CC BY
95
НОВЫЕ ПРОГРАММНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
УДК 62-83:004
М.И. Альтшуллер, канд. техн. наук, зав. отд. электропривода, (8352) 22-01-19, altshuller-m@ekra.ru (Россия, Чебоксары, ООО «НПП «ЭКРА»),
С.А. Лазарев, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, ведущий специалист отд. электропривода, (8352) 22-01-10, lazarev-s@ekra.ru (Россия, Чебоксары, ЧГУ, ООО «НПП «ЭКРА»),
И.И. Иванчин, магистр техники и технологий, асп., инженер-программист,
(8352) 22-01-10, lazarev-s@ekra.ru
(Россия, Чебоксары, ЧГУ, ООО «НПП «ЭКРА»)
РЕЛЕЙНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТОКА В ВЫСОКОВОЛЬТНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Рассмотрен один из возможных принципов управления высоковольтным частотно-регулируемым электроприводом. Изложены вопросы, возникающие при реализации релейного регулятора тока в многоуровневом инверторе с использованием цифровых датчиков тока.
Ключевые слова: рабочее напряжение силовых ключей, повышающий выходной трансформатор, релейный регулятор тока, линейный регулятор тока.
Современный рынок высоковольтной преобразовательной техники предъявляет жёсткие требования для обеспечения надёжной и безопасной работы приводных механизмов. При этом преобразователь частоты должен обеспечить на стороне сети: синусоидальные формы напряжений и токов, быть нечувствителен к воздействиям со стороны сети, иметь высокий коэффициент мощности, и на стороне двигателя: низкий коэффициент гармоник в выходном напряжении, синусоидальный ток, незначительные пульсации вращающего момента, возможность безопасного управления старыми двигателями.
Применение низковольтных схемных решений инверторов напряжения для высоковольтных двигателей переменного тока приводит к необходимости использовать силовые ключи на высокие напряжения. На дви-
3
гатель в этом случае, с учетом времени нарастания выходного напряжения инвертора 0,25 - 1 мкс, будет подаваться напряжение с высоким du/dt, что приведет к уменьшению срока эксплуатации высоковольтного двигателя (износ подшипников и старение изоляции обмоток). Кроме того, необходимо учесть возможный пробой изоляция силового кабеля из-за волновых процессов в нем, стоимость высоковольтных силовых приборов и необходимые меры борьбы с генерируемыми помехами. Всё сказанное обуславливает поиск более приемлемых решений для высоковольтного инвертора.
Существует две схемы высоковольтного привода, позволяющих понизить рабочее напряжение силовых ключей. Первый вариант предполагает получение высокого напряжения с помощью повышающего выходного трансформатора, который в этом случае может являться элементом фильтра для двигателя. Эффективность данного решения падает с уменьшением выходной частоты напряжения из-за потерь в выходном трансформаторе. Во втором - используются различные схемные варианты последовательного включения силовых приборов. Одна из таких схем предполагает последовательное включение силовых ячеек (рис.1). Силовые ячейки (рис.2) состоят из трехфазной мостовой схемы выпрямителя (VD1-VD6), фильтра звена постоянного тока (С1) и однофазной мостовой схемы инвертора напряжения (VT1-VT4). Входной трансформатор при этом может оставаться стандартным (схема с плавающими конденсаторами) либо быть многообмоточным [1]. В последнем случае уменьшается влияние инвертора на сеть вследствие применения фазового сдвига между вторичными обмотками трансформатора.
Управление двигателем осуществляется путем формирования в его обмотках переменного тока, который определяется исходя из выбранного режима работы электропривода. Такое формирование тока осуществляется посредством линейного или релейного регулятора тока. В первом случае в контуре формирования тока применяется пространственная, либо векторная модуляцией, или синусоидальная ШИМ. Каждый из этих методов реализации имеет свои достоинства и недостатки.
6кБ 60Ги
Многоуровневый тр-р
Двигатель 6к8
Рис. 1. Схема с последовательным включением силовых ячеек
Рис. 2. Схема силовой ячейки
Использование линейного регулятора тока позволяет работать силовым приборам в более безопасном режиме, когда частота коммутации строго определена и постоянна, при этом возможно получить малый коэффициент гармонических искажений по напряжению. Однако, при питании многоуровневого инвертора от нескольких независимых выпрямителей, для получения качественного напряжения может потребоваться введение поправочного коэффициента, учитывающего напряжение в звеньях постоянного тока силовой ячейки. При работе без нагрузки возможно появление низкочастотных колебаний тока и, соответственно, напряжения. Для более полного использования инвертора по напряжению в случае применения синусоидальной ШИМ в синусоиду задания замешивается третья гармоника [2, 3].
Напротив, контур тока с релейным регулятором имеет лучшие динамические показатели. Форма тока не зависит от количества независимых силовых ячеек и уровней напряжения на них. В этом случае коэффициент гармонических искажений тока не хуже, чем при использовании линейного регулятора. Но при этом коэффициент гармоник по напряжению более высок. Применение "жесткого" регулирования частоты коммутации ключей (дельта регулятора [1]) приводит к ухудшению качества и тока, и напряжения. В остальных случаях могут ухудшиться условия работы силовых ключей инверторов.
Работа релейного регулятора тока отличается от линейного тем, что выходное напряжение определяется текущим значением тока в двигателе напрямую. Таким образом, напряжение на выходе фазы инвертора, строго говоря, может быть несинусоидальным. Наличие нескольких ступеней квантования по уровню напряжения в многоуровневом инверторе уменьшает скорость изменения тока в нагрузке при изменении напряжения на один уровень, что приводит к более инертному поведению тока и созданию условий для последовательной коммутации нескольких ключей, что не только ухудшает выходное напряжение инвертора, но и увеличивает
частоту переключения ключей. Устранение отмеченного недостатка реализуется путем запрета коммутации двух и более уровней напряжения в малый промежуток времени.
Функционально блок, предотвращающий избыточные коммутации представлен на рис.3.
В схеме рис. 3 разрешено прохождение управляющего сигнала при положительной производной и при превышении ошибкой максимального уровня. Алгоритм работы схемы описывается следующими выражениями: если d\eydt > 0, то x = e; иначе, если e > E и | e | K > -de/dt, то x = e; иначе x = 0.
В этом алгоритме предусмотрена возможность настройки уровня максимальной ошибки Е, при которой управляющий сигнал проходит на релейный регулятор РР, когда ошибка уменьшается, то есть производная отрицательна. При этом происходит сравнение значения производной и абсолютной ошибки помноженной на коэффициент К, который определяет минимально допустимую производную для текущего значения ошибки. Работа алгоритма в однофазной системе для RL-нагрузки с постоянной времени T = 0,05 с показана на рис. 4 и рис. 5. Блок учета производной был
настроен на прохождение сигнала при модуле ошибки более 2А и скорости её уменьшения менее 1/10 от максимальной. Максимальная ошибка определяется выражением (1),
d|e| = AU
max
dt,
max
L
(1)
где AUmax- уровень напряжения инвертора, L - индуктивность цепи.
Рис. 3. Блок учета производной
Применение блока учета производной уменьшило суммарный коэффициент гармоник напряжения ТОЮ, рассчитанный до 50-й гармоники, с 47,9 до 16,6 %. Таким образом предложенная схема блока учета производной по абсолютной ошибке работоспособна и позволяет путем настройки коэффициента К получить вполне удовлетворительную форму напряжения на выходе инвертора.
Рис. 4. Производная по абсолютной ошибке (а) и ошибка по току (б)
Рис. 5. Форма кривых напряжения и тока в однофазной системе
Для трехфазной системы при нагрузке, соединенной в «звезду» с изолированной нейтралью, блок учета производной позволяет получить формы напряжения и тока, представленные на рис.6. В многофазной системе на формирование тока в фазе нагрузки кроме напряжения, приложенного к соответствующей фазе, оказывают влияние на напряжения в соседних фазах, поэтому при работе релейного регулятора тока в многофазной системе в форме напряжения гармонические искажения проявляются сильнее. Контроль производной по ошибке для этого случая уменьшил коэффициент гармоник ТИБ с 52,4 до 29,7 %, сохранив при этом динамические достоинства релейного регулятора тока по отработке управляющего воздействия.
Сложность реализации цифрового контура тока с релейным регулятором в первую очередь связана с реализацией быстродействия данного контура, и во вторую - с параллельной обработкой трех фаз. Реализация на ПЛИС позволила управлять фазами инвертора параллельно, при этом каждый однофазный инвертор управляется независимо, а временная задержка, связанная с обработкой сигналов датчиков и формированием управляющего сигнала минимальна.
__— * ^^— 1а
_
О Т/4 Т/2 ЗТ/4
Рис. 6. Форма кривых напряжений и токов в трёхфазной системе
Использование цифрового релейного регулятора тока предъявляет повышенные требования к АЦП датчиков тока. При чем не только к частоте оцифровки тока, но и ко времени оцифровки. В контуре тока существуют следующие временные задержки:
- задержка передачи данных управления: дискретность канала и задержки в оптике;
- задержка в драйвере силового ключа и время коммутации ключа;
- задержка аппаратного фильтра датчика тока;
- время оцифровки сигнала в АЦП датчика тока;
- задержка передачи данных обратных связей управления: дискретность канала и задержки в оптике;
- задержка вычислений и цифровой фильтрации данных АЦП датчика тока.
Рис.7 показывает суммарное время задержек между формированием управляющего сигнала на изменение уровня напряжения и сигналом с датчиков напряжения и тока инвертора, снятое экспериментально.
_________________ _____________________________________]___________________1______________________________________________________________________________________________________________1__________
^упр
.........../ у ат
ио(!
1ос
]
_____ ___
11111
7.26 7.26 7.27 7.28 7.29 7,3 7.31 7.32 7.33 7 3Д 7,35
х104.мкс
Рис. 7. Задержка данных по обратной связи
В сумме все эти задержки и предполагают запрет на анализ данных по току в течение некоторого времени после изменения сигнала управления. Время этой задержки, совместно с шириной «токового коридора» 2Д, определяет такие параметры контура тока как: частота коммутации, качество тока двигателя и быстродействие контура тока. При определении параметров релейного регулятора, нужно учитывать, что время запрета в значительной степени влияет на время реакции системы на управляющий сигнал, но в то же время, если оно будет слишком малым, то система, получая «старую» информацию и по ней принимая решение, может стать неустойчивой.
Работа алгоритма была опробована на макете 7-уровневого инвертора с асинхронным двигателем 30 кВт, 380 В. Сам алгоритм был непосредственно реализован на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) семейства Cyclone III фирмы Altera. На рис.8 показаны полученные линейное напряжение и токи в фазах двигателя при
Рис. 8. Экспериментальная форма токов и напряжения
на выходе инвертора
На рис. 9 и рис. 10 представлены зависимость качества линейного напряжения и тока, а также условия работы силовых ключейк в зависимости от ширины токового коридора и времени запрета.
Можно заметить, что величина токового коридора в большей степени влияет на коэффициент гармоник напряжения. Так, при малом коридоре - регулятор просто не успевает его отрабатывать, в результате появляются большие искажения напряжения при пониженной частоте коммутации силовых ключей. При увеличении ширины коридора регулятор начинает точнее отрабатывать задание и улучшается качество напряжения. При дальнейшем увеличении ширины токового коридора частота коммутации вновь увеличивается, а качество тока и напряжения ухудшается. Таким образом, можно определить оптимальную ширину коридора, при
которой частота коммутации минимальна и наблюдается минимум коэффициента гармонических составляющих и тока и напряжения.
1
1 к \ \ 1
\ ч \ \ V ч ; Т\юи,< /о
_______:______..... ...... к ;
¿ТШТУГ-К Гц
_____: * " ч. 1 , ! ------- 1 1 —4 ТпЬь% | 1
0.1 0.2 О.З О.а О 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
I, А
Рис. 9. Влияние ширины «токового коридора»
20 18 16 14 12 10 8 6 А 2
1 1
•
........ -«с \ ■уК, __тн:
ч > к \ : ^А г 4 у.....^ / Ь \ Ь"---
-----ч-г- - - V" - У'
; \
о., <3 >■........<ь..... 1шим>ЩЦ
! г"'"' ! "ТНрь%" |
!
О 20
ЗО 40 50 бО
70 80
90
100 НО
£мкс
Рис. 10. Влияние задержки времени
Время запрета коммутации должно быть как можно ближе к суммарному времени задержек в системе и поэтому выбирается из первого минимума коэффициента гармоник в токе и напряжении. Следует отметить, что первый минимум коэффициента гармоник тока получился и са-
мым низким. При больших значениях времени запрета наблюдается плавное снижение частоты коммутации и ухудшение качества тока.
Хотелось бы обратить внимание, что частота коммутации силовых ключей в такой схеме составляет 1/N от результирующей частоты коммутации напряжения на выходе фазы инвертора (N - число последовательно включенных инверторов в фазе), что существенно уменьшает динамические потери в ключах инвертора.
Предложенное схемное решение и алгоритм позволяет использовать достоинства релейного регулятора тока в многоуровневых схемах высоковольтных преобразователей и сохраняет приемлемый коэффициент пульсаций напряжения на выходе инвертора при уменьшении частоты коммутации ключей инвертора.
Использование многоуровневого инвертора с системой релейного регулирования тока и запретом на одновременную коммутацию нескольких ключей в фазе имеет меньшее в сравнении с другими схемами значение du/dt, что увеличивает срок службы высоковольтных двигателей и делает возможным провести модернизацию электропривода без замены старого двигателя на новый с улучшенной изоляцией.
Результаты проведенной работы применяются в разработках ООО «НПП «ЭКРА».
Список литературы
1. Corzine K.A. Operation and Design of Multilevel Inverters. University of Missouri-Rolla, 2005.
2. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. 204 с.
3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с.
M. AVtshuller, S. Lazarev, I. Ivanchin
Relay regulation of the current in high-voltage electric drive
One the of method of the medium voltage variable-frequency electric drive control is considered. There is attracted the problem of realize a relay current regulator in the multilevel converter with digital current sensors.
Key words: operating voltage power switches, relay current regulator, a linear current regulator.
Получено 06.07.10
