CC BY
24
DOI 10.25987^Ти.2020.16.4.007 УДК 681.511.4+62-83(075.8)
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
А.К. Муконин, В.А. Медведев, В.А. Трубецкой, Д.А. Тонн, С.А. Горемыкин, Н.В. Ситников
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: системы автоматического управления (САУ) многих технологических процессов содержат частотно-регулируемые электроприводы (ЧРЭП). В ряде случаев для обеспечения непрерывности процессов предъявляются высокие требования к надежности элементов САУ, в том числе и ЧРЭП. Повысить надежность и расширить функциональные возможности ЧРЭП можно за счет применения универсального частотного преобразователя (УЧП). Рассматриваемый УЧП содержит трехфазный диодный мост (ТДМ), емкостной фильтр с последовательным соединением двух конденсаторов и инвертор напряжения (ИН) на основе шести транзисторных ключей. Питается УЧП в общем случае от трехфазной сети с нулевым проводом. Универсальность преобразователя обеспечивается соединением нейтрали сети с общей точкой емкостей фильтра. Преобразователь можно питать трехфазным напряжением 380 В или однофазным напряжением 220 В, сохраняя соединение обмотки двигателя в звезду. В случае однофазного питания выпрямитель преобразователя является удвоителем напряжения. При трехфазном питании УЧП обеспечивает повышение выходного напряжения по сравнению с классической схемой. Инвертор может работать как трехфазная мостовая схема или как схема со средним выводом. Последняя схема позволяет питать двигатель токами разной формы с сохранением равномерности вращения его магнитного поля. Серийно выпускаемые частотные преобразователи часто имеют фильтр с последовательным соединением конденсаторов. Такие преобразователи легко включить по схеме УЧП. Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность привода с реконструированным частотным преобразователем. Повышение надежности САУ с ЧРЭП обеспечивается за счет сохранения работоспособности при обрыве двух любых проводов трехфазной четырехпроводной питающей сети
Ключевые слова: системы автоматического управления, преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения, частотно-регулируемый электропривод
Введение
Системы автоматического управления (САУ) различными технологическими процессами содержат частотно-регулируемые электроприводы (ЧРЭП), изменением выходных механических величин которых осуществляется управление параметрами производственных установок.
В ряде случаев для обеспечения непрерывности процессов требуется высокая надежность элементов САУ, в том числе и электропривода. Повысить надежность и расширить функциональные возможности ЧРЭП можно за счет использования универсального преобразователя частоты (УПЧ).
Частотно-регулируемые электроприводы с трехфазными двигателями переменного тока в диапазоне малых и средних мощностей оснащают преобразователем частоты (ПЧ), который реализуется в виде структуры «Неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения» (НВ-АИН) [1-3]. В данной струк-
© Муконин А.К., Медведев В.А., Трубецкой В.А., Тонн Д.А., Горемыкин С.А., Ситников Н.В., 2020
туре выпрямитель обычно выполняется на основе диодного моста.
Среди классических ПЧ в зависимости от напряжения питания можно выделить два основных варианта.
В первом варианте диодный мост питается трехфазным напряжением 380-400 В, во втором - однофазным напряжением 220-230 В.
Во втором варианте из-за низкого уровня выходного напряжения АИН обмотку трехфазного двигателя соединяют по схеме «треугольник». Существенным недостатком данного способа соединения фаз двигателя является то, что в электрической машине при этом протекают токи нулевой последовательности.
Ниже рассматривается универсальный преобразователь, который позволяет реализовать не только классические схемы ПЧ, но и их нетрадиционные разновидности.
Применение нетрадиционных схем позволяет улучшить ряд характеристик электропривода, в частности обеспечить соединение обмотки двигателя в «звезду» как при трехфазном, так и однофазном напряжении питания.
Кроме того, применение УПЧ позволяет повысить надежность системы за счет сохране-
ния работоспособности при обрыве двух любых проводов трехфазной четырехпроводной сети.
Структура универсального преобразователя частоты
Множество разновидностей системы НВ-АИН обобщает схема на рис. 1, где выделены следующие элементы: НВ - неуправляемый выпрямитель; Ф1 - фильтр; БТ - блок торможения; АИН - автономный инвертор напряжения; М1 - электродвигатель. В общем случае преобразователь питается от трехфазной четырехпроводной сети.
В распространенных схемах ПЧ, питающихся трехфазным напряжением 380-400 В, отсутствует связь общей точки конденсаторов фильтра Ф1 с нейтралью сети, а обмотка двигателя М1 соединена в звезду без нулевого провода. В таком варианте АИН и выпрямитель функционируют как трехфазные мосты. Так как выходное напряжение выпрямителя превышает 500 В, конденсаторы фильтра соединяют последовательно. Резисторы R1, Я2 обеспечивают выравнивание напряжения на конденсаторах.
Ряд частотных преобразователей спроектирован для питания либо от трехфазной сети с линейными напряжениями 220-230 В, либо от источника однофазного напряжения уровня 220-230В.
Рис. 1. Схема универсального преобразователя частоты
В этих ПЧ также используют трехфазные мостовой инвертор и диодный мост, но при этом в фильтре не применяют последовательное соединение конденсаторов. Трехфазную обмотку двигателя соединяют в треугольник. В случае однофазного питания напряжение подают на два любых входных вывода диодного моста.
Схема соединения трехфазной обмотки определяется максимальными величинами Umax выходного напряжения преобразователя, которые зависят, в первую очередь, от входного напряжения инвертора Ud и от алгоритма коммутации вентилей инвертора. В частотных преобразователях применяются два основных способа коммутации транзисторных ключей АИН - «векторная» широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и «симметричная» [1]. Рассматриваемые способы коммутации реализуют алгоритмы, создающие на выходе ПЧ трехфазные напряжения, которые обладают основными гармоническими составляющими, изменяющимися по синусоидальным законам.
Для преобразователя с симметричной ШИМ справедливо соотношение:
U Ё max - 0,614 Ud . (1)
В случае использования векторной ШИМ справедлива становится следующая формула:
UE max - 0,707 Ud. (2)
В случае соединения трёхфазной обмотки по схеме «звезда» номинальные линейные напряжения должны составлять 380-400 В, а при соединении по схеме «треугольник» - 220230 В.
В табл. 1 указаны значения напряжения Ud, которые используются для формирования фазных напряжений двигателя 220 В при различных способах коммутации транзисторов. Значения напряжений получены с учетом формул (1),(2).
Напряжения Ud, близкие к 537 В, обеспечиваются в традиционном преобразователе при питании от трехфазного напряжения 380 В. В таком случае обмотку двигателя соединяют в звезду. В преобразователях частоты с однофазным напряжением питания 220 В величина Ud близка к 300 В, соответственно выходное напряжение АИН не более 220 В, следовательно, трехфазную обмотку двигателя нужно соединять в треугольник.
Таблица 1
Соотношения между входными и выходными напряжениями ПЧ
Тип ШИМ ие ш1х,в и, ,В
Симметричная 380 622
220 360
Векторная 380 537
220 311
Таблица 2 Результаты моделирования ПЧ с трехфазным питанием
Схема выпрямителя и, ,В и ш1х,в 1т, А !.,А
СТНВ 600 424 3,7 0,75
Трехфазный мостовой 533 377 2,3 0,62
Функциональные возможности преобразователя частоты можно существенно расширить, включив в схему питания общую точку конденсаторов фильтра. За счет этого получим универсальный преобразователь (УПЧ), представленный на рис. 1. Классические схемы ПЧ можно рассматривать как частные случаи УПЧ.
Частным случаем УПЧ является схема, в которой преобразователь питается от трехфазной четырехпроводной сети, а обмотка двигателя соединяется в звезду без нулевого провода. При этом с нулем сети соединена общая точка конденсаторов фильтра. В таком ПЧ выпрямитель является, фактически, последовательным соединением двух трехфазных нулевых выпрямителей. Данную схему ЗПН можно назвать сдвоенным трехфазным нулевым выпрямителем (СТНВ) [4]. Применение СТНВ обеспечивает увеличение выходного напряжения ПЧ по сравнению с классической схемой. Это позволяет расширить диапазон частот электропривода. Использование СТНВ в преобразователях частоты предложено в [5]. Следует различать СТНВ, имеющий два выходных вывода, и известный трехфазный нулевой выпрямитель со средней точкой, у которого три выходных клеммы.
Анализ работы преобразователей, которые являются частными случаями УПЧ, проводился, в частности, с помощью моделирования в системе МА^АВ. Ввиду громоздкости используемые модели в настоящей статье не приводятся. Варианты моделей и результаты моделирования и исследования приводов с рассматриваемыми ПЧ можно найти в [4-14]. В [8] приведены результаты моделирования преобразователя с СТНВ и классического ПЧ. Параметры используемых моделей: трехфазный генератор синусоидальных ЭДС с фазным напряжением 220 В содержит фазную индуктивность 200 мкГн и обладает активным сопротивлением фазы равным 0,1 Ом; мощность, которая потребляется от ЗПН, составляет 175 Вт; конденсаторы С1, С2 (см. рис. 1) имеют одинаковую емкость, равную 65 мкФ. Ряд ключевых параметров сравниваемых схем приведен ниже в табл. 2.
В табл. 2 приняты следующие обозначения: иа - средняя величина выпрямленного
напряжения; 1т и 1д - амплитудное и действующее значения сетевого тока. Величина и л шах рассчитывалась по формуле (2).
Данные табл. 2 показывают, что использование СТНВ дает возможность поднять напряжение на выходе ПЧ на величину примерно в 11%. Использование преобразователя с СНТВ обладает существенным недостатком, который выражается в негативном влиянии на питающую его сеть.
Если отключать нулевой провод при частотах двигателя ниже номинальной, этот недостаток во многом устраняется.
Если ПЧ, показанный на рис. 1, подключить к однофазной сети с напряжением 220 В, подав питание на две любые входные клеммы трехфазного моста, то выпрямитель будет работать как диодный однофазный мост. Если однофазное напряжение в 220 В подать на нулевую клемму 0 и любой из выводов А, В, С, то тогда рассматриваемый выпрямитель станет функционировать как удвоитель напряжения. Применять удвоитель напряжения в ПЧ предлагается в [10].
Некоторые приемы, способы и сведения о возможности построения и применения модели классического однофазного ПЧ и ПЧ, содержащего удвоитель напряжения (ПЧ УН), приведены в [8].
В этом случае мощность, которая потребляется от звена постоянного напряжения (ЗПН), принимается равной 175 Вт. В ПЧ классического типа емкость фильтра достигала 170 мкФ, а любой из конденсаторов в ПЧ УН имел емкость, равную 85 мкФ. Зная заданный размах пульсаций напряжения на выходе ЗПН, который составлял Кпи=0,05, выбраем значения емкостей. Соотношение Кпи = (ишах - Цшт) /2и,, где под величинами напряжений ишах и Цшш подразумевались максимальное и минимальное напряжения на выходе фильтра, использовалось для определения величины Кпи.
Часть результатов моделирования сведена в табл. 3.
Анализ результатов моделирования, приведенных в табл. 3, показывает, что достижимые выходные напряжения больше при однофазном питании в ПЧ УН по сравнению с классическим ПЧ, питаемым трехфазным входным напряжением 380 В. Достигаемая величина выходных напряжений ПЧ УН дает возможность соединять трехфазную обмотку двигателя по схеме «звезда».
Необходимо обратить внимание на то, что воздействие на сеть питания ПЧ УН, что показано в табл. 3, является менее негативным, чем у классического преобразователя с мостовым однофазным выпрямителем.
Таблица 3 Результаты моделирования ПЧ с однофазным питанием
Выпрямитель U ,B U max,B I.,A Im, A
Однофазный мост 294 208 1,7 7,0
Удвоитель напряжения 552 390 1,5 5,35
Приводы с несинусоидальными фазными токами двигателя
Преобразователь частоты с трехфазным нулевым АИН в случае, если обмотка двигателя имеет соединение по схеме «звезда с нулевым проводом», представляет собой частный случай схемы, приведенной на рис. 1. При этом нейтральный провод присоединяют к нулевому выводу схемы.
По функциональным возможностям трехфазный нулевой АИН существенно выигрывает, если его сравнивать с трехфазным мостовым.
Для доказательства данного постулата приведем тезис о том, что мостовые трехфазные инверторы классического типа генерируют в трехфазной обмотке токи с основными гармоническими составляющими, образующими трехфазную синусоидальную систему, а высокочастотные пульсации этих токов малы.
Для создания равномерно вращающегося магнитного поля (КРВП) в электродвигателе необходимо его питание осуществлять синусоидальными токами. Известно, что КРВП создается и при других по форме токах в фазах трехфазного двигателя.
Целый спектр технических характеристик электропривода можно значительно улучшить, применяя несинусоидальные токи, что показано в ряде научных работ и авторских свидетельств [15-24].
В отличие от трехфазного мостового инвертора трехфазный нулевой АИН дает возможность подавать в трехфазную обмотку токи различных форм.
Множество форм фазных токов ¡¡-¡3 трехфазного двигателя, обеспечивающих КРВП, можно представить в виде суммы нулевой составляющей г0 и синусоидальных составляющих:
2л
i¡ = Iscos(a>t -(i -1) + i0 = 2л
= Iscos( a- (i -1)—) + i o
(3)
где i = 1, 2, 3, а Is, ю - постоянные величины (константы).
Очевидно, что нулевая составляющая токов i0 протекает в трех фазах двигателя, следовательно, она индуцирует три вектора фазных МДС, которые одинаковы по модулю и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°. Естественно, что векторная сумма МДС равна нулю. Следовательно, нулевая составляющая токов i0 не оказывает влияния на электромагнитный момент.
Электроприводы, у которых существует канал, позволяющий формировать i0, принято называть приводами с управляемой нулевой составляющей тока (ПУНСТ) [4].
Очевидно, что классические частотные электроприводы с токами, изменяющимися по синусоидальным законам, можно рассматривать как частный случай ПУНСТ.
В электроприводах с транзисторными АИН рекомендуется использовать следующие формы токов: синусоидальную, которая минимизирует действующие значения токов (рис. 2, а); и квазитрапецеидальную, которая минимизирует амплитуду токов (рис. 2, б) [4].
Любой из токов i¡ - i3 в интервалах, длящихся л/3, имеет значение ±43is/2, в этом
выражении IS представляет собой амплитуду синусоидальной составляющей ic1 для нулевой составляющей тока. Нулевая составляющая тока i0 (рис. 2, а) на интервале, к примеру, от 0 до п/6 определяется следующим выражением i0 = Is( - cosa +^¡~3 / 2) .
Амплитудные значения токов квазитрапецеидальной формы на 15,4% меньше амплитудного значения синусоидальной составляющей IS. Действующие значения токов синусоидальной формы определяются следующим выражением 1ДС = IS / V2 и 0,707IS, в этом случае действующие значения квазитрапецеидальных по форме токов определяются выражением
¡дт = ¡^7К - 9^3 У~ 0,713815. Анализ данных выражений показывает, что значение ¡дТ всего
Рис. 2. Зависимости токов синусоидальной (а) и квазитрапецеидальной (б) форм
Если асинхронные двигатели серии 4А питать квазитрапецеидальными токами, а не синусоидальными токами, то, если считать от величины номинальной потребляемой мощности, потери возрастают только на (0,1-0,3) % [24].
В этом случае происходит существенное уменьшение амплитуды токов, что выступает в качестве положительного момента как для электродвигателя, так и для преобразователя частоты. К примеру, в случае квазитрапецеидальных по форме токах амплитудное значение мощностей мгновенных потерь в фазных обмотках электродвигателя на 33% меньше этой же величины при синусоидальных токах. Наиболее ярко на малых частотах токов проявляется эффект уменьшения величины амплитудного значения мощности потерь, что положительно влияет на состояние изоляции обмоток.
Используя двухфазный нулевой АИН, в котором содержится на одну треть меньше транзисторных ключей, чем в трехфазных мостовых и нулевых инверторах, можно получить трехфазную систему синусоидальных напряжений [4].
Если исключить в АИН, показанном на рис. 1, одну из стоек и оставив выводы,
например, такие как а, в и 0, то можно получить двухфазный нулевой АИН. Обмотку трехфазного электродвигателя, соединенную по схеме «треугольник» или по схеме «звезда», можно подключить к этим выводам.
На рис. 1 показана схема электропривода, которая остается в работоспособном состоянии даже в аварийном режиме сети, который заключается в обрыве любых двух проводов, что позволяет применять её при эксплуатации ответственных объектов.
На базе серийно выпускаемых ПЧ с трехфазным питанием 380 В можно реализовать универсальный преобразователь, для чего нужно общую точку конденсаторов фильтра соединить с нулем сети. Данная схема была экспериментально проверена в электроприводе фирмы АВВ ACS355-03х-08-A8-4 и в приводе MICROMASTER 440^Е6440-2Ш13-7AA1XAW623-00053. Эксперимент подтвердил работоспособность схемы.
К достоинствам применения УПЧ в САУ с ЧРЭП следует отнести сохранение работоспособности системы при обрыве двух любых проводов трехфазной четырехпроводной сети.
Основные выводы
1. Системы автоматического управления различных технологических процессов содержат частотно-регулируемые электроприводы. В ряде случаев для обеспечения непрерывности процессов предъявляются высокие требования к надежности элементов САУ, в том числе электроприводов. Повысить надежность и расширить функциональные возможности частотного привода можно за счет использования универсального преобразователя частоты.
2. Универсальный ПЧ содержит в своем составе фильтр, состоящий из последовательно соединенных конденсаторов. При соединении с нейтралью сети питания общей точки конденсаторного фильтра обеспечивается многофункциональность преобразователя. При этом преобразователь может получать электроэнергию от трехфазных сетей с напряжением 380-400 В и от однофазных сетей с напряжением 220-230 В.
3. В приводе с классическим ПЧ, питающимся однофазным напряжением 220-230 В, из-за низкого уровня напряжения трехфазную обмотку соединяют по схеме «треугольник». Существенным недостатком такой схемы соединения обмоток является то, что в этом случае в них возникают токи нулевой последовательности. При питании универсального ПЧ однофазным напряжением обмотку двигателя
можно соединять в звезду, так как уровень выходных напряжений преобразователя даже выше, чем в схеме с трехфазным напряжением питания 380-400 В.
4. При питании преобразователя от трехфазной четырехпроводной сети звено постоянного напряжения является сдвоенным трехфазным нулевым выпрямителем, что повышает напряжение двигателя и расширяет диапазон скоростей привода.
5. Частным вариантом преобразователя является схема с трехфазным нулевым инвертором, который даёт возможность получать в трехфазной обмотке токи различной формы при равномерно вращающемся магнитном поле.
6. Для электроприводов с транзисторными ПЧ рекомендуется использовать следующие формы токов: квазитрапецеидальную, которая минимизирует амплитуду токов, и синусоидальную.
7. Универсальный ПЧ можно реализовать на основе серийных преобразователей, содержащих фильтр с последовательно соединенными конденсаторами. Экспериментальные исследования подтвердили указанную возможность.
8. Повышение надежности привода с универсальным преобразователем частоты обеспечивается за счет сохранения работоспособности при обрыве двух любых проводов трехфазной четырехпроводной питающей сети.
Литература
1. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным управлением. М.: Издательский центр "Академия", 2006. 272 с.
2. ACS355: user's manual. URL: https://library.e.abb. com/public/
1563267283574059bd87947c8b1368aa/EN_ACS355_UM_D. pdf (дата обращения 28.12.2017).
3. MICROMASTER 440: Betriebsanleitung. URL: https:// siemens-drives.ru /files /lists /s_Directories /69_ Files_1351254988_440_opi_24294529_ru_1006.pdf (дата обращения 6.10.2006).
4. Муконин А.К., Шиянов А.И. Частотные приводы с токовым управлением. Воронеж: ВГТУ, 2006. 142 с.
5. Муконин А.К. О расширении диапазона регулирования скорости частотного электропривода // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 26.
6. Муконин А.К. Универсальный преобразователь частоты для трехфазных и двухфазных двигателей // Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион. науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 147-149.
7. Муконин А.К., Пресняков Г.Е. Моделирование работы удвоителя напряжения // Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион. науч.-техн. конф. Воронеж, 2005. С. 59-61.
8. Муконин А.К., Богомазов А.Е. О совершенствовании характеристик частотного электропривода// Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. №3. С. 43-49.
9. Беляков В.О., Перцев А.Ю., Муконин А.К. О повышении надежности и совершенствовании характеристик частотного привода // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: тр. Всерос. студ. науч.-техн. конф. Воронеж, 2019. С. 181-185.
10. Муконин А.К. Схемы преобразователей частотного электропривода при питании от однофазного напряжения // Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион. науч.- техн. конф. Воронеж, 2005. С. 58-59.
11. Давыдов Е.С., Глумов А.Г., Муконин А.К. Расширение функциональных возможностей и повышение надежности частотного электропривода // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: тр. Всерос. студ. науч.-техн. конф. Воронеж, 2017. С. 197-198.
12. Муконин А.К., Глумов А.Г., Давыдов Е.С. Универсальный частотный преобразователь для электропривода // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: тр. Между-нар. науч.-техн. конф. Воронеж, 2017. С. 83-87.
13. Муконин А.К. Универсальный преобразователь частоты для электропривода // Современные технологии в науке и образовании: сб. тр. II Междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. В 8 тт. Рязань, 2017. С. 124-127.
14. Глумов А.Г., Давыдов Е.С., Муконин А.К. Исследование звена постоянного тока с удвоителем напряжения // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: тр. Всерос. студ. науч.-техн. конф. Воронеж, 2017. С. 186-187.
15. А.С. № 1067584. СССР/ Муконин А.К. Электропривод с частотно-токовым управлением. 1984. Бюл. № 2.
16. А.С. № 700930 СССР/ Зайцев А.И., Муконин А.К., Шиянов А.И., Юрьев Н.Я. Способ управления вентильным электродвигателем с трехсекционной обмоткой якоря. 1979. Бюл. № 44.
17. А.С. № 909782 СССР /Зайцев А.И., Муконин А.К., Шиянов А.И. Электропривод с частотно-токовым управлением. 1982. Бюл. № 8.
18. А.С. №1403326 СССР/ Муконин А.К., Пенской Н.И., Трубецкой В.А. Электропривод. 1988. Бюл. № 22.
19. А.С. №1026274 СССР /Муконин А.К., Пенской Н.И., Харченко А.П., Шиянов А.И. Трехфазный источник сигналов для регулируемого электропривода. 1983. Бюл. № 24.
20. А.С. №680115 СССР /Зайцев А.И., Шиянов А.И., Муконин А.К., Юрьев Н.Я. Способ управления вентильным двигателем с трехсекционной обмоткой якоря. 1979. Бюл. № 30.
21. Муконин А.К., Шиянов А.И. Частотно-токовый электропривод с управляемой нулевой составляющей тока // Известия вузов. Электромеханика. 1990. № 4. С. 84-89.
22. Шиянов А.И., Герасимов М.И., Муравьев И.В. Системы управления перегрузочных манипуляторов АЭС с ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 1987. 176 с.
23. Муконин А.К., Шиянов А.И., Кочегаров М.В. Частотный электропривод с квазитрапецеидальной формой токов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 4. С. 8-11.
24. Муконин А.К., Кочегаров М.В. Энергетические соотношения в частотном приводе с квазитрапецеидальной формой токов // Вычислительные машины, автоматика и робототехника: материалы науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых. Воронеж, 2008. С. 34-39.
Поступила 30.06.2020; принята к публикации 17.08.2020 61
Информация об авторах
Муконин Александр Константинович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: mukonin_ak@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20
Медведев Владимир Алексеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: va.medved60@yandex.ru, тел. 8(473)243-77-20
Трубецкой Виктор Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: viktortrubetsckoi@yandex.ru, тел. 8(473)243-77-20
Тонн Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: tonnda@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20
Горемыкин Сергей Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электромеханических систем и электроснабжения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: goremykinsa@yandex.ru, тел. 8(473)243-77-12
Ситников Николай Васильевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электромеханических систем и электроснабжения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: nvs17939@mail.ru, тел. 8(473)243-77-12
IMPROVING THE RELIABILITY OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS FOR TECHNOLOGICAL PROCESSES
A.K. Mukonin, V.A. Medvedev, V.A. Trubetskoy, D.A. Tonn, S.A. Goremykin, N.V. Sitnikov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: automatic control systems (ACS) of many technological processes contain frequency-controlled electric drives (FCED). In some cases, to ensure the continuity of the process, high demands are placed on the reliability of the ACS elements, including the variable frequency drive. It is possible to increase reliability and expand the functionality of the variable frequency drive through the use of a universal frequency converter (UFC). The considered UFC includes a three-phase diode bridge (TPDB), a capacitive filter with a series connection of two capacitors and a voltage inverter (VI) based on six transistor switches. The UFC is fed, in general, from a three-phase network with a zero wire. The versatility of the converter is ensured by connecting the neutral of the network to a common point of filter capacities. The converter can be powered by a three-phase voltage of 380 V or a single-phase voltage of 220 V, while maintaining the connection of the motor winding to the star. In the case of single-phase power, the converter rectifier is a voltage doubler. With three-phase power supply, the UFC provides an increase in the output voltage compared to the classical circuit. The inverter can operate as a three-phase bridge circuit or as a circuit with an average output. The latter scheme allows you to power the motor with currents of various shapes while maintaining uniform rotation of its magnetic field. Commercially available frequency converters often have a series capacitor filter. Such converters are easy to turn on according to the UFC scheme. Experimental studies have confirmed the operability of a drive with a reconstructed frequency converter. Improving the reliability of self-propelled guns with variable frequency drive is ensured by maintaining operability when any two wires of a three-phase four-wire supply network break
Key words: automatic control systems, frequency converter, autonomous voltage inverter, variable frequency drive
References
1. Sokolovskiy G.G. "AC electric drives with frequency control" ("Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym upravleniem"), Moscow, Publishing Center "Academiya", 2006, 272 p.
2. ACS355: user's manual, available at: https://library.e.abb.com/public/ 1563267283574059bd87947c8b1368aa / EN_ACS355_UM_D.pdf (date of access 12.28.2017).
3. MICROMASTER 440: Betriebsanleitung, available at: https: // siemens-drives.ru /files /lists /s_Directories /69_Files_1351254988_440_opi_24294529_en_1006.pdf (date of access October 6, 2006).
4. Mukonin A.K., Shiyanov A.I. "Frequency drives with current control" ("Chastotnye privody s tokovym upravleniem"), VSTU, 2006, 142 p.
5. Mukonin A.K. "On expanding the range of regulation of the speed of a frequency electric drive", Analysis and Design of Robotics and Automation: Coll. of Scientific Papers (Analiz i proektirovaniye sredstv robotizatsii i avtomatizatsii: sb. nauch. tr.), Voronezh, VSTU, 2003, p. 26.
6. Mukonin A.K. "Universal frequency converter for three-phase and two-phase motors", Automation and Robotization of Technological Processes: Proc. of Regional Scientific-Tech. Conf. (Avtomatizatsiya i robotizatsiya tekhnologicheskikh protsessov: materialy region. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2001, pp. 147-149.
7. Mukonin A.K., Presnyakov G.E. "Modeling the work of a voltage doubler", Automation and Robotization of Technological Processes: Proc. of the Regional Scientific-Tech. Conf. (Avtomatizatsiya i robotizatsiya tekhnologicheskikh protsessov: materialy region. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2005, pp. 59-61.
8. Mukonin A.K., Bogomazov A.E. "On improving the characteristics of a frequency electric drive", Electrotechnical Complexes and Control Systems: Scientific-Technical Journal (Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya), Voronezh, VSTU, 2015, no. 3, pp. 43-49.
9. Belyakov V.O., Pertsev A.Yu., Mukonin A.K. "On improving the reliability and improving the characteristics of the frequency drive", Applied Problems of Electromechanics, Energy, Electronics: Proceedings of the All-Russian Student Scientific-Technical. Conf. (Prikladnye zadachi elektromekhaniki, energetiki, elektroniki: tr. Vseros. stud. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2019, pp. 181-185.
10. Mukonin A.K. "Schemes of converters of a frequency electric drive powered by a single-phase voltage", Automation and Robotization of Technological Processes: Proc. of thebRegional Scientific-Tech. Conf. (Avtomatizatsiya i robotizatsiya tekhnologicheskikhprotsessov: materialy region. nauch.- tekhn. konf.), Voronezh, 2005, pp. 58-59.
11. Davydov E.S., Glumov A.G., Mukonin A.K. "Extending the functionality and increasing the reliability of the frequency electric drive", Applied Problems of Electromechanics, Energy, Electronics: Proceedings of the All-Russian Student Scientific-Technical. Conf. (Prikladnye zadachi elektromekhaniki, energetiki, elektroniki: tr. Vseros. stud. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2017, pp. 197-198.
12. Mukonin A.K., Glumov A.G., Davydov E.S. "Universal frequency converter for electric drive", New Technologies in Scientific Research, Design, Management, Production: Proceedings of the International Scientific and Technical. Conf. (Novye tekhnologii v nauchnykh issledovaniyakh, proektirovanii, upravlenii, proizvodstve: tr. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2017, pp. 83-87.
13. Mukonin A.K. "Universal frequency converter for electric drive", Modern Technologies in Science and Education - STNO-2017: Collection of Works of the II International Scientific and Technical Conf. (Sovremennye tekhnologii v nauke i obrazovanii -STNO-2017: sb. tr. IIMezhdunar. nauch.-tekhn. i nauch.-metod. konf.), Ryazan, 2017, pp. 124-127.
14. Glumov A.G., Davydov E.S., Mukonin A.K. "Study of a DC link with a voltage doubler", Applied Problems of Electromechanics, Energy, Electronics: Proceedings of the All-Russian Student Scientific-Technical. Conf. (Prikladnye zadachi elektromekhaniki, energetiki, elektroniki: tr. Vseros. stud. nauch.-tekhn. konf.), Voronezh, 2017, pp. 186-187.
15. Mukonin A.K. "Electric drive with frequency-current control" ("Elektroprivod s chastotno-tokovym upravleniem"), author's certificate, no. 1067584 USSR, 1984, bull. no. 2.
16. Zaitsev A.I., Mukonin A.K., Shiyanov A.I., Yuryev N.Ya. "The method of controlling a valve motor with a three-section winding of the armature" ("Sposob upravleniya ventil'nym elektrodvigatelem s trekhsektsionnoy obmotkoy yakorya"), author's certificate, no. 700930 USSR, 1979, bull. no. 44.
17. Zaitsev A.I., Mukonin A.K., Shiyanov A.I. "Electric drive with frequency-current control" ("Elektroprivod s chastotno-tokovym upravleniem"), author's certificate no. 909782 USSR, 1982, bull. no. 8.
18. Mukonin A.K., Penskoy N.I., Trubetskoy V.A. "Electric drive" ("Elektroprivod"), author's certificate no. 1403326 USSR, 1988, bull. no. 22.
19. Mukonin A.K., Penskoy N.I., Kharchenko A.P., Shiyanov A.I. "Three-phase signal source for an adjustable electric drive" ("Trekhfaznyy istochnik signalov dlya reguliruyemogo elektroprivoda"), author's certificate no. 1026274 USSR, 1983, bull. no. 24.
20. Zaitsev A.I., Shiyanov A.I., Mukonin A.K., Yuryev N.Ya. The method of controlling a valve motor with a three-section winding of the armature" ("Sposob upravleniya ventil'nym dvigatelem s trekhsektsionnoy obmotkoy yakorya"), author's certificate no. 680115 USSR, 1979, bull. no. 30.
21. Mukonin A.K., Shiyanov A.I. "Frequency-current drive with controlled zero current component", News of Higher Institutions. Electromechanics (Izvestiya vuzov. Elektromekhanika), 1990, no. 4, pp. 84-89.
22. Shiyanov A.I., Gerasimov M.I., Murav'yev I.V. "Control systems for reloading manipulators of nuclear power plants with VVER" ("Sistemy upravleniya peregruzochnykh manipulyatorov AES s VVER"), Moscow, Energoatomizdat, 1987, 176 p.
23. Mukonin A.K., Shiyanov A.I., Kochegarov M.V. "Frequency electric drive with quasi trapezoidal current shape", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2008, vol. 4, no. 4, pp. 8-11.
24. Mukonin A.K., Kochegarov M.V. "Energy ratios in a frequency drive with a quasi-trapezoidal current shape", Computers, Automation and Robotics: Proc. of Scientific and Technical. Conf. of Students and Young Scientists (Vychislitel'nye mashiny, avtomatika i robototekhnika: materialy nauch.-tekhn. konf. studentov i molodykh uchenykh), Voronezh, 2008, pp. 34-39.
Submitted 30.06.2020; revised 17.08.2020 Information about the authors
Aleksandr K. Mukonin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: mukonin_ak@mail.ru, tel. 8(473)243-77-20
Vladimir A. Medvedev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: va.medved60@yandex.ru, tel. 8(473)243-77-20
Viktor A. Trubetskoy, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: viktortrubetsckoi@yandex.ru, tel. 8(473)243-77-20
Dmitriy A. Tonn, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: tonnda@mail.ru, tel. 8(473)243-77-20
Sergey A. Goremykin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: goremykinsa@yandex.ru, tel. 8(473)243-77-12
Nikolay V. Sitnikov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: nvs17939@mail.ru, tel. 8(473)243-77-12
