CC BY
25
Electrical facilmes and systems
m
t
Ле Ван Тунг Le Van Tung
аспирант кафедры «Электроэнергетика и электромеханика», ФГБОУВО «Санкт-Петербургский горный университет», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Буй Чунг Кьен Bui Trung Kien
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника», Куангниньский промышленный
университет, г. Куангнинь, Социалистическая Республика Вьетнам
УДК 621.314.57
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-1-54-61
ПРЯМОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТОКОМ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ПОВЫШЕНИЕМ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА НЕПОСРЕДСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В настоящее время частотные преобразователи с диодными выпрямителями широко используются благодаря таким преимуществам, как отсутствие блока управления, низкая стоимость, недорогой ремонт, высокая эффективность передачи напряжения. Однако диодный выпрямитель имеет недостаток, заключающийся в том, что он создает гармоники в сети, энергия обменивается только в одном направлении, коэффициент мощности низкий. Исследование преобразователей частоты с использованием полностью управляемых выпрямителей или активных выпрямителей имеет много преимуществ по сравнению с неуправляемыми выпрямителями (диодными мостами). Выпрямитель с широтно-импульс-ной модуляцией методом управления напряжения для обеспечения синусоидального входного тока характеризуется следующими параметрами: коэффициент мощности cos ф = 1; стабильность напряжения постоянного тока на выходе; обмен энергией между нагрузкой и сетью двунаправленный. Сначала необходимо рассчитать напряжение, а затем управлять током, обеспечивая ток вдоль координатной оси iq = 0, соответствующий коэффициенту мощности cos ф = 1.
В статье анализируются преимущества метода управления током в цепи выпрямителя в сочетании с инвертором при работе с двигателем переменного тока. Метод прямого управления моментом двигателя улучшается путем выбора новой таблицы переключения, заменяя базовую таблицу переключения на 6 секторов напряжения. Следовательно, регулятор момента поддерживает электромагнитный момент и уменьшает ошибки во время работы при изменении момента нагрузки. Чтобы сформировать целостную систему электропривода с улучшенной рабочей эффективностью, необходимо объединить источник — цепь активного выпрямителя — инвертор — двигатель — нагрузку. Имитационное моделирование выполнялось в Matlab & Simulink. Результаты моделирования и их анализ представлены в статье.
Ключевые слова: трехфазный ШИМ выпрямитель, управление током, прямое управление моментом, трехфазный инвертор, имитационное моделирование, Matlab & Simulink.
DIRECT CURRENT CONTROL OF THE ACTIVE RECTIFIER WITH IMPROVE METHOD DIRECT TORQUE CONTROL AC MOTOR
Currently, frequency converters with diode rectifiers are widely used due to such advantages as the absence of a control unit, low cost, low repair, high transmission efficiency. However, the diode rectifier has the disadvantage that it creates harmonics in the network, energy is exchanged in only one direction, and the power factor is low. The study of frequency converters using a fully controllable rectifier or active rectifier has many advantages over uncontrolled rectifiers (diode bridges). A rectifier with pulse-width modulation by the voltage control method to ensure a sinusoidal input current is characterized by the following parameters: power factor cos 9 = 1; stability of DC voltage at the output; the energy exchange between the load and the grid is bidirectional. First you need to calculate the voltage, and then control the current, providing a current along the coordinate axis iq = 0, corresponding to the power factor cos 9 = 1. The article analyzes the advantages of the method of controlling the current in the rectifier circuit in combination with an inverter when working with an AC motor. The direct motor torque control method is improved by selecting a new switching table, replacing the basic switching table with six voltage sectors. Therefore, the torque regulator maintains the electromagnetic moment and reduces errors during operation when the load torque changes. In order to form a complete electric drive system with improved working efficiency, it is necessary to combine the source — active rectifier circuit — inverter — motor — load. The simulation was performed in Matlab & Simulink. The simulation results and their analysis are presented in the article.
Key words: three-phase PWM rectifier, current control, direct torque control, three-phase inverter, simulation modeling, Matlab & Simulink.
Введение
В настоящее время активные выпрямители напряжения (АВН) с использованием переключателей IGBT с быстрой частотой переключения разрабатываются и применяются в преобразователях частоты. Эти выпрямители управляют током заряда конденсатора как по амплитуде, так и по фазе. Необходимо убедиться, что коэффициент мощности cos ф = 1 на входе, обмен энергией между нагрузкой и сеткой в двух направлениях и низкий гармонический ток [1, 2].
Метод управления активным выпрямителем сетевого тока Direct Current Control (DCC) по положению обобщенного вектора сетевого напряжения Voltage Oriented Control (VOC) с преимущественно постоянной частотой переключения, поэтому блок входного фильтра имеет простую конструкцию и используется метод модуляции ШИМ, что обеспечивает низкую стоимость.
Комбинирование активного выпрямителя с инвертором для управления скоростью двигателя трехфазного переменного тока обеспечивает обмен энергией в двух направлениях между сетью и нагрузкой.
Во время работы двигатель может работать в режиме двигателя или генератора.
Метод прямого управления моментом (DTC — Direct Torque Control) имеет преимущество работы на низкой скорости, магнитный момент быстро меняется в соответствии с моментом нагрузки, момент от слишком маленькой регулировки, постоянная частота переключения [3, 4]. В статье представлен метод управления DTC, для которого используется таблица переключения, имеющая 12 секторов напряжений, в отличие от таблицы переключателя, имеющей 6 секторов напряжений. Это увеличивает рабочую скорость регулятора момента и магнитного потока, поскольку момент нагрузки постоянно меняется (рисунок 1).
Сочетание метода управления активным выпрямителем с инвертором и прямого управления моментом двигателя улучшит качество передачи электропривода на практике.
Метод управления током (DCC)
Структура управления DCC использует токовый контур управления, основанный на преобразовании между фиксированной системой координат а-Р и вращающейся системой координат d-q. Управляющая структура DCC использует токовый контур управления, основанный на преобразовании
- 55
и системы. № 1, т. 16, 2020
Electrical facilities and systems
a
b oc o-
. Выпрямитель,
xi
Si S3 S5
ft nft ^ft
S2
с
________Инвертор_______
&
•Л iCji
Se S10 S
i2
Рисунок 1. Схема преобразователя частоты с активным выпрямителем
между фиксированной системой координат а-Р и вращающейся системой координат d-q. Измерение тока и напряжения в системе координат abc сначала преобразуется в статическую систему координат а-Р, затем преобразуется во вращающуюся систему координат d-q, как показано на рисунке 2 [5, 6].
На рисунке 2: н — нагрузка; PI — ток регулятора по оси d-q и регулятор постоянного тока; PWM — генератор импульсов управления IGBT; L — индуктивное сопротивление катушки; ИТиОН — измерение тока и оценка напряжения.
ïqref
Рисунок 2. Схема управления активным выпрямителем
В системе координат d-q напряжение сети рассчитывается следующим образом:
di
Ld
ULd = RiLd + L-^г + Usd - 0)LiLq ,
di
Lq
(1) (2)
Полагая, что входное сопротивление очень мало по сравнению с входной индуктивностью, формула преобразуется в: СИЬ(1
Им = Ь— + и8с1-0>14ч,
dt
= L-
di
Lq
+ Usq + 0)LiLd.
(3)
(4)
иьч - Л ,
Ток iqref установлен на 0, чтобы всегда гарантировать, что коэффициент мощности на входе всегда равен 1, и в результате получается формула:
diLd
ULd = L—+ usd ,
(5)
(6)
Л
0 = и5Ч + ыЫщ.
В управляющей структуре значение тока ^ является постоянным, цель состоит в том, что для близкого управления требуется интегральная фаза для устранения статических отклонений. Поэтому выберем регулятор тока с структурой Р1, чтобы устранить шум и устранить статическое отклонение. При разделении тока по двум осям d-q между осями будет индуктивное напряжение. Чтобы устранить эти перекрестные компоненты, мы используем разделитель каналов, как показано на рисунке 3.
S
S
6
4
Udcгef
1
и
нок 4) имеет много недостатков, таких как создание только двух областей управления: увеличение и уменьшение момента, поэтому отклик контроллера будет медленным, когда момент загрузки часто меняется [7].
Таблица 1. Таблица переключений коммутаторов на 6 секторов
РН Р1 — регулятор напряжения Р1;
РТ Р1 — регулятор тока Р1.
Рисунок 3. Управление раздельном током активного выпрямителя
Совершенствование метода прямого управления моментом трехфазного асинхронного двигателя В настоящее время метод прямого управления моментом DTC широко используется в промышленности. Преимущества состоят в следующем: очень малое время отклика момента, отсутствие необходимости переноса системы координат, высокая надежность и возможность использовать формулы для определения скорости вращения ротора без использования датчика скорости.
N3 N2
' -I_____"
^2
Ш N1 N2 N3 N4 N5 N6
FI М1 У2 Уз У4 V Уб У1
м V, У7 Уо У7 Уо У7
МЭ Уб VI У2 Уз У4 V
FD М1 V У4 V Уб У1 У2
м У7 Уо У7 Уо У7 Уо
МЭ V Уб У1 У2 Уз У4
В этой статье предлагается новая таблица переключения с 12 секторами напряжения, которые будут генерировать 4 области управления соответственно: зона резкого снижения момента (Э), зона легкого снижения момента ^Э), зона легкого увеличения момента ^1), зона резкого повышения момента (I). Таким образом, контроллер будет реагировать быстрее, когда колебания крутящего момента и амплитуды поддерживаются на необходимом уровне, процесс управления будет более точным (рисунок 5).
мс мж м/ мя м1
Рисунок 4. Разбиение фазовой плоскости на 6 секторов
Прямое управление моментом всегда гарантирует, что амплитуды вектора потока статора и момента находятся в допустимом диапазоне. Ошибка между двумя этапами расчета зависит от частоты дискретизации. Основной метод управления ЭТС с использованием таблицы из шести секторов (рису-
dM = -2
Рисунок 5. Область управления моментом Ма
дм = м/ - м
где Мй — действующее значение момента на валу двигателя; Ма* — задание по моменту;
ДМ — зона нечувствительности регулятора момента.
N
4
Electrical facilmes and systems
V3(010) n5
V4(011) Vo^ <-V7
N7
V5(001)
V2(110) N2
V2(1'10) N1 V1(1"00)
N12
N11^ V6(101)
Рисунок 6. Разбиение фазовой плоскости на 12 секторов
В системе DTC в контуре регулирования момента необходимо использовать 4-уровне-вый регулятор. Статическая характеристика такого регулятора показана на рисунке 7.
dM
2
J
-2
AM -►
ДМь
Рисунок 7. Статическая характеристика четырехпозиционного регулятора момента
Выходной сигнал 4-уровневого регулятора в зависимости от величины разсогласо-вания объясняется следующий образом: dM = 2, если ДМ > Мв - Ма; dM = 1, если 0,5(Мо - М) < ДМ < MSD; dM = 0, если ДМ < 0,5(МЖ - MSI); dM = -1, если -М81 < ДМ < 0,5(М1 - М); dM = -2, если ДМ < М1 - Мй. Из приведенных выше соображений видно, что регулятор момента представляет собой четырехпозиционное реле с зоной нечувствительности. Границы установки реле ^Мь dM2, ^М2, ^М^ соответствуют заданиям по малому и резкому уменьшению момента, а также резкому и малому увеличению момента (рисунок 7).
Таким образом, амплитуда момента поддерживается на требуемом уровне, а точность управления повысится. Таблица переключений при 12-секторном разбиении фазовой плоскости четырехпозиционного регулятора момента показана в таблице 2.
Таблица 2. Таблица переключений коммутаторов с 12 секторами
dM N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 Ns N9 N10 N11 N12
FI M: = 2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1 V2
msi = 1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1
Msd = -1 V, V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6
Md = -2 V6 V1 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5 V5 V6
FD M: = 2 V3 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1 V2 V2 V3
Msi = 1 V4 V4 V5 V5 V6 V6 V1 V1 V2 V2 V3 V3
Msd = -1 V7 V5 Vo V6 V7 V1 Vo V2 V7 V3 Vo V4
MD = -2 V5 V6 V6 V1 V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 V5
Таблица 3. Параметры асинхронного двигателя
Мощность, кВт 2,2
Напряжение, В 220/380
Частота, Гц 50
Частота вращения, об/мин 1436
Момент инерции (Г), кг-м2 0,05
Момент загрузки (Мс), Н-м 14,6
Таблица 4. Параметры активного выпрямителя
Источник напряжения, В 220
Частота сети, Гц 50
Ток 1ао, А 15
Конденсатор на выходе (С), ^ 3900
Индуктивность на входе (Ь), Гн 0,005
Постоянное напряжение на выходе (Ц^), V 690
N
8
1
a
0
УаЬс
1а Ьс а
V*
1 — трехфазный источник; 2, 6 — датчики тока и напряжения; 3 — реактор; 4 — активный выпрямитель (ЮВТ); 5 — инвертор (ЮВТ); 7 — асинхронный двигатель; 8 — синтетический блок управления выпрямителем; 9 — синтетический блок прямого управления моментом двигателя; 10 — датчик постоянного напряжения; Мс — момент нагрузки Рисунок 8. Схема управления DTC с активным выпрямителем
Результаты моделирования
Для оценки качества работы выпрямителя и инвертора предположим, что скорость и момент возрастают, а затем резко уменьшаются. Это два наиболее серьезных изменения, когда асинхронный двигатель работает (рисунки 9, 10). Результаты исследования представлены на рисунках 11-21.
<з
л
Ь
о о.
о
ч'
О
1000 500 0
-500 -1000
Рисунок 11. Напряжение на входной АВН
0.1
0.2 1, С
0.3
0.4
Рисунок 9. Заданная скорость
20
10
со
<п
Ь
Ъ -10
э
о
5 -20
Рисунок 12. Ток на входной АВН (ток и напряжение имеют одинаковый фазный угол)
0.1
0.2 Ъс
0.3
0.4
Рисунок 10. Момент загрузки
Ш 6Э0
£ 600
<и
1 400
¡и *
а.
1= 200
П1
I
0.1
0 2 I, С
0.3
0.4
Рисунок 13. Постоянное напряжение на выходной АВН
Electrical facilities and systems
2000
1000
-1000
-2000
100
Рисунок 14. Активная мощность на входной АВН
9- 1
сл
0
£ 0.5
1
<и
I -1
hUÉAÉ
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 t, С
Рисунок 15. Характеристика коэффициента
МОЩНОСТИ СОБф
_____ 1000
ä о 500
J] n 0
с
о -500
u
-1000
J
0,1
02 t, С
0.3
0.4
Рисунок 16. Характеристика скорости работы
ГF " analysis
Fundamental (50Hz) = 6.558 , THD= 1.82%
I 0,4
0.2
5 10 15
Harmonic order
Рисунок 17. Коэффициент искажения тока на входе
5 100 X
ь О
I
(1J
о -100 S
-200
0.1
02
t, С
0.3
0.4
Рисунок 18. Графики момента с 6 сдвинутыми секторами
-100
к
0.1
О 2 t, С
0.3
0.4
Рисунок 19. Графики момента с 12 секторами Flux а, р
0.5
•0.5
л
-1 -O.S
0.5 1
Рисунок 20. Годограф потокосцепления с 6 сдвинутыми секторами
Fhix а.р
0.5
0.5
-0.5
0.5
Рисунок 21. Годограф потокосцепления с 12 секторами
Выводы
Теоретический анализ и результаты, полученные в MathLab, показывают, что преобразователь частоты с активным выпрямителем имеет много преимуществ по сравнению с преобразователем частоты, использующим выпрямитель диода на практике. Выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией методом управления напряжения характеризуется обменом энергией в двух направлениях между сетью и нагрузкой, коэффициент мощности равен 1, ток синусоидальной сети.
Метод управления DTC обеспечивает качество системы электропривода, поскольку скорость всегда соответствует заданному
значению, магнитный момент быстро реагирует на изменения момента нагрузки. Предложен метод управления DTC в преобразовании частоты 4Q путем изучения таблицы переключения управляющего напряжения для увеличения скорости отклика магнитного момента по сравнению с изменением нагрузки.
Список литературы
1. Шрейнер Р.Т. Прогнозирующее релейно-векторное управление активным выпрямителем напряжения // Электротехника. 2001. № 12. С. 47-52.
2. Malinowski M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers. Ph. D. Thesis. Warsaw, 2001. P. 1-128.
3. Hableter T.G., Profumo F., Pastorelli M., Tolbert L.M. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation // IEEE Trans. Ind. Applicat. 1992. Vol. 28. P. 1045-1053.
4. Bogdan. Y., Le Van Tung. Research on the Switching Algorithm of Voltage Vectors in the Direct Torque Control System // IEEE Trans. 2018. P. 80-87.
5. Howmik S. Sensorless Current Control for Active Rectifiers // IEEE-IAS Conf. 1996. P. 898-905.
6. Чаплыгин Е.Е. Двухквадрантные преобразователи с активной коррекцией коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2003. № 10. С. 9-16.
7. Безносенко Д.М. Математическая модель системы прямого управления моментом частотно-регулируемого асинхронного электропривода // Известия вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 11. С. 16-23.
References
1. Shreyner R.T. Prognoziruyushcheye releyno-vektornoye upravleniye aktivnym vypryamitelem napryazheniya [Predictive Relay Vector Control of an Active Voltage Rectifier]. Elektrotekhnika - Electrical Engineering, 2001, No. 12, pp. 47-52. [in Russian].
2. Malinowski M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers. Ph. D. Thesis. Warsaw, 2001. P. 1-128.
3. Hableter T.G., Profumo F., Pastorelli M., Tolbert L.M. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation. IEEE Trans. Ind. Applicat., 1992, Vol. 28, pp.1045-1053.
4. Bogdan. Y., Le Van Tung. Research on the Switching Algorithm of Voltage Vectors in the Direct Torque Control System. IEEE Trans., 2018, pp. 80-87.
5. Howmik S. Sensorless Current Control for Active Rectifiers. IEEE-IAS Conf. 1996, pp. 898-905.
6. Chaplygin Ye.Ye. Dvukhkvadrantnyye preobrazovateli s aktivnoy korrektsiyey koeffi-tsiyenta moshchnosti [Two-Quadrant Converters with Active Power Factor Correction]. Prakti-cheskaya silovaya elektronika — Practical Po-wer Electronics, 2003, No. 10, pp. 9-16. [in Russian].
7. Beznosenko D.M. Matematicheskaya model' sistemy pryamogo upravleniya momen-tom chastotno-reguliruyemogo asinkhronnogo elektroprivoda [A Mathematical Model of a System for Direct Control of the Torque of a Frequency-Controlled Asynchronous Electric Drive]. Izvestiya vuzov. Priborostroyeniye — Journal of Instrument Engineering, 2004, Vol. 47, No. 11, pp. 16-23. [in Russian].
