CC BY
55
УДК 621.318 в. В. ФЕДЯНИН
В. К. ФЕДОРОВ Д. В. ФЕДОРОВ Н. В. РУБАНОВ С. Н. ПРОСКУРЯКОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАОТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ НА РАБОТУ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ПРИВОДА_
Классическая широтно-импульсная модуляция (ШИМ) довольно хорошо изучена, в то время к ак многие детали, относящиеся к ШИМ с хаотической ч астотой, еще не были должным образом проанализированы с практической и теоретической точки зрения. Работа посвящена исследованию влияния х аотической несущей частоты широтно-им-пульсной модуляции на работу частотно-регулируемого асинхронного двигателя. В первой ч асти исследования с помощью имитационной модели проведен анализ ШИМ с постоянной и хаотической несущей частотой. Во второй части проведено исследование на экспериментальной установке частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя. Проведено сравнение энергетических показателей при использовании ШИМ с постоянной и х а отической несущей ч а стотой. Используя х аотическую ч астоту несущую ШИМ, разработан метод уменьшения акустического шума. Измерены и проанализированы спектры выходного напряжения для классической ШИМ и ШИМ с хаотическим изменением несущей частоты.
Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция, силовая электроника, преобразователи ч а стоты, детерминированный х аос.
Введение. Благодаря технологическому прогрес- исследование новой методики ШИМ в частотно-
су, силовые электронные преобразователи на основе регулируемом асинхронном электроприводе. Эта так
полупроводниковых приборов сегодня используются называемая ШИМ с хаотическим изменением несу-
в огромном количестве устройств. Не проводя клас- щей частоты, которая позволит устранить некото-
сификацию устройств силовой электроники, можно рые недостатки, появляющиеся при использовании
с уверенностью сказать, что сегодня большая часть классической ШИМ.
преобразователей основана на импульсной техноло- Итак, частотно-регулируемый асинхронный элек-гии. Это электронные балласты, электроприводы тропривод с преобразователем частоты (ПЧ) стал с регулируемой скоростью, сварочные аппараты, основным типом регулируемого электропривода [3]. бесперебойные источники электропитания, электро- Проблемами для таких приводов являются излуча-мобили, тяговые приводы и т. д. Как показано в [1], емый акустический шум и риск возникновения такие силовые преобразователи управляются по механических резонансов. В работах [4, 5] иссле-принципу «включено-выключено». Несмотря на то, дованы эти явления. Существуют различные методы что сегодня набирают популярность преобразователи решения данных проблем. Один из способов с мягким переключением, большинство преобразова- уменьшения шума — использовать частоту коммут-телей по-прежнему работают с жестким переключе- ации выше 18 кГц, но при этом растут потери в элек-нием. Как показано в [2], существуют разные методы тродвигателе и потери на переключении. Другим управления выходной мощностью преобразователя, способом является фильтрация выходного напряжено самые распространённые основаны на широтно- ния, но это увеличивает размеры и стоимость преоб-импульсной модуляции. Это обеспечивает хорошую разователя. Гораздо более перспективным методом эффективность в широких пределах выходной мощ- является хаотическое изменение частоты переклю-ности. Исходя из этого, можно сказать, что в буду- чения ШИМ [6]. В работе основной упор делается щем использование широтно-импульсной модуляции на стандартный трехфазный преобразователь напря-в силовых преобразователях будет продолжено. жения, хотя такой подход может быть использован В связи с вышеизложенным, работа направлена на и в других приложениях силовой электроники.
Н-
игвГ СепегиИсп (50Нг)г
Рис. 1. Имитационная модель
Ранние исследования показали, что хорошо разработанная методика ШИМ с хаотической частотой ведет себя практически так же, как ее детерминированный аналог. Однако вследствие хаотических переключений силовых элементов спектры частотной области сильно отличаются от спектров классической ШИМ. По сути, спектр классической ШИМ состоит из дискретных частотных компонентов, сгруппированных вокруг кратных несущей частоты, тогда как спектр ШИМ с хаотической частотой имеет непрерывный спектр. Это свойство спектрального состава становится основополагающим к пониманию текущего интереса к ШИМ с хаотической частотой.
Теоретическая часть. Первая часть исследования посвящена разработке имитационной модели в пакете МЛТЬЛБ, приложении БтиНпк, показанная на (рис. 1). Имитационная модель состоит из асинхронного двигателя, классической схемы инвертора напряжения на шести ЮБТ транзисторах, блока формирования векторной ШИМ (БУРШМ), генератора детерминированного хаоса и системы управления, которая подробно рассмотрена в работе [6]. Для поддержки постоянного коэффициента заполнения необходимо иметь линейное возрастание и убывание треугольного сигнала несущей частоты. Отметим, что несущая частота всегда намного больше, чем частота модулирующих сигналов А , А „ А . В этом
^^ ^^ ^^ та' тЬ' тс
случае коэффициент заполнения ШИМ пропорционален модулирующему сигналу в течение одного периода несущей частоты. Таким образом, если наклон последующих сегментов треугольного сигнала изменяется, то сохраняется линейность. Покажем процесс формирования хаотического изменения несущей частоты.
Пусть мгновенное значение несущей частоты, т.е. частоты одного прямого отрезка, находится на интервале времени и ta+1, тогда частота f определяется выражением
Г =
1
1
Рис. 2. Треугольный сигнал несущей частоты и хаотическая модулирующая функция
где Тс — постоянный период несущей частоты, Тт — период хаотического изменения сегментов треугольного сигнала несущей частоты. Откуда
• тЩ ,
(2)
(1)
где т(Щ) = Ле~' cos2p.it — автокорреляционный процесс, модулирующий функции, Л — дисперсия несущей частоты, к — масштабный коэффициент.
На рис. 2 показан процесс хаотического изменения частоты ШИМ. Очевидно, что, ограничивая величину ш(1;), можно поддерживать частоту ШИМ в пределах заданного уровня хаотического диапазона, тем самым ограничить спектр выходного напряжения. Оптимальным подходом для векторной ШИМ является хаотическое изменение наклона сегментов треугольного сигнала несущей частоты. Пусть модулирующая функция ш(1;) является случайной функцией, например, гауссовым «белым» (широкополосным) шумом. В этом случае получается модуляция с очень широкой полосой пропускания, что приводит к большому мгновенному изменению несущей частоты треугольного сигнала. Это умень-
Тт = к
^+1 - ^ Тс + Тт
Рис. 3. Результаты моделирования
шает шум электродвигателя, а также приводит к очень широкому спектру выходного напряжения и тока. Поскольку несущая частота ШИМ является основным источником акустических шумов, более высокими частотными гармониками можно пренебречь.
На рис. 3 изображен процесс формирования фазных напряжений электродвигателя. ШИМ реализована с помощью блока ЯУРШМ, формирующего трехфазные модулирующие сигналы Ата, АтЬ и Атс, и однофазного генератора треугольного сигнала с хаотической несущей частотой. Модулирующие сигналы не синхронизированы с фазой несущей частоты. Путем сравнения амплитуд Ата, А . и А с треугольным сигналом возникают фазные
тЬ тс 1 ^ ^
напряжения иа, иЬ и ис. Период несущей частоты определяется выражением (1). Таким образом, в фазном напряжении и токе помимо основной гармоники присутствуют еще и хаотически изменяющиеся гармоники, кратные частоте ШИМ.
Экспериментальная часть. Чтобы подтвердить правильность исследований на имитационной модели, была разработана лабораторная установка для снятия реальных спектров напряжения и тока асинхронного двигателя. На лабораторной установке (рис. 4) определение энергетических характеристик асинхронного двигателя производилось в соответствии с ГОСТ 25941-83. Использован метод взаимной нагрузки, при котором две машины механически соединяются друг с другом. Машина М1 работает в режиме двигателя (АД) от трехфазного источника, машина М2 — в режиме генератора (генератор постоянного тока (ГПТ)) на реостат. Полезная мощность на валу двигателя М1 рассчитывалась с помощью значений напряжения и тока, генерируемого двигателем посто-
Рис. 4. Установка для исследования влияния хаотической частоты ШИМ на работу электродвигателя
янного тока, независимого возбуждения по выражению
Р = и ■ I +12Ят + АР ,
(3)
где 12Яяц — мощность, идущая на потери в обмотках якорной цепи нагрузочной машины (Я = 9,8 Ом); АР — механические потери агрегата М1-М2; и, I — напряжение и ток на нагрузке Ян. Так как скорость вращения ротора в ходе экспериментов одинакова, то механическими потерями АР пренебрегаем.
Измерения фазных токов и напряжений осуществлялись с помощью датчиков напряжения (ДН) и тока (ДТ), основанных на эффекте Холла. Датчики
Рис. 5. Скорость ротора (а) и потребляемая мощность (б) при хаотической и периодической частоте ШИМ
Таблица 1
Технические данные АД
Тип двигателя Мощность, кВт При номинальной нагрузке Шм Шк 'п
Скольжение, % КПД, % Cos ф
4АА50В4У3 0,09 8,6 55 0,60 2,0 1,7 2,2 2,5
0.3
0.2
0,1
X: 3.911
Y: 0.4226 Y; 0.4399
0.7
0.5
0.3
X: 3.039 Y: 0.8015 X: 4.085 Y: 0.7735 _ т ,..,. ,
] 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 t, С
! 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 t, с
Рис. 6. Сравнение КПД (а) и соБф (б) при хаотической и периодической частоте ШИМ
б
а
обеспечивают гальваническую развязку между выходными и входными цепями. С выхода датчиков ДН1-ДН3 снимались сигналы трех фаз мгновенных фазных значений напряжения, с выхода датчиков ДТ1-ДТ3 — мгновенные значения тока. Частота вращения двигателя (рис. 5а) измерялась датчиком частоты вращения (ДЧ), в качестве которого используется энкодер с усилителем-преобразователем. Для проведения эксперимента выбран АД с коротко-замкнутым ротором марки 4АА50В4У3, параметры которого приведены в табл. 1.
В лабораторной установке преобразователь частоты имеет функцию задания величины несущей частоты ШИМ. Таким образом, программный код, написанный для микроконтроллера БТМ32Р407, позволяет формировать как классическую ШИМ, так и ШИМ с хаотическим изменением несущей частоты. Такой подход позволил значительно упростить исследование и сравнить энергетические пока-
затели асинхронного двигателя. Схема управления IGBT транзисторами ПЧ имеет гальваническую развязку, которая реализована на микросхемах HCPL2631. Управление стойками полумоста осуществляется высокоскоростной микросхемой IR2130. Микросхема содержит три драйвера нижнего уровня и три драйвера верхнего уровня. Входные логические сигналы совместимы с логикой CMOS от 2,5В.
Результаты эксперимента. По результатам эксперимента построены энергетические показатели асинхронного электродвигателя, спектры выходного напряжения. Методика определения энергетических показателей рассмотрена в работах [7, 8]. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель кинематически подключен к управляемому нагрузочному устройству, которое создает на валу двигателя нагрузочный момент. На первом этапе проведения работ АД подключался к ПЧ с периодической частотой ШИМ, испытания проводились при частоте 50 Гц,
Рис. 7. Фазное напряжение и ток при периодической (а) и при хаотической (б) несущей ШИМ
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 f, Гц б
Рис. 8. Спектры выходного напряжения при периодической (а) и хаотической (б) частоте ШИМ
б
a
а
среднеквадратичное фазное напряжение составило 191,2 В. На втором этапе проведения работ несущая частота ШИМ ПЧ изменялась хаотически, при этом среднеквадратичное фазное напряжение составило 192,5 В с частотой 50 Гц.
На рис. 6а, б представлено сравнение КПД и совф при периодической и хаотической частоте ШИМ. Из рис. 6а видно, что эффективность электродвигателя при периодической несущей ШИМ является практически постоянной, максимальное значение находится на уровне ц » 42 %. Максимальное значение эффективности электродвигателя при хаотической частоте несущей ШИМ составляет ц » 44 % . При этом полезная мощность в обоих случаях одинакова. На рис. 7а, б представлены мгновенные значения фазного тока и напряжения при периодической и хаотической частоте ШИМ. На рис. 8а, б приведены спектры выходного напряжения. Следует обратить внимание на резкое уменьшение величины отдельных гармоник вблизи частоты переключения при использовании хаотической частоты ШИМ. Отметим, что для асинхронного двигателя, используемого в экспериментальной части работы, общая (среднеквадратичная) полезная мощность, генерируемая машиной, не уменьшилась. Тем не менее энергетический спектр выходного напряжения (рис. 8б) стал широкополосным и непрерывным.
Вывод. В ходе исследования было установлено, что акустические шумы, испускаемые электродвигателями переменного тока и другими магнитными
компонентами в системах на основе преобразователей, работающих с несущей частотой в звуковом диапазоне, могут быть существенно уменьшены с использованием хаотической частоты ШИМ. Анализ спектров выходного напряжения показал, что ШИМ с хаотическим изменением частоты может также использоваться для получения соответствия стандартам электромагнитной совместимости с меньшими затратами на фильтрацию и экранирование, поскольку спектральные пики уменьшаются по сравнению с классической ШИМ.
Библиографический список
1. Мелешин В. Транзисторная преобразовательная техника: моногр. Смоленск: Техносфера, 2005. 632 с. ISBN 9785457737389.
2. Holtz J. Pulsewidth modulation for electronic power conversion // Proceedings of the IEEE. 1994. Vol. 82, no 8. P. 1194 — 1214.
3. Браславский И. Я., Ишматов 3. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: Академия, 2004. 256 c.
4. Хабибуллин А. Т., Хасанов Д. О., Мухутдинов Р. М. Проявление высших гармоник при работе преобразователей частоты // Вестник магистратуры. 2016. №. 1 — 1. С. 65.
5. Cameron D. E., Lang J. H., Umans S. D. The origin and reduction of acoustic noise in doubly salient variable-reluctance motors // IEEE Transactions on Industry Applications. 1992. Vol. 28, no. 6. P. 1250-1255.
6. Федоров В. К., Федянин В. В., Федоров Д. В. Алгоритм формирования широтно-импульсной модуляции с несущей частотой в режиме детерминированного хаоса // Омский научный вестник. 2017. №. 2 (152). С. 45-49.
7. Федянин В. В. Влияние преобразователя частоты на коэффициент полезного действия асинхронного двигателя // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. №8-3 (62). С. 83-87. Б01: 10.23670ZIRJ.2017.62.089.
8. Андриенко В. М. Определение энергетических показателей асинхронных двигателей при питании от статических преобразователей частоты // Электротехника и электромеханика. 2010. №. 3. С. 5-7.
ФЕДЯНИН Виктор Викторович, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
ФЕДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ФЕДОРОВ Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры «Электрическая техника». РУБАНОВ Николай Витальевич, студент гр. Э-144 энергетического института.
ПРОСКУРЯКОВ Семен Николаевич, студент гр. Э-142
энергетического института.
Адрес для переписки: k13201@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 27.09.2017 г. © В. В. Федянин, В. К. Федоров, Д. В. Федоров, Н. В. Рубанов, С. Н. Проскуряков
УДК 621.3.011.7+621.3.049+621.3.06 р. з. КОВАЛЁВ
л. Г. ЩЕРБАКОВ О. А. ПЕТУХОВА А. А. ЗЯБКИН
Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ
НА Е Ё СТАТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ НАГРУЗКЕ
В данной статье приводится описание актуальности проблемы энергоэффективности в электроприводах с асинхронными двигателями; приводится исследование влияния отклонения п ар а метров математической модели асинхронной ма шины н а е ё х а ра к-теристики, отражающие энергоэффективность ма шины; приводится описание применяемой для исследования математической модели асинхронной машины и программного продукта, созданного н а основе применяемой м атематической модели.
Ключевые слова: асинхронная машина, ма тематическая модель в фазной системе координат, параметры математической модели, программный продукт, рабочие характеристики асинхронной машины.
Указ Президента РФ [1] № 899 от 7 июля 2011 года содержит перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Среди данных направлений присутствует такое направление, как «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». Направление «Энергоэффективность, энергосбережение» в значительной степени предполагает эффективное использование электрической энергии. Анализ систем производства, передачи и потребления электрической энергии показывает, что значительная часть потерь электрической энергии, до 90 % приходится на сферу её потребления [2]. Поэтому при решении задач энергосбережения и энергоэффективности именно на область потребления электрической энергии следует обращать особое внимание.
На сегодняшний день более 60 % вырабатываемой электрической энергии преобразуется в механиче-
скую энергию с помощью различных систем электрического привода. Таким образом, в большей степени на область применения электрического привода обращено внимание специалистов, занимающихся решением задач энергосбережения и повышения энергетической эффективности [2].
В последнее время в области электрического привода широкое распространение получают системы на базе асинхронных двигателей. Данное обстоятельство обусловлено рядом достоинств, которые характерны для асинхронных машин. На сегодняшний день асинхронными двигателями преобразуется в механическую работу от 47 до 53 % от всей вырабатываемой электрической энергии, количество выпускаемых асинхронных двигателей составляет около 80 % от общего числа выпускаемых электрических машин. Успехи в силовой электронике, наблюдающиеся в последнее время, позволяют осу-
