Методика выбора способа использования энергии рекуперации в системах электропривода постоянного тока с шип Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

МЕТОДИКА ВЫБОРА СПОСОБА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РЕКУПЕРАЦИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ШИП П.А. Борисов, В.С. Томасов

Излагаются результаты анализа электромагнитных и энергетических процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода на базе ШИП - ДПТ. Установлены расчетные соотношения, связывающие относительные значения напряжения на конденсаторе СФ с режимами работы и параметрами всего электропривода.

Введение

Современные системы автоматизированного электропривода проектируются на базе двух подсистем - энергетической и информационной. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и осуществляет двухсторонний обмен энергией между первичным источником питания и электрической машиной посредством коммутации силовых ключей. Информационная подсистема включает в себя систему управления полупроводниковым преобразователем с информационно-измерительной частью и осуществляет реализацию заданного алгоритма регулирования координат электропривода [1, 2].

При построении энергоподсистем замкнутых систем электропривода постоянного тока (ЗС ЭППТ) с широтно-импульсными преобразователями (ШИП) остро встают вопросы выбора их структуры и параметров элементов в зависимости от типа первичного источника питания, характера и режимов работы нагрузки. Наиболее массовое практическое применение в регулируемых электроприводах получили двухзвенные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ЗПТ) [1]. В современных системах электропривода постоянного тока энергетическая подсистема, если нет необходимости в автономном источнике питания, включает в себя силовые цепи сети переменного тока, выпрямитель (диодный или на управляемых ключах), силовой фильтр (СФ), тормозную цепь (ТЦ), силовой каскад транзисторного ШИП, двигатель постоянного тока (ДПТ).

При торможении электропривода кинетическая энергия, которой обладают вращающиеся массы привода в начальный момент торможения, превращается в электрическую энергию и возвращается в звено постоянного тока. Избыточную энергию необходимо аккумулировать или преобразовывать в другую форму. Принципиально существует три возможности:

• аккумулирование (запас) энергии в конденсаторе силового фильтра;

• использование тормозной цепи, состоящей из прерывателя и тормозного сопротивления (преобразование энергии в тепло);

• рекуперация (возврат) энергии в сеть посредством инвертора рекуперации (использование электрической энергии другим пользователем);

Разработанная в статье методика позволяет выбирать наиболее эффективный способ использования энергии рекуперации и правильно определять структуру ЗПТ ЗС ЭППТ.

Методика выбора способа использования энергии рекуперации

Для правильного выбора и расчета параметров ЗПТ необходимо определить величины кинетической и электрической энергий и зависимости этих энергий от параметров системы электропривода в типовых режимах работы. Основные расчетные соотношения установлены в работах [3, 4] для типовых режимов ЗС ЭППТ с ШИП: движения следящего вала по гармоническому закону, периодического реверса скорости с выходом в зону ограничения тока якоря на заданном уровне 10. Полученные зависимости

позволяют соотнести энергию рекуперации ЖРЕК к суммарной энергии Ж за период изменения скорости и определить целесообразность использования инвертора рекуперации в составе ЭП ЗС ЭППТ с ШИП. Если энергия рекуперации невелика, то ее аккумулирование или рассеяние в тормозной цепи более целесообразно, чем возврат в сеть.

При проектировании энергоподсистемы необходимо определить максимальные электромагнитные нагрузки на ее элементы [1]. Наиболее тяжелым режимом работы ЗС ЭППТ с ШИП, при котором электромагнитные нагрузки на элементы ЭП максимальны, является режим периодического реверса скорости с выходом в зону токоограничения [3]. Для данного режима графики зависимости соотношения энергии рекуперации ЖРЕК к сумме энергий за период ТЗАД реверса скорости от режима работы и параметров электропривода приведены на рис. 1, где 1СТ - ток, обусловленный статический моментом нагрузки МСТ = сМ 1СТ . За базовые величины в методике приняты: 1Б = 1КЗ = иБ /гЯ,

ОБ = О^ = сЕЕб , МБ = См1 КЗ , РБ = иБ1Б , ЖБ = РБ ТМ , где ТМ = ^Б / МБ - элекфо-

механическая постоянная времени ДПТ, - приведенный момент инерции ДПТ с нагрузкой, гЯ - сопротивление обмотки якоря, сМ и сЕ - конструктивные коэффициенты.

1ст =0

0.5

0.4

0.1

Фржх Щ

ь \ * \ Ч \ ч Л ъ

ч ч чк ь \ ч ^^ * ^^

ч ^ ч . ъ ч. ъ -г-. ч. . х

ь ^ Ч ^^^

0.251а --1-- +

2(тт+гр) ^зад = --3-- 5(£Г + £Р) р д --4-- 10(£Г + £Р) --5-- 20 (£Г + £Р) 0.5/о 0.2

-1- (tт + tp) -2- 2(рт+гр) ^зад ~ з 5(£г + £р) -4- 10 (1Т + 1Р) -5- 20(£г + £,р)

"0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1о

Рис. 1. Зависимости соотношения энергии рекуперации ЖРЕК к сумме энергий за период ТЗАД для режима периодического реверса скорости с выходом

в зону токоограничения

Времена торможения и разгона ДПТ определяются согласно выражениям

tT = Т^Г" Tm ' С1)

1 0 + lCT

<P = J^T- T„. (2)

1 0 — lCT

Основным требованием к замкнутой скоростной системе подчиненного регулирования является воспроизведение заданной скорости с требуемой точностью, поэтому для данного режима необходимо выполнять условие:

T > t +1 = 2^У 10 T (3)

ЗАД if 1Р —2 —2 1M \JJ

I0 — IСТ

Решающими факторами при расчете и выборе параметров СФ являются обеспечение надежной коммутации силовых ключей ШИП и прием энергии рекуперации. Минимальное значение емкости конденсатора СФ определяется исходя из высокочастотных (коммутационных) процессов в ШИП [1]. Высокочастотные пульсации напряжения на конденсаторе СФ являются функцией относительной продолжительности включения цепи нагрузки в цепь источника питания и достигают максимума при у = 0,5 [5]:

AUc = 0,251 *max , (4)

max f С1

JКСФ

где fK - частота коммутации ШИП, СФ - емкость конденсатора СФ. Для режима ограничения тока, когда Iя max = 10, получим: 0,25 I0

С =_'_— (5)

^Ф min ljj г V-V

AU C max fK

Исходя из низкочастотных процессов в ЭП ЗС ЭППТ, когда ТЦ и ИР не используются, величина емкости конденсатора СФ определяется из условия ограничения напряжения на нем при рекуперации на заданном уровне U с max зад: — 2 2ICT

TMU a--J-

Сф! = —2 Pf , (6)

Гя (U C max зад — 1)

~2 I p(Qy — 10)2 И б й

где U a = —=—=-. Исходя из мощности, потребляемой двигателем на интервале

(10 + I СТ )

разгона, емкость конденсатора СФ выбирается согласно выражению

Сф 2 =-Ш-, (7)

Г я (1 — UC min ) pfm

где fH - частота сети переменного тока, p - пульсность схемы выпрямления, Uс min -минимально допустимое снижение напряжения на конденсаторе СФ на интервале разгона.

Применение тормозной цепи целесообразно при СФ1 > Сф2, что позволяет уменьшить емкость конденсатора СФ до Сф2. Выбор параметров ТЦ производится из условия ограничения напряжения на конденсаторе СФ при рекуперации на заданном уровне U C max зад . Время включения тормозной цепи t0 определяется из равенства

— 2 —2 Г*Сф —2

(Uc max зад — U Су )- = U a (t0 ) , (8)

TM

— 2 21CT —2 — — — — tA — tn

где U Су = 1--—J, U a (t0) = [2(Пу — 10) — (10 +1 ст ) -410 Th-

ГЯСФ2 Шн TM TM

Энергия и рассеиваемая мощность в ТЦ составляют

—1),

C U2

W = Ф2 с max зад

ТЦ - 0 \ТТ2

2

U2 ( C max

U

C max зад

РТЦ = Жтц /(tРЕК 10 ) ,

Qy — 10

(9) (10)

J _ " ' < rjl

где tрек —~ = Т л

M

U

C max —

10 + ICT

ра выбирается согласно выражению

R = U2 / P

JVТЦ и с max зад ' 1 ТЦ ■

UI + U A Tm

ГЯСФ 2

. Сопротивление тормозного резисто-

" ТЦ rms

(11)

ующее значение тока в ТЦ определяется как

■■^РщТкТЦ. (12)

Моделирование замкнутой системы электропривода постоянного тока с ШИП

Моделирование ЗС ЭППТ с ШИП производится по уравнениям состояния [6], а также возможна реализация структурно-имитационной модели, для создания которой использовались возможности одного из наиболее удобных и эффективных на сегодняшний день интегрированных пакетов MATLAB/Simulink. Модель информационной подсистемы реализуется в пакете на основе типовых звеньев: масштабирующих усилителей, интеграторов, сумматоров и т.п. Имитационная модель энергетической подсистемы реализуется с использованием библиотеки SimPowerSystems. Структура модели и ее элементов, выполненных в виде подсистем (subsystems), приведена на рис. 2.

Рис. 2. Модель замкнутой системы электропривода постоянного тока с ШИП

Результаты моделирования ЗС ЭППТ с ШИП, питающейся от трехфазной сети переменного тока промышленной частоты (/И = 50 Гц) через неуправляемый мостовой выпрямитель (р = 6), приведены на рис. 3 в виде осциллограмм напряжения на кон-

денсаторе СФ uсф , тока якоря iя , скорости Q (в базовых единицах). При моделировании использовались: параметры машины ПБВ-100М - UE = 52 [В], IНОМ = 18 [А], гЯ = 0,222 [Ом], ЬЯ = 1,4 [мГн], c Е = 0,46, cM = 0,4; параметры системы управления -двухконтурная скоростная с настройкой на «симметричный оптимум», fK = 10 кГц, уровень ограничения тока якоря 10 = 21НОМ, Qy = 1 -10; остальные числовые параметры - 1ст = 1 НОМ /2, TM = 0,01 [секЪ ТЗАД = 0,16 [сек1 = 1/ ТЗАД = 6,25 [W

Ucmin = 0,95 , Ucmax= UCmax^ / UE = 63В/52В = 1,212, СФ1 = 34,5 [мФ], СФ2 = 24 [мФ],

Жщ = 6,63 [Дж], РТЦ = 345 [Вт], ЯГЦ = 11,5 [Ом]. Для первоначального заряда емкости

СФ используется цепь запуска, которая в реальных системах служит для ограничения токовых нагрузок на вентили выпрямителя и конденсатор СФ при включении ЭП в питающую сеть.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения на конденсаторе СФ и сф , тока якоря I я , скорости

О в ЭП ЗС ЭППТ при работе в режиме периодического реверса скорости с выходом в зону токоограничения: 1 - без использования ТЦ, 2 - с использованием ТЦ

Заключение

Разработанная методика позволяет выбирать наиболее эффективный способ использования энергии рекуперации при заданных условиях работы электропривода, а моделирование ЗС ЭППТ с ШИП подтверждает достоверность результатов расчета.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации в рамках работ, выполненных по гранту А03-3.14-171.

Литература

1. Глазенко Т.А., Томасов В.С. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении. // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39. № 3. С. 5.

2. Рабинович Л.В., Петров Б.И., Терсков В.Г., Сушков С.А., Панкратьев Л.Д. Проектирование следящих систем. / Под общ. ред. Л.В. Рабиновича. М.: Машиностроение, 1969. 500 с.; ил.

3. Томасов В.С., Серебряков С.А., Борисов П.А. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода. // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45. № 8. С. 42-50.

4. Томасов В.С., Синицын В.А., Борисов П.А. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока. // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 11. С. 9-16.

5. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. М.: Энергия, 1965. 186 с.; ил.

6. Борисов П.А., Томасов В.С. Расчет и моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи замкнутой системы электропривода постоянного тока с ШИП. XXIX Неделя науки СПбГТУ. Ч.У: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. С. 112-113.