Модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с двумя силовыми блоками в фазе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-83 ББК 31.291

Е.И. ИВАНЧИНА

МОДЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДВУМЯ СИЛОВЫМИ БЛОКАМИ В ФАЗЕ

Ключевые слова: высоковольтный частотно-регулируемый электропривод, моделирование, осциллограммы, переходные процессы.

В статье предлагается модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с двумя силовыми блоками в фазе. Приведена функциональная схема данного схемотехнического решения, которое впервые используется в высоковольтном электроприводе и защищено патентом РФ. Составлена модель электропривода на основе представленных систем уравнений. Получены осциллограммы результатов смоделированного пуска высоковольтного асинхронного двигателя от рассматриваемого электропривода. Предложены рекомендации, которые могут быть использованы при разработке частотно-регулируемых электроприводов.

В статье рассматривается модель многоуровневого частотно-регулируемого электропривода с двумя силовыми блоками в фазе. Ранее [2] была выбрана и обоснована функциональная схема с силовыми блоками на основе высоковольтных ключей. На рис. 1 приведена функциональная схема для двигателя на напряжение 6 кВ с двумя силовыми блоками в фазе. В случае двигателя на 10 кВ используется 4 силовых блока на фазу.

фаза А

(на напряжение 6 кВ): В - выпрямитель; Ф - фильтр; И - инвертор; М - двигатель переменного тока

Выпрямленное входное напряжение через фильтр подается на инвертор, составленный из высоковольтных силовых транзисторов. Инверторы каждой фазы соединены последовательно.

На основе функциональной схемы (рис. 1) можно составить модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода в среде Ма1ЬаЬ, как показано на рис. 2. Таким образом получается модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с двумя силовыми блоками в каждой фазе.

psi2z и1а

ш 1

и 1Ь

-

£¡0 р еЗ

Рис. 2. Схема модели высоковольтного частотно-регулируемого электропривода

Схема (рис. 2) состоит из следующих основных элементов: системы управления control_system, преобразователя координат PK_ab_ABC, блоков инверторов для каждой фазы inverter, асинхронного двигателя Asynchronous Machine.

Блок control_system системы управления составлен на основе системы уравнений (1):

Uld = ild (Л + pk2 )- ilqO>lk2 + У 2dpkl,

U1q = i1q (l + Pk2 ) + ild + У 2d ® lk,

ild = -J- У 2d (1 + P?2 ),

ilq = -J- У 2d ®2?2,

m

(1)

где и1ё, ы1д, 1и, 11д - проекции напряжения и тока статора на координатные оси ё, д; г1 и ю1 - сопротивление и угловая частота статора; и Т2 - потокосцепление и постоянная времени ротора; к1 и к2 - коэффициенты, найденные с помощью программы расчета параметров модели, разработанной автором в [1] (рис. 3).

Входными величинами блока системы управления являются сигналы задания потокосцепления ротора psi2z (данное значение можно найти с помощью программы определения параметров электродвигателя, подробно представленной в [1]) и угловые скорости задания w1z и обратной связи w_mex.

Выходными величинами являются сигналы задания напряжения статора (и1а, и1Ь) в двухфазной системе координат. Полученное напряжение подается на вход блока преобразователя координат РК_аЬ_АВС. Преобразование происходит по формулам (2):

U1A — л/3U1a,

U1B —

6Ula

и1С =-.,..........

(2)

где М1А, и1В, и1С - проекции вектора напряжения статора на координатные оси А, В, С; и1а, и1Ь - проекции напряжения статора на координатные оси а, в [3].

Deri«ative2 idh.dtiu 2

^m_p5i2z1 Produce rJ.'iZ

Рис. 3. Схема блока control_system системы управления

На рис. 4 показано заданное напряжение с выхода блока преобразователя координат (в трехфазной системе координат).

Полученное фазное напряжение подается на вход блока, имитирующего инвертор (inverter). Работает блок следующим образом. На вход подается фазное напряжение задания (Uz_A). Далее это напряжение в блоке (Uz_to_sum_inverter1_2_A/Uz_to_Uz1_Uz2) разбивается на уровни согласно функциональной схеме, а затем с помощью ШИМ формируется напряжение, которое через блок контролируемого источника напряжения подается на обмотку статора двигателя. На рис. 5 показаны осциллограммы напряжений, полученных в результате работы этого блока.

U1 А

■5000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Рис. 4. Заданное напряжение статора в трехфазной системе координат

5000 0

-5000 5000 0

■5000 ' 2000 0

■2000 5000 0

■5000 5000 0

■5000

Uz1

WVWWWWW^

Uz1_relay

Uz2

Uz2_relay

.....l.i I I 1.1 1 | || HI.....1 II l in

1 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 i i В II 1 г i i

U _A_reiau

205

2.1

2.15

2.2

2.25

2.3

2:35

2.4

Рис. 5. Осциллограммы напряжений: Ш1 - напряжение задания первого силового уровня инвертора; Ш1_ге1ау - напряжение первого силового уровня, полученное с помощью ШИМ;

Ш2 - напряжение задания второго силового уровня инвертора; Ш2_ге1ау - напряжение второго силового уровня, полученное с помощью ШИМ; и_Л_ге1ау - напряжение, подаваемое на вход обмотки статора

В результате моделирования пуска асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором типа 4АЗМВ-1600/6000 от высоковольтного частотно-регулируемого электропривода получены осциллограммы угловой механической скорости (рис. 6).

Как видно из рис. 6, угловая механическая скорость двигателя (<Rotor speed (wm)>) изменяется согласно заданию (wlz) без перерегулирования и колебаний.

г

<Rotor speed fwm)>

Рис. 6. Осциллограммы механической угловой скорости смоделированного пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа 4АЗМВ-1600/6000 от высоковольтного частотно-регулируемого электропривода

Полученные результаты согласуются с данными других авторов [4-7, 9].

Выводы. В работе представлена модель высоковольтного многоуровневого частотно-регулируемого электропривода в среде MatLab. Осциллограммы получены для модели, которая выполнена по схеме с двумя силовыми блоками в фазе. Данная функциональная схема, выбранная и обоснованная в [2], впервые используется для высоковольтного электропривода и защищена патентом РФ. Сама модель выполнена таким образом, что возможна реализация n силовых блоков в фазе с минимальными изменениями в самой модели.

На основе математической модели в среде MatLab проанализированы переходные режимы высоковольтного асинхронного двигателя и получены выводы и рекомендации для применения частотно-регулируемого электропривода. Приведенные рекомендации могут быть полезны и использованы при разработке конкретных приводов и устройств пуска высоковольтных электродвигателей.

Литература

1. Визгина Е.И. Математическая модель высоковольтного асинхронного двигателя большой мощности // Вестник Чувашского университета. 2011. № 3. С. 44-52.

2. Визгина Е.И. Обзор схемотехнических решений задач управления частотно-регулируемым электроприводом // Первая международная конференция молодых специалистов. Чебоксары, 2009. С. 104-106.

3. ВыгодскийМ.Я. Справочник по высшей математике. М.: АСТ; Астрель, 2006. 991 с.

4. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1998. 172 с.

5. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006.

6. Суптель А.А. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2000. 164 с.

7. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. СПб.: СПбГУ ИТ-МО, 2006. 94 с.

8. Черных И.В. SimPowerSystem: Моделирование электротехнических устройств и систем в Simulink [Электронный ресурс]. URL: http://matlab.exponenta.ru/simpower/book1/ 1_7.php (дата обращения: 13.02.2017).

9. Hughes A. Elecrtic Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications. 3rd ed. Oxford, Elsevier, 2006, 431 p.

10. White D.C., Woodson H.H. Electromechanical Energy Conversion. N.Y., John Wiley and Sons, Inc., 1959.

ИВАНЧИНА ЕЛЕНА ИГОРЕВНА - научный сотрудник отдела разработки преобразовательной техники департамента электроприводной техники, ОАО «ВНИИР», Россия, Чебоксары (ivanchinalena@yandex.ru).

E. IVANCHINA

MODEL OF HIGH-VOLTAGE VARIABLE-FREQUENCY DRIVE WITH TWO POWER BLOCKS ON THE PHASE

Key words: high-voltage variable-frequency drive, simulation, oscillograms, transition processes.

The article proposes the model of high-voltage variable-frequency drive with two power blocks in phase. It describes the functional scheme of the given circuitry solution, which is used for the first time in high-voltage drive and is protected by the patent of the Russian Federation. The model of electric drive is composed on the basis of the presented system of equations. Oscillograms of the results of a simulated start-up of high-voltage asynchronous motor through this variable-frequency drive are obtained. The author gives recommendations which can be used to develop frequency regulated power drives.

References

1. Vizgina (Ivanchina) E.I. Matematicheskaja model' vysokovol'tnogo asinhronnogo dvigatelja bol'shoj moshhnosti [Math model of high-voltage asynchronous motor]. Vestnik Chuvashskogo un-iversiteta, 2011, no. 3, pp. 44-52.

2. Vizgina (Ivanchina) E.I. Obzor skhemotekhnicheskikh reshenii zadach upravleniya chastot-no-reguliruemym elektroprivodom [Overview of technical schemes of problems of control of variable-frequency electric drive]. Pervaya mezhdunarodnaya konferentsiya molodykh spetsialistov [First international conference of young specialists]. Cheboksary, 2009, pp. 104-106.

3. Vygodskii M.Ya. Spravochnik po vysshei matematike [Directory on higher mathematics]. Moscow, AST Publ., Astrel' Publ., 2006, 991 p.

4. Pozdeev A.D. Elektromagnitnye i elektromekhanicheskie protsessy v chastotno-regulirue-mykh asinkhronnykh elektroprivodakh [Electromagnetic and electromechanical processes in variable-frequency asynchronous drive]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 1998, 172 p.

5. Sokolovskii G.G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulirovaniem [AC drives with frequency regulation]. Moscow, Akademiya Publ., 2006.

6. Suptel A.A. Asinkhronnyi chastotno-reguliruemyi elektroprivod [Asynchronous electric drive]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2000, 164 p.

7. Usoltsev A. A. Chastotnoe upravlenie asinkhronnymi dvigatelyami. Uchebnoe posobie [Frequency control of asynchronous motors. Tutorial]. St. Peterburg, 2006, 94 p.

8. Chernyh I.V. SimPowerSystem: Modelirovanie elektrotehnicheskih ustrojstv i sistem v Simu-link [SimPowerSystem: Modeling of electrotechnical devices and systems in Simulink]. Available at: http://matlab.exponenta.ru/simpower/book1/1_7.php (Accessed 13 February 2017).

9. Hughes A. Elecrtic Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications. 3rd ed. Oxford, Elsevier, 2006, 431 p.

10. White D.C., Woodson H.H. Electromechanical Energy Conversion. N.Y., John Wiley and Sons, Inc. 1959, 528 р.

IVANCHINA ELENA - Research Scientist of Converter Equipment Development Group of Electrical Drive Engineering Department, JSC «VNIIR», Russia, Cheboksary (ivanchinale-na@yandex.ru).

Ссылка на статью: Иванчина Е.И. Модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с двумя силовыми блоками в фазе // Вестник Чувашского университета. - 2017. -№ 3. - С. 56-61.