CC BY
47
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ А.П. Баев, М.Р. Гончаренко, А.Н. Коровьяков, С.А. Серебряков, В.И. Шеремет
Представлены результаты проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов эскалаторов, обладающих рядом новых функциональных свойств по сравнению с традиционными приводами переменного тока.
Введение. Постановка задачи
Для достижения требуемых динамических свойств, высоких эксплуатационных характеристик и экономичности в структуру современных электроприводов асинхронных двигателей включают преобразователи координат, инверторы и типовые регуляторы, реализующие частотный метод управления и векторный способ формирования момента машины переменного тока.
В рамках данного подхода решена задача принципиальной реконструкции систем управления приводами эскалаторов, поставленная Комитетом по экономике и промышленной политике Администрации Санкт-Петербурга.
Структура и принципы функционирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов
На современном этапе развития полупроводниковой преобразовательной техники значимой проблемой является создание четырехквадрантных электроприводов переменного тока с автономными инверторами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе ЮВТ модулей. Такое построение силовой системы позволяет приводу работать длительное время в тормозном режиме, отдавая при этом в силовую сеть синусоидальный ток. В двигательном режиме работы привод потребляет энергию из силовой сети.
Наличие в структуре устройства управления электроприводом звена постоянного тока и автономного инвертора напряжения с регуляторами напряжения и токов существенно снижает отрицательное воздействие привода на промышленную сеть переменного тока по сравнению с аналогичными тиристорными устройствами, ведомыми сетью. Поэтому в настоящее время предпочтительными оказываются более дорогие системы с ЮВТ модулями, что связано с заметно возросшими требованиями к качеству возвращаемой и потребляемой электрической энергии.
Современный электропривод строится на основе векторного способа формирования момента машины переменного тока во вращающейся с частотой электромагнитного поля прямоугольной системе координат. Такой способ управления пригоден и для устройств рекуперации. Действительно, в прямоугольной системе координат, вращающейся с частотой силовой сети, где одна из осей совпадает с вектором напряжения, можно прямым образом разделить управления процессами, связанными с активной и реактивной составляющими мощности. В этом случае имеется возможность не только обеспечить требуемое напряжение в звене постоянного тока, но и компенсировать реактивную мощность в сети переменного тока в рамках энергетических возможностей устройства за счет управления двумя взаимно перпендикулярными составляющими тока.
Для поддержания требуемого напряжения в звене постоянного тока используется система управления с обратной связью по постоянному напряжению, которая вырабатывает сигнал управления для регулятора активной составляющей фазного тока, а для компенсации реактивной составляющей - сигналы обратной связи по току в соответствующем сечении силовой сети.
Совмещение в едином устройстве системы управления мощным трехфазным асинхронным электроприводом и устройства рекуперации энергии в сеть, связанных через звено постоянного тока, позволяет реализовать эффективную и гибкую техническую систему, характеризующуюся следующими важными для практики свойствами.
Асинхронный электропривод обеспечивает:
• точную отработку заданной скорости с компенсацией скольжения;
• глубокий диапазон регулирования скорости;
• плавную работу двигателя в области малых частот вращения и сохранение момента вплоть до нулевой скорости;
• быструю реакцию привода на скачки нагрузки,
• подавление скачков скорости при резких скачках нагрузки за счет высокой динамики регулирования во всех возможных режимах работы электропривода.
Система управления устройством рекуперации позволяет эксплуатировать это устройство в следующих режимах:
• в автономном;
• синхронизации с промышленной сетью;
• компенсации реактивной мощности;
• компенсации высших гармоник сети.
Важной особенностью разработанной системы является то, что система управления мощным трехфазным асинхронным электроприводом с устройством рекуперации энергии в промышленную сеть структурно и алгоритмически разделяется на две функционально взаимосвязанные динамические подсистемы:
• подсистему управления асинхронным электроприводом;
• подсистему управления устройством рекуперации.
При аналитической разработке и практической реализации комплексной системы управления асинхронным электроприводом с устройством рекуперации учитывались следующие особенности.
Динамические свойства асинхронного электропривода и устройства рекуперации как объектов управления существенно различаются. Также существенно различаются цели управления этими техническими устройствами и значения требуемых показателей качества управления. Однако, несмотря на отмеченные обстоятельства, можно выделить для системы управления электроприводом и системы управления устройством рекуперации подмножества режимов работы, в которых структурно соответствующие устройства управления имеют много общего. Более того, некоторые устройства управления рассматриваемых подсистем структурно идентичны и отличаются лишь значениями своих параметров. Последнее упрощает как разработку всей системы, так и ее техническую реализацию.
Особенности программного обеспечения
Регуляторы и устройства обработки измерительной информации описываемой системы реализованы на микропроцессорах ТМ8320Б243.
Программное обеспечение устройств управления и обработки измерительной информации состоит из типовых программных модулей и оригинальных программ. Особенностью алгоритмической и программной организации системы является то, что структурные аналогии многих устройств управления системой трансформированы в программную идентичность соответствующих типовых программных модулей. Это сокращает затраты на настройку системы и повышает ее аппаратурную и программную надежность.
Лабораторные и стендовые испытания
Комплексные лабораторные испытания элементов и устройств разрабатываемой системы управления в совокупности с программными модулями подтвердили правильность выбранной для реализации системы физических принципов функционирования и эффективность примененных для ее организации фундаментальных принципов управления.
Для всесторонней проверки работы системы управления трехфазным асинхронным электроприводом с устройством рекуперации во всех режимах разработан и создан специальный испытательный стенд, позволяющий воспроизвести условия работы реальных электроприводов эскалаторов метрополитена.
Основные результаты
В научно-исследовательском секторе управляемого электропривода ОАО НИИ ТМ в конечной стадии проектирования находится четырехквадрантный электропривод переменного тока с автономными инверторами напряжения и синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей для эскалаторов метрополитена мощностью в 200 кВт. В этом приводе реализованы соответствующие векторные системы управления инверторами, каждая из которых построена на основе микропроцессора TMS-320, обладающего достаточным быстродействием. Обмен данными между системами осуществляется по скоростному и помехозащищенному CAN каналу.
Заключение
Результаты предварительных испытаний четырехквадрантного электропривода переменного тока с векторной системой управления показали полное соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления жестким требованиям к системам метрополитена. Причем, так как центральное ядро системы управления реализовано программными средствами на микропроцессоре TMS-320F243, перестройка системы управления и изменение ее функций сводится к модификации программных модулей и изменению значений коэффициентов типовых законов управления.
Литература
1. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат (ЛО), 1982. 392 с., ил.
2. Гончаренко М.Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода (дис. к.т.н.). Л.: ЛИТМО.
3. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с., ил.
