CC BY
74
конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2007». СПб, 2007. С. 122-125.
R Hramshin, T. Hramshin, E. Hramshina, G. Kornilov The multilevel high-voltage converter of frequency for the electric drive Application of the multilevel high-voltage frequency converter for the electric drive is in-process observed. Some results of computer modelling of electromagnetic processes of the multilevel high-voltage frequency converter are presented.
Keywords: engines, the high-voltage converter of frequency, electromagnetic compatibility, the multilevel inverter.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
Т.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30,
[email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
Г.П. Корнилов, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (3519) 29-84-79,
1<ргп [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
В.В. Ровнейко, нач. ТЭЦ, (3519) 29-84-30,
[email protected] (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
А.А. Мурзиков, инженер Центральной электротехнической лаборатории,
(3519) 29-84-30, [email protected]
(Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Представлено описание силовой и измерительной части лабораторного стенда для исследования частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Приведена структурная схема модели двигателя с разложением тока на две ортогональные составляющие. Выполнено исследование работы преобразователя частоты при кратковременных просадках питающего напряжения.
Ключевые слова: регулируемые электроприводы, горячее цинкование, двигательный режим, преобразователь частоты.
В настоящее время общей тенденцией регулируемых электроприводов общепромышленных механизмов является замена двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока. Особенно заметен такой переход в металлургической отрасли в прокатном переделе, где регулируемые электроприводы составляют большую часть. Это проявляется в полной мере на ОАО «ММК», где за последние годы введены в эксплуатацию ряд энергоемких объектов, таких как агрегат непрерывного горячего цинкования, непрерывно-травильный агрегат, реверсивный стан холодной прокатки, три сортовых стана, толстолистовой стан 5000 горячей прокатки. Об-
щее количество установленных приводов превышает тысячу единиц, к примеру, только на стане 5000 установлено около двухсот приводов, а на агрегате непрерывного горячего цинкования около 400 приводов.
Как правило, силовая часть электропривода выполняется по типовой схеме: выпрямитель, инвертор, двигатель, причем для многодвигательных приводов выпрямитель может быть как групповым, так и индивидуальным. Известно, что в современном преобразователе частоты (ПЧ) заложено несколько структурных решений систем автоматического регулирования, среди которых следует выделить системы со скалярным и векторным регулированием с датчиком и без датчика скорости. Кроме обычных операций - плавный пуск и поддержание заданной скорости, на систему регулирования возлагаются и специальные функции, например: сохранение работоспособности привода в случае кратковременных нарушений питающего напряжения, так называемое «кинетическое буфериро-вание».
Опыт наладки и эксплуатации электроприводов подобного типа, выпущенных за рубежом, показывает на отсутствие достаточного подробного описания алгоритмов работы основных управляющих блоков в системе регулирования, а также осциллограмм типовых переходных процессов при различных настройках системы. Такая информация необходима для наиболее полного использования оборудования в статических и динамических режимах.
Поставленные проблемы могут быть успешно решены при наличии гибкой электромеханической системы, состоящей из двух электроприводов имеющих механическую связь и получающих питание от индивидуальных преобразователей. Один из электроприводов является исследуемым объектом, другой - нагрузочным устройством. В данной работе приводятся результаты исследований частотно-регулируемого асинхронного электропривода, полученные в лабораторных условиях.
Традиционным решением является использование в качестве нагрузочной машины генератора постоянного тока. Это обусловлено простотой регулирования электромагнитного момента в машине постоянного тока. Авторами предложен альтернативный вариант построения системы (рис.1), при котором используются две асинхронные машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а другая - в генераторном режиме. Реализация такого решения стала возможной благодаря силовому соединению двух преобразователей по звену постоянного тока. В этом случае энергия, отдаваемая в звено постоянного тока машиной, работающей в генераторном режиме, потребляется вторым приводом, работающим в двигательном режиме.
Силовая часть лабораторной установки состоит из двух преобразователей частоты М1егоМаБ1ег-440 с номинальным напряжением 220 В и током 2,3 А. К каждому из них присоединен асинхронный двигатель номи-
нальной мощностью 0,37 кВт и частотой вращения 1370 об/мин. На валу одного из двигателей установлен импульсный датчик скорости - энкодер, формирующий 1024 импульсов на оборот. Сигнал с датчика скорости подается на специальный «модуль обработки сигнала энкодера», который встроен в преобразователь частоты. Управление преобразователями осуществляется от персонального компьютера с помощью программы Drive Monitor. Для связи преобразователя с компьютером используется «модуль подключения к РС», который по интерфейсу RS-232 обеспечивает двунаправленную передачу информацию в компьютер через COM порт. Программа Drive Monitor позволяет выдавать сигналы задания преобразователю и контролировать в режиме реального времени координаты электропривода (напряжение, ток, скорость и т.д.). Особенностью данного программного продукта является возможность управления только одним преобразователем с одного компьютера. Поэтому, в лабораторной установке были задействованы два персональных компьютера, что позволило наблюдать за координатами как исследуемого, так и нагрузочного электропривода.
Рис. 1. Функциональная схема лабораторного стенда
Лабораторный стенд оснащен измерительным комплексом, который включает в себя: первичные датчики напряжения, тока и угла поворота вала, многоканальное устройство гальванической развязки, модуль аналого-цифрового преобразования и персональный компьютер, для записи и дальнейшей математической обработки сигналов. При выборе типа датчиков тока рассматривались следующие варианты: шунт, трансформатор тока, датчик тока на эффекте Холла. Последний вариант датчика не использовался ввиду его высокой стоимости. Вариант с трансформатором тока был отклонен по причине того, что трансформатор должен быть специального исполнения с ферритовым сердечником, т.к. он используется в цепи с
ШИМ. Поэтому был выбран наиболее простой способ измерения тока с помощью шунта. Измерение напряжения осуществлялось с помощью делителя напряжения и пассивного фильтра второго порядка, необходимого для подавления модуляционной составляющей сигнала. Фазовая задержка сигнала, вносимая фильтром, учитывалась при математической обработке сигнала. В качестве датчика угла поворота вала использовался синхронный генератор с постоянными магнитами небольшой мощности. Аналого-цифровое преобразование сигналов осуществлялось с помощью USB модуля Е14-140 фирмы "L-Card". Гальваническая развязка сигналов выполнена на ячейках напряжения и тока фирмы "ProSoft".
При осциллографировании регистрировались токи двигателя и напряжения на выходе датчика угла поворота. Момент двигателя М получается расчетным путем как произведение двух ортогональных составляющих тока, первая из которых Id создает магнитное поле в машине, а вторая Iq - связана с моментом двигателя. Эти составляющие выделяют по структурной схеме [1], представленной на рис. 2. В зарубежной литературе данное решение называется Current Model - токовая модель; ее характеристика представлена ниже: исходной информацией являются мгновенные значения токов двигателя и угол поворота ротора. С помощью блока «3 / 2» трехфазная система токов преобразуется в двухфазную. Аналогичное преобразование производится с напряжениями, приходящими от датчика угла поворота. Полученные сигналы по напряжения с помощью блока «ав / г0» преобразуются из декартовой системы координат в полярную, в которой сигнал характеризуется амплитудой r и углом поворота 0r. Заметим, что скорость вращения ротора юг пропорциональна амплитуде r. Сигнал по углу поворота ротора 0r складывается в сумматоре с сигналом 0s. Выход сумматора 0^ это ни что иное, как угол поворота вектора потокосцепления ротора. Данная величина используется в блоке «ав / dq», где двухфазная система периодически изменяющихся токов раскладывается на две ортогональные составляющие Id и Iq, которые в установившемся режиме являются постоянными величинами. Намагничивающая составляющая тока Id фильтруется апериодическим звеном первого порядка, которое моделирует инерционность роторной цепи. Моментная составляющая тока Iq умножается на коэффициент Tr-1, который учитывает жесткость механической характеристики двигателя. Преобразованные сигналы поступают в блок деления, на выходе которого формируется сигнал пропорциональный частоте тока в роторе ю8. Этот сигнал интегрируется, складывается с сигналом по углу поворота и по обратной связи поступает на вход контура - блок «ав / dq».
Рис. 2. Структурная схема устройства измерения момента с разложением тока статора на две составляющие -намагничивающую 1а и моментную 1Ч
Описанная структурная схема отражает физический смысл работы АД. Действительно, на холостом ходу ротор вращается с синхронной скоростью, поэтому частота сигналов, приходящих от датчика угла поворота ротора, равна частоте токов статора. Моментная составляющая тока /ч равна нулю, как и частота ю8 тока в роторе. По статору протекает только ток намагничивания /¿. Под действием нагрузки ротор снижает свою скорость и в нем начинают протекать токи с частотой ю8. Однако сумма угловой скорости ротора юг и частоты тока в роторе ю8 по-прежнему равна частоте тока статора ю^. Это обстоятельство учитывается в рассматриваемой схеме - разложение тока на две составляющие производится в функции угла поворота вектора потокосцепления ротора, который находится как сумма 0Г + 05. С появлением тока в роторе возникает электромагнитный момент двигателя. Ток статора увеличивается и содержит не только намагничивающую, но и моментную составляющие, отношение которых пропорционально скольжению двигателя или частоте тока в роторе.
Данную структурную схему следует рассматривать как следящую систему с двумя трехканальными входными сигналами, интегральным звеном и обратной связью. Информация о состоянии двигателя содержится как в токе - под нагрузкой он растет, так и в угле поворота ротора - под нагрузкой частота вращения ротора снижается. Совместная обработка этих сигналов позволяет получить сигнал пропорциональный моменту.
На рис. 3 представлены экспериментальные осциллограммы переходных процессов, полученные на лабораторной установке. Исследовался режим кратковременного снижения питающего напряжения различной
длительности - 0,14 и 0,23 с соответственно. Кривая 3 - это моментная составляющая тока, рассчитанная в преобразователе частоты и записанная с его аналогового выхода. Кривая 4 - тот же сигнал, но получен расчетным путем по модели двигателя представленной выше. Как видно из графиков рис. 3, эти две кривые практически совпадают.
Осциллограммы на рис. 3 записаны при работе преобразователя с активной функцией «кинетическое буферирование». Поясним суть происходящих явлений. При снижении питающего напряжения система управления преобразователя принудительно переводит привод из двигательного режима в генераторный, что следует из знака моментной составляющей тока - она становится отрицательной. Кинетическая энергия, запасенная во вращающемся роторе, преобразуется в электрическую и питает преобразователь и двигатель. Эта ситуация сохраняется на всем протяжении отсутствия питающего напряжения, при этом темп торможения выбирается автоматически таким образом, чтобы напряжение в звене постоянного тока сохранялось постоянным. Восстановление напряжения сопровождается скачком динамического момента, под действием которого скорость привода увеличивается до заданного значения. Как следует из осциллограмм, намагничивающая составляющая тока двигателя на всем протяжении переходного процесса сохраняет практически постоянное значение, за исключением небольших выбросов при резких изменениях момента.
Рис. 3. Осциллограммы переходных процессов при кратковременном снижении питающего напряжения длительностью 0,14 с и 0,23 с (1 - намагничивающая составляющая тока; 2 - частота вращения; 3 - моментная составляющая тока (из ПЧ); 4 - моментная составляющая тока (по модели);5 - логический сигнал уровня
питающего напряжения)
Выводы
Разработана универсальная физическая модель преобразователь частоты - асинхронный двигатель, состоящая из двух комплектов преобразователя с двигателем и измерительного комплекса с устройством цифро-
вой регистрации и обработки сигналов. Впервые получена структура модели двигателя, отражающая алгоритмы выделения ортогональных составляющих токов, которая используется в современном преобразователе частоты. Произведена качественная оценка намагничивающей и моментной составляющих токов по сигналам первичной информации - току двигателя и углу поворота ротора. Экспериментально подтверждено, что функция «кинетическое буферирование» поддерживает ток намагничивания двигателя и выпрямленное напряжение преобразователя на постоянном уровне в течение кратковременных просадок питающего напряжения.
Список литературы
1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет, 2008. 298 с.
T. Hramshin, G. Kornilov, V. Rovneiko, A. Murzikv
Research of frequency-regulated asynchronous electric drives in vitro
Specification of power electronic and measurement parts of laboratory bench is shown for investigation variable frequency drive. The structure scheme of induction motor model with transformation alternative current towards two orthogonal components is presented. An analysis the operation variable frequency drive during short-time supply voltage decrease is performed.
Keywords: adjustable electric drives, are hot galvanization, an impellent mode, the frequency converter.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
М.С. Черемушкина, канд. техн. наук, ассист., (812) 328-84-69, [email protected],
В.А. Соловьев, канд. техн. наук, ассист., (812) 328-84-69, [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ))
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ КОНВЕЙЕРНОГО ТРАНСПОРТА
Обоснована необходимость построения системы контроля и управления ленточным конвейером, как восстанавливаемым техническим объектом. Рассмотрены средства и структура системы диагностики конвейерного транспорта. Ключевые слова: конвейерные линии, грузопоток, перегрузочный пункт, лента.
Главенствующей тенденцией в развитии транспортных систем на угольных шахтах является переход на их полную конвейеризацию. При
