CC BY
74
|Рассальський O. МЛ Сахно О. А., Конограй С. П., Козлов О.В. Методика в^рювання та об-робки струму комплексно!' провщносп головноТ iзоляцГl' високовольтних апаратiв 110-750 кВ при дiагностуваннi пiд робочою напругою
Представлено розроблену методику вимiрювання струму комплексноУпров'дност'! головно'У '¡золяцИвисоковольтних апарат'в 110-750 кВ при д'агностуванн'! пд робочою напругою. Зап-ропоновано алгоритм математично'У обробки сигналу для мiнiмiзацiУексплуатацшних завад. Методика може бути використана для д'агностики високовольтних трансформаторiв струму, ввод/'в, нелiнiйних обмежувач'т напруги та ншо'Уапаратури в умовах експлуатац'УУ.
Ключов'1 слова: трансформатор, iзоляцiя головна, д'агностика, струм провдност'!, обробка сигналу.
Rassalsky A.| Sakhno A., Konogray S., Kozlov A. Measuring and processing technique of complex conduction current of 110-750 kV high-voltage equipment basic insulation at diagnostics under operating voltage
The developed technique of complex conduction current measurement during on-line testing of 110 -750 k V high-voltage equipment basic insulation is described. The algorithm of mathematical signal processing for operating noise minimization is proposed. The technique can be used for diagnostics of high-voltage current transformers, bushings, nonlinear voltage limiters and other equipment in operating conditions.
Key words: transformer, basic insulation, diagnostics, conduction current, signal processing.
УДК 621.313
А. А. Колесников, А. Г. Лохматов канд. техн. наук Запорiзька державна шженерна академiя
ПРОГНОЗУЮЧЕ РЕЛЕЙНО-ВЕКТОРНЕ РЕГУЛЮВАННЯ СТАТОРНОГО СТРУМУ В АСИНХРОННОМУ ЕЛЕКТРОПРИВОД1 З МАТРИЧНИМ БЕЗПОСЕРЕДН1М ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ
ЧАСТОТИ
Запропоновано прогнозуюче релейно-векторне регулювання статорного струму для асинхронного електропривода з матричним безпосереднм перетворювачем частоти, для якого методом 'м'тацйного моделювання проведено дослдження електромехан1'чних та електро-магнтних процесв вказаного електропривода в статичних та динам'чних режимах.
Ключов'1 слова: асинхронний електропривiд, матричний безпосереднйперетворювач час-тоти, прогнозуюче релейно-векторне керування, м тац йне моделювання.
Останш роки характеризуються широким викорис-танням у промисловосп активних статичних перетво-рювачiв частоти (СПЧ), що призначеш для створення частотно-регульованих елекгроприводiв з тдвищеною швидмздею регулювання та покращеною електромаг-штною сушсшстю з мережею. З погляду схемотехшч-них ршень активт перетворювачi можна роздiлити на двi групи. Перша - це дволанковi перетворювачi частоти (ДПЧ), що складаються i3 двох автономних шверк^в напруги (А1Н) або двох автономних iнверторiв струму (А1С), один i3 яких працюе в режимi випрямлення, а iнший - в режимi iнвертування. У пром1жнш ланцi по© А. А. Колесников, А. Г. Лохматов 2010 р.
спйного струму встановлюсться для А1Н - eмнiсть, що згладжуе, для А1С - реактор. Наявшсть громiздкого фiльтра в пром1жнш ланцi е одним з найб№ш iстотних недолiкiв схем ДПЧ. Однак сьогодш найбiльший ште-рес у свт та Укра!ш викликае друга група перетворю-вачiв - безпосередш перетворювачi частоти (БПЧ), у структур яких вiдсутнiй промгжний фiльтр. Як наслвдок, БПЧ мае кращi масогабаритш та динамiчнi показники в порiвняннi з активними ДПЧ, також забезпечуе двос-тороннiй обмiн енергiею з мережею живлення, мае форму криво! входного та вихщного струмiв, близьку до синусоидально! i, як наслщок, високу швидкодiю регу-
лювання, зменшенi втрати потужностi та покращену як1сть електромагштно1 сумiсностi перетворювача з мережею живлення [1].
Вiдомi системи векторного регулювання статорно-го струму базуються на використанi в них широтно-iмпульсноl модуляцп з явно вираженими модуляторами [2] та релейного керування [3, 4], що можуть бути застосованi, на жаль, тшьки для А1Н-Ш1М або дволан-кових БПЧ та е непридатними для матричного безпосе-реднього перетворювача частоти (МБПЧ). Вiдомi СВРС, яш використовуються для МБПЧ, основаш на просто-ровiй стратеги керування [5, 6] i характеризуються ввдносною складнiстю алгоритму керування.
Метою дано! статп е розробка та дослвдження про-гнозуючого релейно-векторного керування для асинхронного електропривода (АЕП) з МБПЧ.
На рис. 1 наведено схему трифазного матричного безпосереднього перетворювача частоти [5, 7, 8], що мктить 18 керованих нашвпроввдникових клктв УТ1-УТ18 (типу ЮБТ, М08ЕЕТ, ЮСТ та iн.), шунтова-них зворотно ввiмкненими дiодами УБ1-УБ18, та живить асинхронний короткозамкнений двигун (АД). Для регулювання електропривода з вказаним перетворю-вачем авторами запропонована система автоматичного керування (САК) швидкосп цього електропривода, узагальнену функцiональну схему яко! наведено на рис. 2, де прийнято таю умовт позначення: СВРС - система
3~им,50Гц
ш
векторного регулювання струму; СКП - система керування перетворювачем; РП - регулятор потокозчеплен-ня; РШ - регулятор швидкостц БО1, БО2 - блоки обме-ження, як1 обмежують вщповщно задання на намагш-чуючу та активну проекцп статорного струму елект-родвигуна; Б1П - блок вдентифтацл параметрiв; БДН -блок датчиков напруги; БДС - блок датчиков струму; БДНМ - блок датчиюв напруги мереж1. При цьому МБПЧ являе собою багатомiрний, багатозвя'зковий об'ект, що вимагае використання сучасних метода керування, i зок-рема - прогнозуючого релейно-векторного керування.
У склащ САК електропривода на рис. 2 авторами запропоновано нову СВРС, яка виконана з прогнозую-чим релейно-векторним керуванням та iлюструеться функцiональною схемою на рис. 3. На цьому рисунку
прийнято так1 позначення: /х, / - значення ввдповщ-но намагтчуючох та активно1 проекцiй статорного струму; /*х, /1у - бажаш значення вiдповiдно намагшчую-чо! та активно1 проекцiй статорного струму, що надхо-дять ввд зовншшх контурiв ввдповщно потокозчеплення
та швидкостц /*, /у - уставки вщповвдно намагтчую-чо! та активно1 проекцiй статорного струму, що вщпов-iдають бажанiй точностi вiдпрацювання проекцш ста-торного струму (для загальнопромислових систем скла-дають 5 % ввд номiнального струму електродвигуна);
Рис. 1. Електрична схема трифазного МБПЧ КЗЫ 1607-6761 «Електротехнiка та електроенергетика» .№2, 2010
А/,, А1у - рiзниця мiж бажаним та реальним значениями вщповщно намагшчуючо! та активно! проекцш статорного струму; т - натуральне число у iнтервалi вщ 1 до 25, що показуе, яка комбiнацiя фазних напруг буде подана на електродвигун (для вах рiзних можли-вих робочих варiантiв (комбiнацiй) станiв силових ключiв а1, а2, а3; в1, в2, в3; с1, с2, с3 [8] трифазного
МБПЧ наведено у табл. 1 ввдповщш значення узагаль-неного вектора статорно! напруги
и$(т) = и,(т)е]в*(т)); К1, К2 - компаратори; БВК -блок вибору комбшаци; ПФ1 - перетворювач фаз; КП1 -координатний перетворювач; ОПЗН - обчислювач про-грамних значень напруги.
АГхп АГуп
У г*
и*
Уг
р
Ян
Цд № 1к
БЛНМ
3-им, 50Гц А В С
601 — >
РП 1*т ГВРГ
Б02 ч
т
саз дуг.. ЯПвфг
¡зх Ьу
Б/П
Ша ш Щ 1щ кЬ, Ьс
тАц
Рис. 2. Узагальнена функцюнальна схема релейно-векторно! САК швндкост! асинхронного електропривода з МБПЧ
Рис. 3. Функцюнальна схема релейно-векторно! СВРС з прогнозуючим керуванням
Таблиця 1 - Стан силових KTO4iB та вщповвдт зна-чення узагальненого вектора вихвдно! напруги трифаз-ного МБПЧ
m Значення узагальненого вектора ~s(m) = U( m-jm> Стан силових ключ1в МБПЧ
a1 a2 a3 в 1 в2 в3 с1 с2 с3
1 u фМ j <г+a0) + - - - + - - - +
2 TT e/( »фг+а0+2п/3) U фМ e - - + + - - - + -
3 TT 4n/3) U фМ e - + - - - + + - -
4 TT - /(гаф+а0) U фМ e + - - - - + - + -
5 TT -/(®фг+а0+2п/3) U фМ e - - + - + - + - -
6 TT -./(<»#+00 +V3) U фМ e - + - + - - - - +
7 2 -ß ифМ гаф^ + а0 - V6 + - - - - + - - +
8 2 -ß ифМ^(аф + а0 -П/2) - + - - - + - - +
9 2 -ß ифМ cos»,i + a0 - 5n/6) - + - + - - + - -
10 2 , -j-ТфМ cos^i + a0 -7я/6) - - + + - - + - -
11 2 , -J3ТфМ cos^ + a0 -3П2) - - + - + - - + -
12 2 , ТфМ cos^ + a0 - 11и/6) + - - - + - - + -
13 ^UфМ cos(»фг + а 0 - V6) • e /2*'3 - - + + - - - - +
14 -j=UфМcoslM^ +а0 -я/2) • 3 - - + - + - - - +
15 Jj^м cos»г+а0 - 5П6) •e/2 + - - - + - + - -
16 UфМcos(Шфг + а0 - 7п/6>e3 + - - - - + + - -
17 U фМ cos(» фг + а 0 - 3 V 2) • 3 - + - - - + - + -
18 ^м cos(Шфг + а» -11я/6>e12*<^ - + - + - - - + -
19 ТфМcos^i + а0-я/6) e'4^3 - - + - - + + - -
20 -jL ифМ cos(Bфг +а0 -П/2) •e/4n 3 - - + - - + - + -
21 ^ U фМ cos(» фг + а 0 - 5я/ 6) • e1'4*'3 + - - + - - - + -
22 UфМcos(<>y + а0 - 7п/6>e/4^3 + - - + - - - - +
23 U фМ cos(» фг + а 0 - 3 V 2) • e/4^3 - + - - + - - - +
24 ^м ^(Шфг + а» - 11л/6>e1 - + - - + - + - -
25 О О о + + + + + + + + +
Розглянемо функцiонування запропоновано! СВРС. БВК призначений для вибору одше! комбшаци з загаль-но! кiлькостi у кожний момент часу. При цьому алгоритм його функцюнування такий.
У першому випадку, якщо обидвi проекцп знахо-дяться у бажаному iнтервалi, що описуеться умовою
А Ix < АI xn
АI
< АI
yn
(1)
зберiгаеться незмiнна (вибрана у попереднiй такт часу) комбiнацiя вiдкриття ключiв (m = const).
У другому випадку - якщо за меж1 бажаного штер-валу виходить тальки намагшчуюча проекцiя статорно-го струму - описуеться умовою
А Ix > АI xn
АI
< АI
yn
(2)
задаеться нова комбiнацiя m, що задовольняе системi:
(3)
sign^Ux (m)] = sign(АIx) |АUx (m)| = max [
У третьому випадку, коли за меж1 бажаного терва-лу виходить тшьки активна проекцiя статорного струму, за умови
|А/ х\<м* Xn
|А/у| >M%n
(4)
задаеться нова комбiнацiя m, що задовольняе критерь ям:
sign[\Uy (m)] = sign(АIy)
|Аиу (m)|
= тах.
(5)
Четвертий, найскладшший, випадок, якщо обидвi проекцп струму вийшли за меж1 бажаного штервалу, описуеться умовою
|АI Х|>АТ
Xn
Ау >ÄI*yn
(6)
задаеться нова комбiнацiя m, що задовольняе таким кри-терiям:
ignl^ Uy (m)] = sign^y)[
sign| |АUy (m)| = тах
sign[АU x (m)] = sign(АIx)!
= тах
якщо Mv > 0,5 -Mx ; (7)
, якщо ^Jy < 0,5 • Mx. (8)
|АUx (m)| = ]
При цьому значення коефщента 0,5 визначалося
20
ISSN 1607-6761
«Електротехтка та електроенергетика» .№2, 2010
екcпеpиментaльнo в xoaí iмiтaцiйнoгo мoделювaння.
Для дocлiдження електpoмеxaнiчниx Ta електpoмaг-нiтниx пpoцеciв в АЕП з МБПЧ cтвopенo iмiтaцiйнy мoдель вкaзaнoгo електpoпpивoдa [9], якa пoкaзaнa га pиc. 4, де пpийнятo Tara пoзнaчення: l - БДHM, 2 - блoк aнaлoгoвиx pегyлятopiв пoтoкoзчеплення poTopa Ta ку-тoвoï швидкocтi електpoдвигyнa, 3 - CBPC, 4 - БД^ 5 -Б1П, б - БДH, 7 - АД, S - меpежa живлення, 9, l0 -в^тав^ю вxiдний Ta виxiдний фiльтpи пеpетвopювaчa, ll - МБПЧ.
Maтемaтичне мoделювaння АЕП з МБПЧ бyлo npo-веденo зa тaкиx yмoв : величига зaдaння пoтoкoзчеп-лення poTopa двигуга веcь чac зaлишaлacя шм^ль-нoю (piвнoю 0,SS9 B6), зaдaвaлocя oбмеження cтpyмy при poзгoнi Ta гaльмyвaннi, яке дopiвнюe двoкpaтнo-му пo вiднoшенню дo нoмiнaльнoгo згачення cтpyмy
електpoдвигyнa.
Biдoмo, щo при нaпpyзi мереж1, щo дopiвнюe юмь нaльнiй нaпpyзi елекгpoдвигyнa, з викopиcтaнням мaт-pичнoгo безпocеpедньoгo пеpетвopювaчa чacтoти, мoжливo дocягги пpиблизнo S6 % вщ йoгo нoмiнaльнoï швидкocтi [l]. B дaнiй мoделi для тога, щoб дocягги юм-iнaльнoï швидгост! двигyнa, нaпpyгa мереж1 живлення c^aAae l20 % ввд нoмiнaльнoгo згачення.
Отpимaнi pезyльтaти мoделювaння електpoмaгнiт-rnx Ta меxaнiчниx пpoцеciв y АЕП з МБПЧ m^aro нa риа 5-S , де викopиcтoвyютьcя Tara пoзнaчення: Ua -вxiднa фaзнa нaпpyгa МБПЧ; Usa Ta Isa - фaзнi cтaтopнi нaпpyгa Ta струм електpoдвигyнa вiдпoвiднo; Isy, ю -aктивнa cклaдoвa cтaтopнoгo струму Ta швидюсть елек-тpoдвигyнa вадшвадш, , M - пoтoкoзчеплення poTopa Ta мoмент електpoдвигyнa вiдпoвiднo.
Рис. 4. Iмiтaцiйнa мoдель acинxpoннoгo електpoпpивoдa з МБПЧ
Рис. 5. Eлектpoмaгнiтнi пpoцеcи в АЕП з МБПЧ при нoмiнaльнiй швидкocтi (l00,7 paA/c) Ta нoмiнaльнoмy нaвaнтaженнi (49,2 Hм)
Рис. б. Eлектpoмaгнiтний (а) Ta меxaнiчний (б) npo^cH в АЕП з МБПЧ при po6oii «та yпop»
в
22
ISSN 1607-6761 «Eлектpoтеxнiкa Ta елекгpoенеpгетикa» №2, 20l0
ж з
Рис. 7. Елек^о]™:^^^ продест y АЕП з МБПЧ при вiдпpaцювaннi зaдaння aкгивноï проекци cгpyмy cгaгоpa, piвного зa модyлем подвiйномy вiд номiнaльного: а—г) додaтного; д-з) вiд'eмного; а, д) при нульовш швидкоcгi двигyнa; б, е) при швидкосп двигyнa, що доpiвнюe 25 % вiд номiнaльноï; в, ж) при швидкост! двигyнa, що доpiвнюe 50 % вiд номiнaльноï; г, з) при швидкоcгi двигуни, що
доpiвнюe 100 % номiнaльноï
Eлекгpомaгнiтнi ти меxaнiчнi пpоцеcи в АЕП з МБПЧ y цим роботи електpопpиводa, що cклaдaeтьcя з ни-мaгнiчyвaння двигуни, розгону до номшильноХ шведкой! , стрибкоподабне нaкидaння ти cкидaння номшиль-
ного нaвaнтaження, pевеpc до швидкоcтi, що cклaдae половину вiд номiнaльноï швидкоеп елекгpодвигyнa, ти гальмувиння до повноХ зупинки, покизино ни pиc. S.
Isy,.
0.05 0.1 0.15 0.2
0
5-........ 0 JLj^ пЧР
J 'ии J
п
0 S -......
0.25
t,c
0.3
М,Нм-
su-
60
40
200-20 ■40-60-80-
ГЩ
0.05 0.1
m
0.15
б
0.2 0.25
_t,C 0.3
Рис. 8. Електромагштш та мехашчш процеси в АЕП з МБПЧ
Висновки
1. Розроблена система релейно-векторного регулю-вання статорного струму з прогнозуючим керуванням для АЕП з МБПЧ характеризуемся спрощеним алгоритмом керування у пор1внянн1 з юнуючими системами векторного регулювання для АЕП з МБПЧ [1-5].
2. Запропонована 1мггацшна модель АЕП з МБПЧ призначена для дослщження функц1онування вказано-го ЕП в статичних та динам1чних режимах, отримання графЫв електромагштних та електромехашчних про-цеав привода.
3. В результат! 1мггацшного моделювання виявлено: розроблена прогнозуюча релейно-векторна СВРС доз-воляе досягти високо! швидкоди та точносп регулюван-ня статорного струму.
4. Як видно з рис. 7, час ввдпрацювання подвшного (вщносно номшального) значения активно! проекцп струму статора складае менше 1 мс, що на р!вш кращих в!домих систем векторного регулювання статорного струму. Час вщпраиювання задання активно! проекц!! струму статора практично не залежить в!д полярносп задання та поточно! кутово! швидкосп електропривода.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Saul Lopez Arevalo. Matrix Converter for Frequency Changing Power Supply Applications, Ph.D. thesis, University of Nottingham. - England. - 2008. - 250 р.
2. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: Изд-во УРО РАН. - 2000. - 654 с.
3. Садовой А.В. Синтез алгоритмов разрывного по-леориентированного управления асинхронными электроприводами / А.В. Садовой, Ю.М. Клименко, А. Л. Дерец, Ю.В. Сохина // Проблеми автома-тизованого електропривода. Теоргя та практика. -Харюв: ХП1. -1994. - С.126-129.
4. Chekhet E., Mikhalsky V., Sobolev V., Shapoval I. Control and commutation technique for matrix converter/ E. Chekhet, V. Mikhalsky, V. Sobolev, I. Shapoval // Technical electrodynamics. Special issue on Problems of present-day electrotechnics. - 2006. -Vol. 1. - P. 56-67.
5. Чехет Э.М. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. / Э. М. Чехет,
24
ISSN 1607-6761
«Електротехтка та електроенергетика» №2, 2010
В. П. Мордач, В. Н. Соболев. - К. : Наук. Думка. -1988. - 224 с.
6. Casadei D. Matrix Converter Communication Strategy Using both Output Curent and Input Voltage Sign Measurement / D. Casadei, A. Trentin, M. Matteini, M. Calvini // 10th European Conference on Power Electronics and Applications EPE-203. - Toulouse, France. - 2003 (CD-ROM).
7. Чехет Э.М. Тенденции развития матричных преобразователей для асинхронного електропривода / Э. М. Чехет, В. Н. Соболев, В. М. Михальский //
Проблеми автоматизованого електропривода. Тео-рiя та практика: Вюник НТУ-ХП1. - Харюв. - 2005. -Вип. 45. - C. 32-37.
Пивняк Г.Г. Современные частотно-регулируемые электроприводы с широтно-импульсной модуляцией / Г.Г. Пивняк, А.В. Волков - Днепропетровск: НГУ - 2006. - 470 с.
Bauer J. Development of a Compact Matrix Converter // Acta Polytechnica. - 2009. - Vol.49. - No. 2-3. - P. 6469.
Стаття надiйшла до редакцп 17.06.2010
Колесников А. А., Лохматов А . Г. Прогнозирующее релейно-векторное регулирование статор-ного тока в асинхронном электроприводе с матричным непосредственным преобразователем частоты
Предложено прогнозирующее релейно-векторное регулирование статорного тока для асинхронного электропривода с матричным непосредственным преобразователем частоты, для которого методом имитационного моделирования проведено исследование электромагнитных и электромеханических характеристик указанного электропривода в статических и динамических режимах.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, матричный непосредственный преобразователь частоты, прогнозирующее релейно-векторное управление, имитационное моделирование.
Kolesnikov A., Lohmatov A. Predictive relay-vector stator current control in induction electric drive with matrix direct frequency converter
Predictive relay-vector stator current control is proposed for an induction electric drive with a matrix direct frequency converter. Electromagnetic and electromechanical characteristics of the electric drive were studied in static and dynamic operation modes using the simulation method. Key words: induction electric drive, matrix direct frequency converter, predictive relay-vector control, simulation
УДК 681.527.2
Е. М. Потапенко д-р техн. наук, Е. В. Душинова, А. Е. Казурова канд. техн. наук, С. Г. Деев
Запорожский национальный технический университет
ЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Составлена простая эквивалентная математическая модель для системы векторного управления АД с нелинейной математической моделью, достаточно точно описывающая работу исходной системы во всех режимах работы. Простота и линейность эквивалентной системы позволяют синтезировать законы управления исходной нелинейной системы хорошо разработанными линейными методами c существенно меньшими затратами времени на моделирование. Численное моделирование динамики исходной нелинейной и эквивалентной линейной систем показало хорошее совпадение переходных и стационарных процессов.
Ключевые слова: модель, линейность, управление.
Введение
Асинхронный двигатель ( АД) является самым распространенным типом электродвигателей. Его отличает от других типов двигателей простота обслуживания,
дешевизна, высокая надежность, возможность работать в агрессивных средах. АД, вследствие их сложной динамики, изначально предназначались для нерегулируемых электроприводов. Развитие силовой электропреобра-
© Е. М. Потапенко, Е. В. Душинова, А. Е. Казурова, С. Г. Деев 2010 р.
9.
