CC BY
18
Ле Ван Тунг Le Van Tung
аспирант кафедры «Электроэнергетика и электромеханика», ФГБОУВО «Санкт-Петербургский горный университет», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
УДК 621.314.57
До Чи Тхань Do Chi Thanh
кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Автоматизация», Куангниньский промышленный университет, г. Куангнинь, Социалистическая Республика Вьетнам
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-2-35-44
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СО МНОГИМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ
Исследование преобразователей частоты с использованием активного выпрямителя методом прямого управления мощностью для обеспечения синусоидального входного тока, коэффициента мощности, равного 1, стабильностью постоянного напряжения DC на выходе, обменной мощностью в двух направлениях между нагрузкой и сети. Прямое управление мощностью, основанное на оценке напряжения сетью, затем прямое управление активной и реактивной мощностями цепи, обеспечение реактивной мощности q=0. В статье анализируются преимущества метода прямого управления мощностью в цепи активного выпрямителя с высокой мощностью в качестве источника питания нескольких инверторов — трехфазных асинхронных двигателей. В методе прямого управления моментом с использованием пространственно-векторной модуляции используются Р1-регулятор потока и регулятор момента для замены регулятора реле задержки в методе классического управления моментом. Точное регулирование амплитуды потока и момента обеспечивается объединением питания по схеме активного выпрямителя: несколько инверторов, несколько двигателей и нагрузка образуют целостную систему электропривода с повышенной эффективностью работы. Результаты исследования были подтверждены с помощью программного обеспечения МаЙаЬ & Simulink.
Ключевые слова: трехфазный выпрямитель ШИМ, прямое управление мощностью, прямое управление моментом DTC, трехфазный инвертор. многодвигательный асинхронный электропривод, Ма^аЬ & Simulink.
RESEARCH ON DIRECT POWER CONTROL OF FREQUENCY CONVERTER WITH MANY MOTORS USING DIRECT TORQUE CONTROL
Research of frequency converters use active rectifier with direct power control method to make sure sine-shaped input current, power factor equal to 1, DC direct voltage at the stable output, energy is exchanged in two directions between load and grid. Direct power control based on grid voltage estimation will then directly control the active and reactive power of the circuit, ensuring reactive power q=0. The paper analyses the advantages of the direct power control method in active
- 35
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
rectifier circuit with high-capacity as the main power source for many inverters — three-phase asynchronous motors working in the mining industry. The method of direct control of the moment using space-vector modulation. Use Pi-type regulators to control the torque and magnetic flux instead of the delay relay regulators, ensuring continuous adjustment of the flux amplitude and the torque. Combining power — active rectifier circuit — multiple inverter circuits — multiple motors — load into a complete multi-motor electric drive system with improved working efficiency. The research results were verified by Matlab & Simulink software.
Key word: three-phase PWM rectifier; direct power control; torque control DTC; three-phase inverter; Multi-motor electric drives; Matlab & Simulink.
Введение
В настоящее время промышленные преобразователи частоты требуют высокого коэффициента мощности, снижающего гармоники в сети, вызванные полупроводниковыми элементами в цепи выпрямителя. К преимуществам активных выпрямителей относятся высокий коэффициент мощности (cos9=1), уменьшение высших гармоник в сети, двусторонняя обменная мощность, регулировка и стабилизация напряжения постоянного тока на выходе, уменьшение размера конденсатора фильтра [1].
В тиристорных преобразователях также обеспечивается обмен потребляемой энергией в двух направлениях между сети и нагрузкой. Однако такие преобразователи имеют громоздкие, сложные схемы управления, низкие коэффициенты мощности. Поэтому схемы выпрямителей, использующие диоды и тиристоры для преобразования частоты, постепенно заменяются активными выпрямителями, использующими IGBT [2].
Метод управления активным выпрямителем оценивает напряжение сети и затем прямое управление активной и реактивной мощность (DPC-Direct Power Control). Преимущество этого метода управления заключается в управлении реактивной мощностью q=0 на входе выпрямителя для обеспечения cos9=1. Оценка изменения гармонического содержания улучшает коэффициент мощности и эффективность управления [3].
В настоящее время распространенная система электропривода имеет преобразователь частоты — асинхронный двигатель. Однако когда в таком случае работает группа двигателей или требуется расширить диапазон мощности, это приводит к увеличению мощности и размерам двигателя, механической трансмиссии и необходимости замены
преобразователя частоты на более мощный. Для устранения этих недостатков исследуется и разрабатывается структурная схема системы электропривода, состоящей из выпрямителя — нескольких инверторов и нескольких двигателей, показанных на рисунке 1 [4].
Как показано на рисунке 1, используется выпрямитель для питания многих инверторов. Использование инверторов для подачи питания на каждый двигатель не только расширяет диапазон мощности, но и создает гибкую систему управления энергетическим процессом, а также синхронно регулирует скорость приводной системы. Двигатели могут работать с отдельными нагрузками или с одинаковой нагрузкой, например длинные конвейеры используют несколько двигателей.
Рисунок 1. Структура активного выпрямителя с несколькими инверторами
Исследование [5], доказывает, что на схеме, приведенной на рисунке 1, общая мощность инвертора может быть в 4 раза выше, чем мощность активного выпрямителя. Это снижает стоимость при проектировании схемы выпрямителя.
Метод прямого управления моментом DTC (Direct Torque Control) имеет множество преимуществ при работе в режимах с малой скоростью, резко изменяющимся моментом нагрузки, при низких пульсация низкого крутящего момента, стабильности частоты переключения. В статье используется метод DTC-SVM (Space Vector Modulation) вместо классического метода DTC, чтобы продемонстрировать преимущества PI-регулятора и преимущества пространственно-векторной модуляции (ПВМ) [6].
Использование метода прямого управления мощностью с прямым управлением моментом двигателя позволяет повысить эффективность работы многих электродвигателей на практике.
Метод прямого управления мощностью Структура управления DPC (рисунок 2) основана на схемах, которые управляют мгновенной активной и мгновенной реактивной мощностью. В структуре DPC состояния переключения преобразователя выбираются на основе разницы между вычисленным значением и регулируемым значением активной мощности (p) и реактивной мощности (q) [4]. Следовательно, метод DPC требует быстрой и точной оценки мощности p и q.
На рисунке 2: Н — нагрузка (инверторы и двигатели); PI — регулятор напряжения постоянного тока; PWM — активный выпрямитель (IGBT), L — реактивное сопротивле-
L
ние; Тп — таблица переключения; уиъ — фазовый угол между вектором напряжения и осью а.
Р1-регулятор напряжения поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С в соответствии с желаемой предустановкой. Это регулирует поток активной мощности, протекающий к конденсатору С. Необходимо проверять, чтобы выходное напряжение выпрямителя было равно значению и^ге^ установленному при изменении нагрузки.
Оценка мощности является важной частью системы. Цель состоит в том, чтобы определить рассчитанную мощность и затем сравнить ее с установленной мощностью для формирования корректного сигнала управления. Мощность р и q активного выпрямителя рассчитываются по системе координат а, в следующим образом:
Р = и^а + и^р , (1)
я == ир1а - иа1р . (2)
Далее требуется установка значения реактивной мощности qгef=0, то есть cosф=1. Активная мощность р^ на выходе Р1-регу-лятора сравнивается с расчетной активной мощностью р. Разница между сравнениями — это входой сигнал на реле регулятора.
Два регулятора мощности имеют характеристики задержек (характеристики реле).
сн
Измерение тока, оценка напряжения, мгновенная мощность
и
dc
II
U
dcref
Т
IС
г
PI
I
X
Pref
qref=0
Рисунок 2. Структура активного выпрямителя DPC
Выходной сигнал регулятора активной мощности определяется следующим образом:
с1р = 1 если р < ргеГ - Нр , (3) = 0 если р > qreí + Нр . (4)
Выходной сигнал регулятора реактивной мощности определяется следующим образом:
с!ч = 1 если q < - Нр , (5) с1ч = 0 если q > + Нр , (6)
где Нр, Hq — диапазоны задержки.
Область положения вектора напряжения делится на 6 или 12 секторных областей в системе координат а, в, как показано на рисунке 3. Однако в ходе исследовательских работ в таблице переключения метода DPC используются 12 секторов, которые имеют более высокое качество [1].
На основании изменения мгновенной мощности можно определить вектор управляющего напряжения в секторной плоскости.
Рисунок 3. Разделение вектора напряжения по оси а-в
В данном исследовании применяется таблица выбора вектора напряжения в 12 секторах следующим образом (таблица 1).
Таблица 1. Таблица выбора векторов напряжения активного выпрямителя
dp dq Выбо р вектора напряжения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 0 U6 U6 U1 U1 U2 U2 U3 U3 U4 U4 U5 U5
1 U2 U7 U3 Uo U4 U7 U5 Uo U6 U7 U1 U0
0 0 U6 U1 U1 U2 U2 U3 U3 U4 U4 U5 U5 U6
1 U1 U2 U2 U3 U3 U4 U4 U5 U5 U6 U6 U1
Метод прямого управления моментом двигателя
Метод управления БТС широко используется в промышленности благодаря своим преимуществам: очень малое время отклика момента, высокая надежность, очень хорошие динамические характеристики электромагнитного крутящего момента и потока статора. Базовая схема управления DTC использует секторную таблицу переключения для выбора вектора управляющего напряжения с такими преимуществами, как простая структура, отсутствие изменения координат, отсутствие непосредственного контура управления.
Однако базовый метод DTC имеет недостатки, такие как частота коммутационного элемента высокие пульсации момента, искажения потока и тока с изменением положения вектора потока статора, высокой частоты дискретизации.
В последнее время исследуется и развивается метод прямого управления моментом с 38 -
использованием пространственно-векторной модуляции БТС^УМ. Этот метод преодолевает ограничения базового метода БТС. Метод БТС-8УМ работает с постоянной частотой переключения, поэтому он оптимален по потерям на переключение. Схема структуры управления DTC-SVM показана на рисунке 4. Метод DTC-SVM выполняет измерение и расчет мгновенного момента, поток статора, расчет вектора напряжения статора необходимого модуляции №с. Затем происходит выполнение пространственно-векторной модуляции для переключения ключей ЮВТ. Использование метода SVM уменьшает потери на переключение и уменьшает гармоники тока на выходе [6]. На рисунке 4 используется Р1-регулятор потока и момента. Это позволяет быстро контролировать амплитуду потока и момент. Постоянное напряжение на входе инвертора поддерживается постоянным (¥8а, ¥8р — поток статора на ось а, Р; — модуль пото-
косцепления статора; юг — скорость ротора; Магнитный момент двигателя рассчиты-юг* — заданное значение скорости; Мё — вается по формуле:
момент двигателя; — заданное значение потока; 0, — угол поворота потокосцепления статора; РС — регулятор скорости; РПС —
(7)
Чтобы оценить работу активного выпря-
регулятор потокосцепления статора; РМ — мителя системы, состоящей из нескольких
регулятор момента; ВПД — вычислитель инверторов и нескольких двигателей, в ста-
момента, потокосцепления статора двигателя тье исследуется работа системы электропри-
и скорости вращения ротора; ВН — вычис- вода, состоящей из трех двигателей, как
литель напряжения).
показано в таблицах 2, 3.
РС
со,.
Р1
Рисунок 4. Схема управления БТС^'УМ
Таблица 2. Параметры асинхронных двигателей
Таблица 3. Параметры активного выпрямителя
Технические характеристики АД 1 и 2 АД 3
Мощность, кВт 110 150
Напряжение, В 380/660 380/660
Частота, Гц 50 50
Частота вращения, об/м 1485 1490
Коэффициент мощности соБф 0,89 0,92
Момент инерции У), кгм2 2,0 3,1
Момент загрузки (Мс), Кт 707 962
Источник напряжения, В 600
Частота сети, Гц 50
Конденсатор на выходе (С), ^ 10000
Индуктивность на входе (Ь), Гн 0,0001
Постоянное напряжение на выходе (иёс), В 1200
Результаты моделирования Результаты моделирования представлены на рисунке 5, где: 1 — трехфазный источник; 2, 6, 12, 15 — датчики тока и напряжения; 3 — реактор; 4 — активный выпрямитель (ЮВТ); 5, 11, 14 — инвертор (ЮВТ); 7, 13, 16 — асинхронный двигатель; 8 — синтетический блок управления выпрямителем БРС; 9 — синтетический блок прямого управления моментом двигателя; 10 — датчик постоянного напряжения; Мс1, Мс2, Мс3 — моменты нагрузки.
Для оценки качества работы выпрямителя и инвертора предположим, что скорость и момент возрастают, а затем резко уменьшаются. Это два наиболее серьезных изменения, когда асинхронный двигатель работает по режимам таблицы 4.
Результаты моделирования в схеме выпрямителя представлены на рисунках 6-14.
Результаты моделирования управления двигателем представлены на рисунках 15-17.
Рисунок 5. Схема управления DTC-SVM с активным выпрямителем
Таблица 4. Режимы и моменты работы двигателей
P (Kw) Скорость ю (об/м) и время 1;(с) Момент загрузки Mc (Нм) и время 1(с)
110 ю =[1200 0] Мс=[0 550 -550]
t =[ 0 4] t =[ 0 1,3 4,5]
110 ю =[1300 0] Мс=[0 590 -590)]
t=[0 4] t=[ 0 1,3 4,5]
150 ю =[1400 0] Мс=[0 800 -800]
t=[ 0 3] t=[ 0 1,5 4]
500
О
-500
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Рисунок 6. Напряжение на входе АВН
1200 1000
500
0 1 2 3 4 5
Рисунок 7. Ток на входе АВН Рисунок 8. Постоянное напряжение
на выходе АВН (Ц*=1200В)
500
-500
12 13 14 1.5 1.6
Рисунок 9. Характеристика тока на входе выпрямителя при запуске двигателей и при моменте нагрузки
3.2
3.4
3.6
3.3
Рисунок 10. Характеристики входного тока, когда скорость вращения двигателей снижается, а у третьего двигателя обратный момент нагрузки
4.65
Рисунок 11. Характеристики входного тока, когда двигатели 1 и 2 имеют обратный момент нагрузки (Мс1, Мс2) при t=4,5 с
1 - —1
1
0.5 0
-0.5 -1
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Рисунок 12. Характеристика коэффициента мощности соэф
Harmonic order
Рисунок 13. Коэффициент искажения тока на входе (TDH=0,46 %)
х 1СГ
1
0.5 0
-0.5 -1 .5
-
Активная мощи ость (p)
Реактивная мои юность (q) L
_
Рисунок 14. Акивная и реактивная мощность на входе АВН
Ток статора
2 3 4
Скорость ротора
о
ООО 500
о
1000 о
-1000 t
■ i x.
■ ■ __
12 3 4
Электромагнитный момент
г *
_r —
1
0 1 2 3 4 5
Рисунок 15. Характеристики первого двигателя методом управления DTC-SVM (ю=1200 об/м)
Ток статора
500
о
■5 D0
г _ □
\frmm - Íhuiij
4 i!' H^Mill
0
2 3 4
Скорость ротора
1000 500
о
о
1000 о
1 2 3 4 5
Электромагнитный момент
-1 ООО I
п
L
о
1
Рисунок 16. Характеристики второго двигателя при управлении методом DTC-SVM (ш=1300 об/м)
Ток статора
о
2 з Скорость ротора
1500
юоо
500
о
о
Электромагнитный момент
юоо о
-1 ооо
jnu
о
1
Рисунок 17. Характеристики третьего двигателя при управлении методом DTC-SVM (ш=1400 об/м)
Вывод
Теоретический анализ и результаты моделирования показывают, что система электропривода, состоящая из активного выпрямителя, нескольких инверторов, нескольких двигателей, имеет хорошие рабочие характеристики. Обмен энергии в двух направлениях подходит для режимов работы двигателей с частым торможением и обратной скоростью вращения. Система имеет высокий коэффициент мощности и синусоидальный ток. Метод управления моментом DTC-SVM
Список литературы
1. Malinowski M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers: PhD Thesis. Warsaw, 2001. 128 p.
2. Шапиро С.В., Зинин Ю.М., Иванов А.В. Системы управления с тиристор-ными преобразователями частоты для электротехнологии. М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. Antobiewitcz Р., Kazmierokowski М.Р. Predictive Direct Power Control of Three-Phase Boost Rectifier // Bulletin of the Polish Academy оf Sciences. 2006. No. 3. Vol. 54. P. 12-18.
4. Hung N., Noguchi T. Performance Improvement of Direct-Power-Controlled PWM Converter // IEEJ Trans, on Ind. Appl. 1998. Vol. 119, No. 2. P. 232-239.
5. Schneider Electric Power Drives (08/2010). Активный выпрямитель напряжения, обеспечивающий возврат энергии торможения в сеть. https://electroautomatica.ru/ img/documentation/ATV_%20AFE_4Q_ru.pdf.
6. Hableter T.G., Profumo F., Pastorelli M., Tolbert L.M. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation // IEEE Trans. Ind. Applicat, 1992. Vol. 28. P. 1045-1053.
References
1. Malinowski M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers: PhD Thesis. Warsaw, 2001. 128 p.
подходит для двигателей большой мощности, характеризующихся плавной скоростью при запуске и останове. Система обеспечивает стабильную скорость двигателя с изменением момента нагрузки. Структурная схема системы электропривода была разработана для обеспечения высокого качества электроэнергии с целью применения в системах, которые работают группами двигателей или нуждаются в расширении мощности при изменении нагрузки.
2. Shapiro S.V., Zinin Yu.M., Ivanov A.V. Sistemy upravleniya s tiristornymi preobra-zovatelyami chastoty dlya elektrotekhnologii [Control Systems with Thyristor Frequency Converters for Electrical Technology]. Moscow, Energoatomizdat, 1989. [in Russian].
3. Antobiewitcz Р., Kazmierokowski М.Р. Predictive Direct Power Control of Three-Phase Boost Rectifier. Bulletin of the Polish Academy оf Sciences, 2006, No. 3, Vol. 54, p. 12-18.
4. Hung N., Noguchi T. Performance Improvement of Direct-Power-Controlled PWM Converter. IEEJ Trans, on Ind. Appl., 1998, Vol. 119, No. 2, pp. 232-239.
5. Schneider Electric Power Drives (08/2010). Aktivnyi vypryamitel' napryazheniya, obespechivayushchii vozvrat energii tormo-zheniya v set' [Active Voltage Rectifier, Providing the Return of Braking Energy to the Network]. https://electroautomatica.ru/img/docu-mentation/ATV_%20AFE_4Q_ru.pdf. [in Russian].
6. Hableter T.G., Profumo F., Pastorelli M., Tolbert L.M. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation. IEEE Trans. Ind. Applicat., 1992, Vol. 28, pp.1045-1053.
