Регулируемый электропривод переменного тока по схеме надсинхронного вентильного каскада Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.062.4:621.314.632

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПО СХЕМЕ НАДСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО КАСКАДА

Ю.Н. Дементьев

Томский политехнический университет E-mail: dementiev@mail2000.ru

Рассмотрена схема надсинхронного вентильного каскада с промежуточным звеном постоянного тока и различным управлением коммутацией вентилей трехфазного мостового роторного преобразователя. Представлены выражения и характеристики, поясняющие принципы управления по потокосцеплению.

Ключевые слова:

Регулирование, электропривод, переменный ток, тиристорный управляемый мост, надсинхронный вентильный каскад, переключение, преобразователь ротора, управление, потокосцепление.

Key words:

Regulation, electrical drive, alternative current, silicon controlled bridge, above-synchronous wound-rotor slip recovery system, commutation, rotor converter, control, flux linkage.

Одной из актуальных проблем современных электромеханических систем является разработка и исследование регулируемых электроприводов с улучшенными энергетическими показателями. Особенно остро эта проблема ставится в настоящее время в связи с широким применением вентильных преобразователей для электроприводов постоянного и переменного тока, позволяющих создавать высокоэффективные системы электропривода. Проблема создания экономичного регулируемого асинхронного электропривода решается в настоящее время путем расширения областей применения частотного регулирования и каскадных схем с использованием вентильных преобразователей.

Одним из перспективных, экономичных и простых в схемном решении является электропривод переменного тока по схеме асинхронного вентильного каскада (АВК), причем наиболее простыми и распространенными являются каскадные схемы с промежуточным звеном постоянного тока [1-3].

В этом электроприводе (рис. 1) напряжение ротора выпрямляется с помощью неуправляемого, мостового роторного преобразователя-выпрямителя (РП-В), и в цепь переменного тока вводится добавочная ЭДС с помощью сетевого вентильного преобразователя-инвертора (СП-И), состоящего из управляемых вентилей.

—--------------------#----------------------

3 ~ 50 Гц

Рис. 1. Электропривод по схеме асинхронного вентильного каскада

Благодаря непосредственному подключению асинхронной машины (АМ) к питающей сети пе-

ременного тока и частичной рекуперации энергии скольжения выпрямительно-инверторным преобразователем в сеть АВК обеспечивают консервативное (экономичное) регулирование скорости.

Применение управляемых вентилей, как для сетевого (СП), так и для роторного преобразователя (РП) обеспечивает получение особого двигательного (надсинхронного) режима работы, при котором энергия к АМ подводится как со стороны статора, так и со стороны ротора (надсинхронный вентильный каскад) (рис. 2). Как видно из рис. 2, а, надсинхронный вентильный каскад (НВК) представляет собой каскадное соединение ротора асинхронной машины с вентильным преобразователем, состоящим из РП и СП на управляемых вентилях.

На рис. 2, б, представлены диаграммы возможных режимов работы НВК и направления потоков энергии в роторной цепи. Как видно из диаграмм, при работе АМ в двигательном режиме М>0 при подсинхронной и сверхсинхронной скоростях мощность, потребляемая из сети Р1, всегда положительна, а знак мощности Р2 зависит от знака скольжения.

Мощность, отдаваемая со стороны ротора или получаемая в ротор (1), определяется знаком напряжения иё и при пренебрежении потерями в РП определяется по следующей зависимости:

Р = 2 и ■ I = Р = Р - Р =

Р 3 ий -V Р 2 20 2

= М(а0 -а)-Ру2 = БМа0 -Рг2, (1)

где (2/3) - множитель, появляющийся из-за применения системы относительных единиц; и -среднее значение выпрямленного напряжения; 1ё -среднее значение выпрямленного тока; Р2 - мощность, подводимая или отводимая со стороны ротора; Р20 - мощность, подводимая или отводимая со стороны ротора, при пренебрежении потерями цепи ротора; Рп - потери в роторной цепи АМ; а0 - синхронная угловая скорость АМ; а - угловая скорость вала АМ; М - момент на валу асинхронной машины.

^ ю<ю0,М > 0 В И

^ ю>ю0,М < 0 В И

^ ю>ю0,М > 0 и в

^ ю<ю0,М < 0 и Ра: ^ в

б

Рис. 2. Электропривод по схеме НВК: а) принципиальная схема НВК; б) энергетическая диаграмма НВК и режимы работы АМ, РП, СП

В надсинхронном режиме (а>а0) АМ в НВК получает энергию как со стороны статора, так и со стороны ротора, что определяет возможность работы АМ с допустимой мощностью, превышающей номинальную.

Способы управления вентильным преобразователем надсинхронного вентильного каскада с машинной коммутацией вентилей роторного преобразователя и границы ее использования

Работа надсинхронного вентильного каскада с промежуточной цепью постоянного тока и естественной коммутацией во многом зависит от способа управления вентильным преобразователем. Использование машинной коммутации (ЭДС двигателя) для РП позволяет повысить предельную мощность РП, его надежность, упростить силовые цепи и системы управления, снизить стоимость. Кроме того, имеется возможность пропускать мощность в обоих направлениях без дополнительных устройств, что легко реализуется изменением углов управления.

Управление углом открывания ас сетевого преобразователя (СП) обычно осуществляется традиционными методами, применяемыми для вентильных преобразователей в приводах постоянного тока (например, используя принцип подчинённого регулирования, когда внешнему контуру регулирования скорости подчинён внутренний контур регулирования тока) [1, 3].

При управлении вентилями РП по сигналам, независимым от АМ (взятым, например, от задающего генератора регулируемой частоты), схема электропривода представляет собой надсинхрон-ный вентильный каскад с независимым (внешним) управлением [4]. В нем угловая скорость вращения машины не зависит от нагрузки (как у синхронной машины) и пропорциональна принудительно задаваемым частотам сети/ и ротора/ (рис. 3, а).

При таком управлении АМ приобретает свойства и характеристики синхронной машины, что делает электропривод склонным к неустойчивости. Поэтому на практике обычно используется так называемое самоуправление РП [5, 6] (рис. 3, б).

Рис. 3. Схемы надсинхронного вентильного каскада а) с независимым, б) зависимым управлением

В этом случае вентили РП открываются по какому-либо сигналу АМ (напряжение, ток, потокосце-пление), изменяющемуся с частотой скольжения ротора /2=/1^. Коммутация вентилей роторной группы РП осуществляется индуцированным напряжением Пг' обмоток ротора АМ

и; = ш2^:,

где а2=а0—а - угловая частота вращения магнитного поля ротора; ¥/ — переходное потокосцепле-ние ротора. Причем, напряжение и/, индуцированное в АМ должно быть достаточным по величине для осуществления машинной коммутации тока вентилей РП. При работе НВК на скоростях близких к синхронной, при заданном моменте АМ и минимальной частоте / в роторе, машинная коммутация тока вентилей РП невозможна из-за малой величины индуцированного напряжения Пг Машинная коммутация вентилей РП, работающего в инверторном режиме, в этом случае возможна при следующих значениях параметров АМ:

|м| = К Ц'/ К\ > 1, (2)

где 1^|^| — обобщенный параметр для определения граничной частоты машинной коммутации.

Из (2) следует, что граничная частота машинной коммутации или граница между машинной (естественной) и любой искусственной коммутациями определяется по угловой частоте вращения магнитного поля ротора и зависит от параметров схемы замещения АМ:

а

2гр.

(3)

где а2гр. — граничная угловая частота магнитного поля ротора.

Например, подставляя в выражение (3) приведенную индуктивность ротора Ьг' в относительных единицах (Ьг=0,2), сопротивление ротора Яг (Д=0,02), получим граничную угловую частоту |а2гр.|=(0,2/0,02)=0,1. В этом случае граничная частота машинной коммутации /гр. при частоте питающей сети/1=50 Гц будет равна/2гр.=|а2гр /¡=0,Ь50=5 Гц.

На основании проведённых исследований [4, 5] и анализа научно-технической литературы [6] установлено, что одним из наиболее благоприятных способов самоуправления углом открывания вентилей является управление по сигналу, пропорциональному потокосцеплению ротора.

Основными достоинствами этого способа управления является практическое постоянство амплитуды управляющего сигнала во всём рабочем диапазоне, кроме того, содержание высших гармоник в этом сигнале наименьшее, форма его близка к синусоиде, а годограф — к окружности.

Управление по потокосцеплению надсинхронным вентильным каскадом с машинной (естественной) коммутацией вентилей роторного преобразователя

Чтобы достичь наилучшего использования АМ и РП в электроприводе по схеме НВК во всем диапазоне работы необходимо обеспечить наибольший фазовый угол сдвига первой гармоники тока ротора 1Л. Для этого НВК должен работать вблизи границы опрокидывания а+<5=180° при работе РП в инверторном режиме и вблизи границы возмож-

L'

а

dt

Рис. 4. Схемы замещения АМ для: а) потокосцеплений и б) напряжений

L'

L

R

d У r dt

Ur

ного открывания а=0 при работе РП в выпрямительном режиме. Тогда при заданных первых гармониках векторов потокосцепления —г1 и тока ротора 1г1 АМ возможно получить наибольшее среднее значение момента, развиваемого двигателем, наименьшие его колебания и минимальное влияние НВК на питающую сеть.

Для напряжений и потокосцеплений роторной цепи АМ действительны схемы замещения рис. 4 (за счет выбора коэффициента приведения к роторной цепи индуктивность рассеяния статора обращается в нуль) [6].

На основе схемы замещения рис. 4, а, для векторов потокосцепления можно записать:

Потокосцепление ротора, согласно схеме замещения рис. 4, б, можно вычислить из следующего выражения:

Тогда согласно выражению (4) любое заданное потокосцепление ротора (потокосцепление управления) можно получить по следующей формуле:

где Ьг' — переходная индуктивность ротора; ЬЗ — индуктивность задания.

Таким образом, варьируя значениями индуктивности задания, можно установить любое желаемое потокосцепление управления.

Например, если задать 1З=0, то коммутация вентилей РП будет осуществляться по потокосце-плению ротора —г или по переходному потокосце-плению ротора —г ', если ЬЗ=ЬГ Момент открывания вентилей РП зависит от положения вектора потокосцепления управления — Зг, и коммутация вентилей РП происходит при его определенных положениях в момент времени открывания 4-

Управление по потокосцеплению ротора

Из вышесказанного, согласно выражению (5), следует, что если принять индуктивность задания 1З=0, то коммутацию вентилей РП возможно осуществить по вектору потокосцепления ротора —г. На рис. 5 представлены основные векторы упра-

вления коммутацией вентилей роторного преобразователя НВК.

Рис. 5. Векторная диаграмма НВК, управляемого по потокосцеплению при (О<(О0

Как следует из рис. 5, в режиме подсинхронной скорости вентиль ЫС открывается в момент времени коммутации 4, если выполняются следующее условие:

агБС^зг )) = «з - П,

В режиме надсинхронной скорости вентиль ЫВ должен открываться в момент времени коммутации 4, если

arg(^ 3r (tk)) = -l —+ а

Из рис. 5 можно видеть, что действительный угол открывания a можно рассчитать по выражению [5]:

sin а, + (1 - L3 / L') х a = arctg- 3 v 3 rJ

cos а3 - (1 - L3 / L') x(1 - cos 5) • cos(a3 +n /6)

:sin 5 • cos(a3 +n /6)

a3 + 7з>

(6)

где аЗ — угол задания вектора потокосцепления управления в момент открывания тиристора 4, Уз — угол между векторами потокосцеплений управления —Зг и ротора —г.

Из (6) следует, что действительный угол открывания а зависит от переходной индуктивности Ьг', индуктивности задания ЬЗ, угла управления аЗ, а также от нагрузки 8. Кроме того, из выражения (6) видно, что при увеличении нагрузки действительный угол открывания а отклоняется от своего значения при идеальном холостом ходе ао=а(8=0)=аЗ и это отклонение зависит от того, по какому пото-косцеплению производится управление.

Например, если принять Ь>ЬГ', то при возрастании нагрузки угол а возрастает (уЗ>0), а при ЬЗ<Ц' угол а уменьшается (уЗ<0). В последнем случае выбором установочных значений задания угла управления аЗ и индуктивности ЬЗ в рабочем диапазоне нагрузки (8<30°) обеспечивается постоянство суммарного угла (а+8=сош1;). Это объясняется тем, что при самоуправлении РП в НВК по потокосцеплению согласно выражению (6), возрастание угла нагрузки 8 большей частью компенсируется возрастанием отрицательного угла уЗ (а+8=аЗ+7З+8=аЗ=сош1;).

На рис. 6 представлены расчетные характеристики управления а=/(8) для нескольких значений заданной индуктивности ЬЗ и заданного угла управления аЗ при работе РП в инверторном режиме. Характеристики рассчитаны при значении переходной индуктивности Ьг '=0,2. Кроме того, здесь же приведены граничная характеристика опрокидывания РП в режиме инвертора а+8=180°, характеристика нагрузки 8=60°, а также характеристики а+8=150° и а+8=160°, при которых обеспечивается надежный режим работы РП и в целом НВК.

Рис. 6. Расчетные характеристики управления НВК при различных значениях задания LЗ

Как видно из рис. 6, расчетные характеристики со значениями задания аЗ=150°, ХЗ=—0,17, ХЗ=—0,1 или ХЗ=0 являются наиболее целесообразными в качестве установочных значений. В этом случае обеспечивается практически постоянное значение динамического запаса от границы опрокидывания (а+8=180°) РП, работающего в инверторном ре-

жиме во всем рабочем диапазоне изменения нагрузки, и надежный режим работы НВК [4, 5].

Выбор установочных значений заданий угла аЗ<150° и индуктивности L3<0 теоретически исключает возможность достижения НВК границы опрокидывания, что доказывает, например, характеристика, представленная на рис. 6, со значениями задания аЗ=150° и L3=—0,0lLr В этом случае НВК всегда работает в устойчивом режиме, и действительный угол открывания вентилей РП можно определить по следующей упрощенной формуле

a = 150°-8/2, (7)

Как видно из выражения (7), изменяя угол нагрузки 8в интервале 0...30°, можно обеспечить оптимальный суммарный угол а+8=150°.160° во всем рабочем диапазоне изменения нагрузки. На практике наиболее просто осуществить управление коммутацией вентилей РП при постоянстве суммарного угла и его оптимальных значениях а+8=150°...160° выбором потокосцепления вектора задания —З равным вектору потокосцепления ротора —„ т. е. —З= — r.

Управление по переходному

потокосцеплению ротора

Выбор установочным значением индуктивности задания L3 переходную индуктивность ротора Lr', т. е. L3=Lr ' дает возможность управлять коммутацией вентилей РП в НВК по вектору переходного потокосцепления — Г, т. е. в этом случае вектор индуктивности задания должен быть равен вектору переходного потокосцепления, т. е. —З= —

В [2, 4, 5] показано, что при равенстве нулю активного сопротивления ротора (Д.=0) величина среднего выпрямленного тока РП в НВК для углов нагрузки (8<60°) в первом режиме работы РП определится по следующему выражению:

Id = (л/3 / 2) • (^; / L) • [cos a - cos(a + 8)], (8)

где ¥r'/Lr'=/КЗ - ток идеального короткого замыкания роторной цепи.

Из выражения (8) и рис. 7 следует, что взаимосвязь выпрямленного тока Id и переходного потокосцепления ¥r' открывает возможность управления коммутацией вентилей РП с постоянством суммарного угла a+^=const.

Рис. 7. Годограф вектора переходного потокосцепления при управлении НВК

Если при со<ю0 вентиль NC открывать в момент времени, когда составляющая вектора потокосце-пления по оси y ¥ 'у постоянной амплитуды и синусоидальной формы достигнет значения ¥ 'Д)=¥ \-Lr'(/0+А/0), где /o=(2/V3)4 то динамический запас по току A/d=/dmax-/d, где - максимальный выпрямленный ток, относящийся к характеристике опрокидывания а+8=180°, и суммарный угол а+8 остаются постоянными.

Однако равенство составляющей переходного потокосцепления по оси у его амплитудному значению в момент времени коммутации —'ry=x¥'ry(tk) вблизи точки К границы опрокидывания a+5=const с небольшой точностью определяет момент открывания соответствующего вентиля. Поэтому целесообразнее осуществлять открывание вентиля в момент времени, когда составляющая вектора пото-косцепления по_оси х будет равна его амплитудному значению - Г=¥ „(4). Согласно рис. 7 амплитудное значение составляющей переходного потокосце-пления по оси х в момент времени коммутации можно определить из прямоугольного треугольника off:

ft) = V 2Y;l’( ¡0 + AI„) - [ L'( I0 + AI o)]2. (9)

На рис. 8 представлены характеристики, полученные по результатам одного из конкретных расчетов по вышеприведенной формуле (9). Можно видеть, что особенно в рабочем режиме для суммарных углов а+8= 150°... 160° любому значению выпрямленного тока /d соответствует амплитудное значение составляющей потокосцепления по оси х ¥'„(4) т. е. пара значений Id-¥'n(tk) однозначно определяет суммарный угол а+8. Кроме того, характеристики ¥ Г,( 4)=Д/^показывают, что при суммарных углах а+8=150° и а+8=160° характеристики, изображенные прямыми тонкими линиями, достаточно хорошо совпадают с характеристиками, рассчитанными по нижеследующему выражению:

¥'x {tk) = ¥ 0 + Lo Id.

К сожалению, как видно из рис. 8, при малых значениях выпрямленного тока суммарный угол а+8 не поддерживается постоянным.

Однако следует заметить, что при управлении коммутацией вентилей по переходному потокосце-плению ротора малое изменение амплитудного

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Csorgits F. Die Kennlinien der untersynchroner Stromrichterkaskade // Period. Politechn. El. Eng. - 1970. - № 14. - С. 212-218.

2. Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1974. - 430 с.

3. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Вентильные каскады и двигатели двойного питания. - М.: Энергия, 1979. - 174 с.

4. Dementyev Yu.N. Felvezetos szinkron feletti aszinkron motoros kas-zkad hajtas statikus es dinamikus vizsgalata: Kandidatusi ertekezes. - Budapest, 1984. - 177 с.

значения переходного потокосцепления ' корректируется самой системой зависимого управления, что можно видеть на рис. 7, где представлен вектор переходного потокосцепления в момент времени коммутации у/г '(4) при возможных его 5 % отклонениях. Как видно из рис. 7 отклонение точки начала коммутации (/) очередного вентиля при изменении переходного потокосцепления приводит к изменению момента начала коммутации соответственно в большую или меньшую сторону. При меньшем значении переходного потокосце-пления коммутация очередного вентиля происходит раньше, а при большем значении - позже. Причем, перемещение точки закрытия вентиля (Е) происходит также соответственно в большую или меньшую сторону, обеспечивая постоянство суммарного угла а+8.

а + 8

Рис. 8. Зависимость переходного потокосцепления от выпрямленного тока при различных значениях суммарного угла управления

Таким образом, на основании вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Предлагаемые способы управления коммутацией вентилей РП в регулируемом электроприводе по схеме надсинхронного вентильного каскада достаточно просты для практической реализации и обеспечивают надежную работу электропривода во всех режимах.

2. Принципы управления коммутацией вентилей, изложенные в данной статье, могут быть применены в электроприводе с синхронным двигателем, питаемым от вентильного преобразователя частоты с инвертором тока и управляемым по положению ротора - вентильный двигатель.

5. Schmidt I., Dementyev J.N., Hajevszki F. Szabalyozott szinkron feletti kaszkad hajtas // Elektrotechnika. - 1985. - № 9-10. -С. 394-400.

6. Дементьев Ю.Н., Расстригин А.А. Зависимое управление роторным преобразователем в надсинхронном вентильном каскаде // Известия Томского политехнического университета. -2005. - Т. 308. - №7. - С. 116-119.

Поступила 24.09.2012 г.