реактивная мощность сети разряжается через входные конденсаторы, а реактивная мощность обмотки статора электродвигателя - через выходные.
При этом напряжение на каждом из конденсаторов повышается либо понижается (в зависимости от направления тока). Для ограничения токов перезаряда конденсаторов последовательно с каждым конденсатором включены дроссели. После отпирания силовых транзисторов происходит процесс перезаряда конденсаторов.
Таким образом, в данной системе осуществляется широтно-импульсное
регулирование напряжения на статоре электродвигателя путем запирания и отпирания силовых транзисторов с определенной скважностью и частотой.
Преимущества данной системы регулирования перед обычной системой ТРН-АД (с фазовым управлением) обусловлены импульсным способом регулирования. Благодаря этому обеспечивается удовлетворительный гармонический состав токов статора электродвигателя, что обуславливает отсутствие пульсаций электромагнитного момента, вибраций и шумов при работе электродвигателя. Данная система лишена эффекта снижения cos ф при работе на регулировочных характеристиках, возникающего из-за того, что фазовый способ регулирования вносит фазовый сдвиг первой гармоники тока относительно напряжения.
При закрытом состоянии транзисторов силовые конденсаторы выполняют функцию компенсации реактивной
мощности, потребляемой обмоткой статора электродвигателя и питающей сети. Это позволяет повысить коэффициент мощности системы электропривода.
Система обладает лучшими энергетическими характеристиками, чем обычная ТРН-АД, благодаря лучшему гармоническому составу токов статора электродвигателя и более высокому ко -эффициенту мощности.
Были проведены исследования работы предлагаемой системы электропривода на компьютерной модели, реализованной в пакете МЛТЬЛВ/БІМи-ЬШК. Для проведения исследований были разработаны математические и компьютерные модели асинхронного электродвигателя и силового преобразователя.
Математическая модель асинхронного электродвигателя определяется следующей системой уравнений:
1х _
с
и1х - Ьх+ ™0ээЩ 1у
1у
с
і1Ду ^0ээЩ1х ;
2х
с
2х
СЩ,
2у
с?
2у
г2у^2 (
Ш0эл Ш2эл
і =1 щ -Ьті' •
'1х Т 1х т '2х^
Т Т1
і =1 щ - Ьті' •
у т щ1у т ;
і = — Щ - —і •
2х т- 2х ^ Мх ’ Т2 Т2
и = — Щ 2 - —і ;
2у т 2у т у Т2 Т2
(1)
^=2 рп Т (щ( - Щ1хі2у),
где Щ1х, М1х, і1х, Щ2х, М2х, і2х - проекции
обобщенных векторов потокосцепления статора, напряжения на статоре, тока статора на ось X; Щ1у, М1у, і*1у, Щ2у, ^2у, і*2у проекции обобщенных векторов пото-косцепления статора, напряжения на статоре, тока статора на ось 7.
Для проведения исследований работы регулятора была разработана компьютерная модель, реализующая численное интегрирование приведенной выше системы уравнений.
На рис. 2 представлена компьютерная модель исследуемого преобразователя в среде БГМЦЬШК.
При помощи полученной компьютерной модели проведены исследования электромагнитных процессов в элементах силового преобразователя и обмотках статора электродвигателя.
Ниже приведены временные диаграммы, полученные в результате компьютерного моделирования (рис. 3.8).
Исследование энергетических характеристик электропривода показало следующие результаты.
Величина реактивной мощности при работе электродвигателя ДАС-12 при питании непосредственно от сети и его работе в номинальном режиме определяется следующими данными.
Полная мощность электродвигателя:
Р.,
СОБ ф
(2)
3500
0,82
4268,29 ВА.
Реактивная мощность электродвигателя:
п = — р2 (3)
х-'ном V ном ном 5 У У
пном = у/3658,532 - 30002 = 2443 вар.
Отсюда видно, что величина реактивной мощности соизмерима с номинальной активной мощностью электродвигателя.
Полная мощность при работе электродвигателя ДАС-12 от преобразователя с ШИМ регулятором:
Рис. 2. Компьютерная модель преобразователя в пакете МЛТЬЛВ/8ІМиЬШК
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 с 0,35
г--------->-
Рис. 3. Ток силового транзистора во временном масштабе 1 см - 0,05 с
и
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 с 0,35
г---------
Рис. 4. Напряжение на силовом транзисторе во временном масштабе 1 см - 0,05 с
0,3056 0,3058 0,306 с 0,3063
г----------->-
Рис. 5. Ток силового транзистора во временном масштабе 1 см - 1-10-4 с
123
I
I
юоо
В
900
800
700
600
500
400
300
200
100
о
А А А Л А
0,3056 0,3058 0,306 с 0,3063
г----------->-
Рис. 6. Напряжение на силовом транзисторе во временном масштабе 1 см - 1-10-4 с
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 с 0,35
г---------->-
Рис. 7. Ток фазы обмотки статора электродвигателя во временном масштабе 1 см - 0,05 с
и
-1000
-1500
-2000
Рис. 8. Линейное напряжение на фазах обмотки статора электродвигателя во временном масштабе 1 см - 0,05 с
I
I
Р„
СОБ ф
(4)
3500
ном.рег 0 96
Реактивная мощность:
3645 ВА.
О = V — Р (5)
*£ном.рег Д/ ном.рег ном.рег ’ \ /
О ном.рег =у131252 — 30002 = 1017,85 вар.
Таким образом, отношение реактивной мощности отдельного электродвигателя, работающего непосредственно от сети и в исследуемой системе с
ШИМ регулятором, составит: Оном 2443
1017,85
2,4.
Уменьшение величины реактивной мощности объясняется тем, что присутствующие в схеме разрядные конденсаторы, помимо прямой функции разряда реактивной мощности, выполняют функцию компенсации потребляемой электродвигателем реактивной мощности.
Эффект компенсации реактивной мощности показан на рис. 9 и 10.
_1 и
А В
Рис. 9. График первой гармоники тока и напряжения в фазе электродвигателя ДАС-12 при номинальной нагрузке и питании непосредственно от сети
і и
А В
г------------------>-
Рис. 10. График первой гармоники тока и напряжения в фазе электродвигателя ДАС-12 при номинальной нагрузке и работе в исследуемой системе электропривода
Выводы
1. Исследуемая система электропривода осуществляет импульсное регулирование напряжения на статоре асинхронного электродвигателя, при этом форма тока в обмотках статора электродвигателя значительно ближе к синусоидальной, чем при использовании известной системы ТРН-АД.
2. Присутствующая высокочастотная составляющая может быть устранена применением специального фильтра, т. к. частота первой гармоники составляет 50 Гц, а высших гармоник - несколько килогерц.
3. Ток, протекающий через силовые транзисторы, превышает номинальный ток электродвигателя. Этот недостаток является следствием того, что для ограничения тока перезаряда конденсаторов было применено простейшее решение - использование дросселей, включенных последовательно с конденсаторами. Для уменьшения тока, протекающего через силовые транзисторы, необходимо использовать более совершенные ограничители тока перезаряда конденсаторов в преобразователе данной конструкции, т. е. вместо дросселей применить специальные фильтры для
среза бросков тока.
4. При управлении электродвигателем ДАС-12 от исследуемого регулятора напряжения происходит повышение КПД и соБф электропривода при нагрузках, меньших номинальных, и на регулировочных характеристиках электропривода (рис. 11 и 12).
5. Моделирование исследуемой системы электропривода показало возможность создания и работы реальной системы, основанной на предложенном принципе регулирования асинхронного электродвигателя. Из полученных результатов видно, что данная система способна обеспечить более качественное регулирование частоты вращения, чем известная система тиристорный регулятор напряжения - асинхронный электродвигатель. В то же время исследуемая система проще в системе управления, по конструкции и дешевле преобразователя частоты. Предлагаемая схема регулятора напряжения может быть рекомендована для применения вместе с электродвигателем специальной конструкции ДАС-12, специально предназначенного для регулирования напряжением в цепи обмотки статора.
cos ф
t---------
Рис. 11. Зависимость cos ф от мощности на валу электродвигателя ДАС-12 при работе в исследуемой системе электропривода
100
%
эо
500 1000 1500 2000 2500 Вт 3500
t ----------
Рис. 12. Зависимость КПД от мощности на валу электродвигателя ДАС-12 при работе в исследуемой системе электропривода
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ электродвигатель в электромехатронном испол-
, „ , „ тт п - нении / О. Н. Парфенович, Н. Д. Кебеде. -
1 Шрфенович, Н. Регулируемый Минск . Энергетика,1998. - С. 42-45.
асинхронный с короткозамкнутым ротором
Белорусско-Российский университет Материал поступил 23.03.2010
O. N. Parfenovich, O. A. Kapitonov Transistor pulse-width voltage regulator for induction motors
The paper gives the results of the research into the transistor pulse-width voltage regulator for induction motors. The diagrams of voltages and currents in power keys and motor windings obtained by computer modeling in the MATLAB environment are given. The improvement of cos ф and the electric drive efficiency during the operation under loadings which are lesser than nominal and at regulating characteristics is shown.
