CC BY
48
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. №18
УДК 621.313:621.314
Казачковский Н.Н.1, Якупов Д.В.2
УПРАВЛЕНИЕ АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ С РЕЛЕЙНО-ВЕКТОРНЫМ КОНТУРОМ ТОКА ДЛЯ СИСТЕМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В статье рассматривается система управления активным выпрямителем, который является составной частью частотно-регулируемого электропривода. В системе управления применен релейно-векторный контур тока. Представлены результаты моделирования предложенной системы.
Введение
На сегодняшний день частотно-регулируемый электропривод является одним из наиболее эффективных решений для регулирования скорости производственных механизмов. Однако проблемы энергосбережения и электромагнитной совместимости в регулируемом электроприводе по-прежнему остаются актуальными. Это можно объяснить тем, что одним из основных элементов двухзвенных преобразователей регулируемого электропривода является входной выпрямитель. Чаще всего он неуправляемый, реже - управляемый. Следует также отметить, что для электроприводов, работающих в частых тормозных режимах с генерацией энергии, целесообразно возвращать эту энергию в сеть. Неуправляемый выпрямитель является самым распространенным вариантом для электроприводов переменного тока с частотным регулированием малой и средней мощности. Данный вид выпрямителей не обеспечивает ни удовлетворительной совместимости с питающей сетью, ни возможности рекуперации энергии из звена постоянного тока. Использование управляемого выпрямителя в режиме ведомого сетью инвертора позволяет обеспечить передачу энергии в обоих направлениях, однако по-прежнему не обеспечивает достаточных показателей качества передаваемой энергии. Использование инвертора на полностью управляемых ключах двунаправленной проводимости может обеспечить приближенный к единичному коэффициент сдвига фаз cos ср и минимум высших гармоник тока и решить рассматриваемую задачу.
Целью данной работы является рассмотрение системы регулирования активным выпрямителем и предварительная проверка ее работоспособности на математической модели.
Основные положения
Активный выпрямитель. Структурная схема силовой части активного выпрямителя (АВ) и системы регулирования представлена на рис. 1. Задача системы регулирования - обеспечить передачу только активной мощности через АВ в обоих направлениях. Авторы считают, что данная задача является наиболее целесообразной для систем регулируемого электропривода, работающего в 4-х квадрантах. Поэтому, учитывая данное обстоятельство, представленная система регулирования в отличие от систем, описанных в координатах dq, является более простой, содержит меньше преобразований и требует меньше вычислений.
Автономный инвертор напряжения (АИН) на полностью управляемых ключах (IGBT, MOSFET, GTO) подключатся к сети переменного тока с фазными ЭДС еа, еь, ес через дроссели Ldp. Для качественного регулирования напряжения IIj на конденсаторе необходимо обеспечить стабильный ток заряда/разряда конденсатора. Это значит, что активный выпрямитель должен работать в режиме источника тока, что возможно при охвате его отрицательной обратной связью по току. При этом, для обеспечения управляемости ключей, напряжение в звене постоянного тока U¡¡ должно быть больше амплитудного значения линейного напряжения сети
1 Национальный горный университет, канд. техн. наук, проф.
2 Национальный горный университет, ассистент
АИН
Рис. 1 - Активный выпрямитель
(/,/ > (/,„,. Для повышения быстродействия системы регулирования используется релейный векторный алгоритм управления током.
Контур регулирования тока. Задание на амплитуду тока инвертора формируется регулятором напряжения РН. Для формирования задания на синусоидальные токи 1га и /-[; измеряются сетевые ЭДС с последующим преобразованием в£аи£р. Полученные значения напряжения делятся на амплитуду фазной ЭДС Ет. Таким образом, получается синусоида единичной амплитуды, которая умножается на заданную амплитуду тока. В блоке БВ по полученным ошибкам регулирования тока определяются модуль и фаза вектора ошибки тока. Блок БВВ осуществляет выбор необходимого вектора напряжения инвертора по результатам вычисления блока БВ в соответствии со следующим алгоритмом [1].
Вектор ошибки Ы регулирования тока есть разность между векторами заданного /_ и действительного токов I (8/ = /_ - / ). Модуль и фаза вектора ошибки тока определяются через его проекции 5а и 5р по осям а и (3 (рис. 2, а).
(1) (2)
II I - I ■
а га а '
5Р =
ы = . + 5р2
5ф = агс^ — . 5„
В допустимой области (ДО) радиусом А модуль ошибки регулирования тока не превосходит допустимой величины.
Выбор текущего состояния АИН производится следующим образом. По проекциям ошибки находятся модуль и фаза вектора ошибки Ы (1), (2). По фазе определяется сектор, внутри которого расположен вектор ошибки, и выбирается базовый вектор этого сектора (например, согласно рис. 2, б необходимо выбрать вектор (А). При величине ошибки тока, меньшей заданной, сохраняется прежнее состояние инвертора, а следующее переключение произойдет, когда ошибка выйдет за пределы ДО.
а)
б)
Рис. 2 - Регулирование тока: а - ошибка регулирования тока; б - выбор состояния АИН
Контур регулирования напряжения. Для определения передаточной функции регулятора напряжения передаточную функцию свернутого контура тока представим в виде:
УК
WPH{p) =
27> + Г
где Ту - малая некомпенсируемая постоянная времени, которая включает в себя мертвое время ключей инвертора, вычислительные задержки, период дискретизации системы регулирования, инерционности в канале измерения тока. При расчетах принималась равной Ту = 0,0005 с.
Регулятор напряжения формирует задание на амплитуду вектора тока сети (или амплитуду фазного тока 1тф). Соотношение между током /,/ и амплитудным значением фазного тока инвертора 1тф найдем из уравнения баланса мощности:
3
Л<1 - 1ф = ~Етф1щф >
h =
■3 р J
тф тф
2U,
где Еф и 1ф- действующие значения ЭДС и тока фазы сети; Етф и 1тф - амплитудные значения ЭДС и тока фазы сети.
Структурная схема контура напряжения представлена на рис. 3. Возмущающим воздействием в данной системе является ток инвертора двигателя /„. Сделав допущение о постоянстве амплитуды фазной ЭДС сети и напряжения в звене постоянного тока при настройке регулятора напряжения на симметричный оптимум, получим следующую передаточную функцию регулятора напряжения:
Кс(*ТуР + \)
Кн(Р)=-
32 Тгкнр
wPH{p) =
КС{^р + \) 2Ud
3 Е„
Как видно из рис. 3 и передаточной функции \¥РН{р), коэффициенты регулятора зависят от величины возмущений, которыми являются изменение амплитуды сетевой ЭДС Етф и тока нагрузки/„ (и, как следствие, Щ).
Рис. 3 - Контур регулирования напряжения
Моделирование
Модель описанной выше системы была реализована в Simulink. При моделировании приняты такие допущения: частота питающего напряжения сети неизменна и равна 50 Гц, система напряжений симметрична, сопротивления и индуктивности фаз равны. В качестве параметров сети переменного тока использовались параметры трансформатора типа ТМ 25/10 со следующими значениями: сопротивление фазы вторичной обмотки RT =0,154 Ом, индуктивность фазы вторичной обмотки Zj=0,77 мГн, линейное напряжение вторичной обмотки (//=380 В. Индуктивность сетевого дросселя принята равной Л//.=0.0005 Гн. Номинальный ток нагрузки 1Н= 15 А. Нагрузка представлена в виде источника тока. Знак тока определяет режим работы нагрузки: "+" - генераторный, "-"- двигательный. Величина емкости звена постоянного тока С=5х10~4 Ф. Емкость выбиралась из расчета 100 мкФ/кВт для двигателя 5 кВт. Напряжение в звене постоянного тока стабилизировалось на уровне Ud= 560 В.
Результаты моделирования режима изменения знака тока нагрузки с увеличением тока до максимально допустимого значения при постоянном напряжении сети представлены на рис. 4. Данный режим соответствует переходу двигателя из двигательного режима в режим рекуперативного торможения с максимально допустимым током. На рис. 5 представлены результаты моделирования режима изменения знака тока нагрузки при переходе из рекуперативного торможения к разгону с максимально допустимым током. Как видно из рисунков, система регулирования обеспечивает угол сдвига фаз между напряжением и током, равным 0° в двигательном режиме и 180° в рекуперативном режиме. Форма тока синусоидальная. Однако следует отметить, что в переходных режимах наблюдаются значительные отклонения напряжения Ud (до
30 %) от заданного значения. Также видно, что переходные процессы фактически заканчиваются за один период напряжения сети.
<
£ 400 -ш
... Ud
1нЧ0
1 1 1 1 1
5.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
4, с
Рис. 4 - Изменение тока нагрузки при переходе из двигательного режима в тормозной 600« 400
<
Ж 200 m
3 о -200
-4оа
- -—-— VA-—~
Ud
1н*10 /
/
-40£
Еа_
. м
У / >ц/ / la*5
Рис. 5 - Изменение тока нагрузки при переходе из тормозного режима в двигательный
Выводы
Предложена система регулирования активным выпрямителем с релейно-векторным контуром тока. Работа системы предварительно проверена на математической модели. Результаты моделирования подтверждают работоспособность системы и показывают, что данная система требует улучшения характеристик путем поиска оптимальных параметров силовой части. Данное направление можно считать следующим шагом в исследовании предлагаемой системы управления активным выпрямителем.
Перечень ссылок
1. Казачковскгш H.H. Способ управления векторным релейным регулятором тока в электроприводах с ШИМ / H.H. Казачковскгш, Д.В. Якупов // Вюник Кременчуцького державного полп-ехшчного ушверситету: HayKOßi пращ К ДНУ. - Крсмснчук: К ДНУ, 2004. - Вип. 3/2004 (26). - С. 46-49.
Рецензент: A.A. Колб, канд. техн. наук, проф., НГУ
Статья поступила 25.03.2008
