Асинхронний електропривод з покращеними показниками електромагнітної сумісності у контурах перетворення електричної енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

Поліщук Петро Іванович

УДК 62-83:629.423.1

АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД З ПОКРАЩЕНИМИ ПОКАЗНИКАМИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ СУМІСНОСТІ У КОНТУРАХ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кременчук - 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі систем електроспоживання та енергетичного менеджменту Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

кандидат технічних наук, доцент

Луговой Анатолій Васильович, проректор з наукової роботи Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Чермалих Валентин Михайлович, професор кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент

Кутовий Юрій Миколайович, доцент кафедри автоматизованих електромеханічних систем Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "_27_" травня 2008 р. о 11.00_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.01 при Кременчуцькому державному політехнічному університеті імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: 39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20, корпус №1, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остоградського Міністерства освіти і науки України за адресою: 39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20.

Автореферат розісланий "_22_" квітня 2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент А.В. Некрасов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ріст споживання електричної енергії (ЕЕ) стимулює необхідність пошуку шляхів її раціонального витрачання, що для України є стратегічно важливим аспектом життєствердження.

В промисловості 60%, а в окремих її галузях, таких як гірничовидобувна та металургійна, до 80% споживання ЕЕ припадає на електроприводи (ЕП). Основна маса промислових ЕП в Україні - це нерегульовані ЕП змінного струму з асинхронними двигунами (АД). Обґрунтований перехід на регульовані види ЕП тільки в промисловості дозволить щорічно економити 15…20% ЕЕ, що споживається.

Між тим, останнє можливо лише за умови максимального використання електроенергетичного потенціалу регульованих ЕП і в тому числі:

- забезпечення рекуперації ЕЕ в живильну мережу;

- досягнення високого коефіцієнта потужності й синусоїдності форми струму на вході контура перетворення (КП) ЕЕ;

- підтримання синусоїдності форми напруги, що подається на АД.

Рівень відповідності техніко-економічним вимогам, у т.ч. вищенаведеним, визначається не тільки конкретним типом ЕП, а і, що головне, його структурою (архітектурою). Остання залежить від системи перетворення (СП) ЕЕ в комплексі ЕП, на якому базується та чи інша електромеханічна система.

Незважаючи на значну кількість відомих структур ЕП слід констатувати, що цілісної теорії «конструювання» структур ЕП сучасного рівня на даний час не існує.

Оскільки нові системи ЕП базуються, як правило, на ІGBТ-транзисторних перетворювачах, які згідно технології модуляції напруги впливають на якість ЕЕ як в мережі живлення, так і в споживача - АД, то природно також, в розрізі розбудови теорії електроприводу, включити елементи теорії аналізу та синтезу способів покращення електромагнітної сумісності (ЕМС), як невід'ємних складових сучасних електротехнічних комплексів з високоефективними СП ЕЕ.

Тому, дослідження та розробка методів побудови комплексних структур ЕП з високоефективними СП ЕЕ є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає комплексній проблемі НАН України «Наукові основи електроенергетики», напрямку НДР Міністерства освіти і науки України - Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі, та направленості тематики науково-дослідницьких робіт кафедри «Системи автоматичного управління та електропривод» Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. Матеріали дисертаційної роботи використані при виконанні держбюджетної НДР «Розробка наукових основ створення формованих джерел енергопостачання промислових і комунальних об'єктів» (номер державної реєстрації 0104Ш00762, 2006-2007 р.р.), де автор був співвиконавцем.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування асинхронних електроприводів шляхом створення комплексної електромеханічної системи із симетричною системою перетворення електричної енергії й поліпшеною електромагнітною сумісністю в контурах її перетворення.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені й вирішені наступні науково-прикладні задачі:

- розробка й обґрунтування методики підходу до побудови архітектури електроприводів змінного струму з ефективною структурою дуального перетворення електричної енергії;

- дослідження електромагнітних процесів у контурі перетворення електричної енергії електропривода й оцінка впливу якості перетворення на режими функціонування асинхронного двигуна;

- розробка вимог і дослідження ефективності фільтруючих пристроїв, розробка методики формування структур електричних фільтрів, що забезпечують синусоїдну напругу на затискачах АД та в живильній мережі;

- розробка математичної моделі електроприводу змінного струму із симетричною системою перетворення електричної енергії й фільтром;

- виконання комплексу аналітичних, комп'ютерних і експериментальних досліджень електромагнітних процесів в електроприводах змінного струму із симетричною системою перетворення електричної енергії.

Об'єкт дослідження - електромагнітні процеси в електротехнічному комплексі із симетричною структурою перетворення електричної енергії.

Предмет дослідження - електропривод змінного струму із контуром дуального перетворення електричної енергії та пристроями покращення електромагнітної сумісності.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у дисертаційній роботі наукових задач використовувалися методи багатокритеріального аналізу, при формуванні структур ЕП; теорія електричних кіл, метод гармонійного аналізу при аналізі форм кривих струму та напруги; методи вирішення диференціальних рівнянь при аналізі електромеханічних процесів в контурі перетворення ЕЕ та АД; методи математичного й фізичного моделювання при аналізі та синтезі контура перетворення ЕЕ в комплексі електротехнічної системи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- формалізовано тактику, що узагальнює та доповнює процес розбудови сучасних асинхронних електроприводів з симетричною структурою, в напрямку досягнення обумовлених стандартами показників необхідного рівня якості електроенергії та ЕМС з живлячею мережею та навантаженням;

- оцінено рівень співвідношень комплексу законодавчих вимог ЕМС реальному стану показників при функціонуванні системи: живляча мережа - контур перетворення електричної енергії з ШІМ напруги та Г-подібними фільтрами - асинхронний двигун. Встановлено основоположну вимогу до фільтрокомпенсуючих засобів для досягнення необхідного рівня фільтрації гармонік модульованої кривої напруги в функції виду модуляції;

- вперше розроблені теоретичні положення та запропоновано, на основі відомого методу чотирьохполюсника, методику диференційного формування схем фільтрів та вибору їх параметрів в залежності від потрібного рівня ЕМС та якості електричної енергії, що дозволяє синтезувати їх нові варіанти у вигляді комбінації функціональних ланок - суб'єктів фільтрації загальнофільтруючого комплексу;

- встановлена залежність між якістю перетворення електричної енергії в електроприводах змінного струму з контуром імпульсного перетворення напруги живлення АД й режимами їхнього функціонування, що дозволило розробити рекомендації щодо рівня припустимих та можливих відхилень форм кривих струму й напруги від синусоїдних; вперше досліджено, оцінено та запропоновано алгоритм компенсації впливу параметрів вихідного фільтру на характеристики електроприводу;

- вперше досліджено новий ефект, що визначає рівень виконання захисних функцій відповідними пристроями перетворювального контуру, доведено необхідність і модернізовано імпульсний перетворювач ШІМ-напруги комплектного ЕП елементами захисту від "довгих" імпульсів наднапруг.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректністю прийнятих у математичних моделях припущень та підтверджується збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивними оцінками впровадження результатів роботи.

Практичне значення одержаних результатів.

Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки дозволили:

- розробити, обґрунтувати й рекомендувати до застосування структуру симетричного електроприводу змінного струму з авторськими варіантами контуру перетворення електричної енергії;

- одержати в результаті теоретичних досліджень у системі електроприводу змінного струму нову структуру ефективного фільтра й співвідношення для практичних розрахунків й вибору параметрів його елементів;

- розробити в комплексі електроприводу змінного струму нове рішення пристрою захисту елементів імпульсного перетворювача від внутрішніх перенапруг, що захищене охоронним документом;

- створити й рекомендувати для практичної реалізації комп'ютерні програми для оптимізації параметрів елементів інвертора й фільтра;

- впровадити результати дисертаційної роботи виробничими фірмами «Електропривод» (м. Дніпропетровськ) та «Електрозахист» (м. Харків) в практику розробки та випуску нових зразків електроприводів змінного струму, що підтверджено актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані: науково-прикладне завдання, мета й задачі дослідження, наукові положення, висновки й рекомендації, особисто виконана теоретична частина роботи. Експериментальні дослідження виконані при участі здобувача.

У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать:

- обґрунтування й теоретичні дослідження симетричної системи перетворення ЕЕ в ЕП змінного струму [1,3];

- розробка алгоритмів керування ШІМ у комплексі ЕП змінного струму [10,11,13,14];

- теоретичні дослідження із синтезу електричних фільтрів та розробки способів захисту від наднапруг комплексів ЕП із симетричною СП електричної енергії [9,15];

- розробка дослідницької математичної моделі електропривода змінного струму з системою перетворення СП ЕЕ і електричними фільтрами [5,7,16];

- теоретичні й комп'ютерні дослідження електромагнітних процесів в ЕП змінного струму з СП електричної енергії [5,6,16].

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення, наукові й практичні результати роботи доповідалися й обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях "Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації", м. Кременчук, 2006-2007р.р.; науково-технічній конференції з міжнародною участю: "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика", м. Одеса, 2006р.; міжнародній науково-технічній конференції "Силова електроніка й енергоефективність", м. Алушта, Крим, 2006, 2007р.р.; науково-технічній конференції з міжнародною участю: Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика, м. Алушта, Крим, 2007р.; міжнародній науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості", м. Кривій Ріг, 2006р; міжнародній чотирнадцятій науково-технічній конференції "Електроприводи змінного струму", 13-16 березня 2007р., м. Єкатеринбург, Росія.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 17 друкованих працях, у т.ч. в 5 без співавторів, опублікованих у наукових виданнях, затверджених ВАК України як фахові, та в 1 патенті України.

Структура й об'єм дисертаційної роботи

Повний обсяг дисертації складає 265 сторінок друкованого тексту і містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел та шість додатків. Основна частина викладена на 163 сторінках. Список використаних джерел складає 130 найменувань і займає 14 сторінок. Дисертація містить 126 рисунків та 7 таблиць, з них 61 рисунок та 1 таблиця повністю займають 31 сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну та практичну цінність роботи, зв'язок теми дисертаційної роботи з науковими програмами та планами НДР, викладено аналіз проблеми, сформульовано мету та наукові задачі, що вирішувались для досягнення поставленої мети.

У першому розділі виконані дослідження в напрямку превентивного пошуку та подальшого розвитку теорії створення базової структури ЕП. Представлено обґрунтовані критерії оцінки варіантів ЕП і вибору оптимальнопошукових. Основними критеріями прийняті: енергетичний (мінімум втрат електроенергії), надійність (мінімум контакторної апаратури, складних напівпровідникових приладів і інших комплектуючих, мінімум пульсацій струму), вартісний (мінімум капітальних і експлуатаційних витрат), вагооб'ємний (компактність).

За теоретичну основу дослідження і визначення ефективної структури ЕП прийнято доопрацьований автором алгоритм глобального пошуку базової структури, відповідно до якого відомі і гіпотетично можливі структури ЕП об'єднані в множину Парето.

Варіанти ЕП з найкращими показниками якості варіантів - оцінювані в функціях Парето розглядаються в множині припустимих структур і потім у множині кращих структур .

У результаті з множини визначається базовий (базові) варіант із мінімальним узагальненим показником:

. (1)

При аналізі структур ЕП враховані переваги схем, що аналізуються.

В ході досліджень за базові для подальшого пошуку отримано структури ЕП з відмінними рисами: з незворотною та зворотною.

Підкреслені електроенергетичні переваги запропонованих структур, відмінними рисами котрих є те, що вони оснащені дроселями з великою індуктивністю на виході КП ЕЕ, та електричним фільтром в проміжному ланцюзі постійного струму СП.

Аналіз протікання процесів в КП ЕЕ показав відмінність їх характеру від традиційного подання. Структури ЕП з контурами перетворення ЕЕ на основі IGBT-перетворювачів, модулі яких мають час комутації мкс, що і є терміном нарощування імпульсів напруг, генерують при цьому перешкоду частотою більшою, ніж 1,0мГц, та нформують крутизну фронту модульованої напруги більшою, ніж 1,0 кВ/мкс. Цей імпульс негативно впливає як на АД, так і на кабель живлення. Особливо небезпечним стає цей вплив, коли кабель сягає довжини більшої, ніж критична:

. (2)

Для випадку коли мкс, критична довжина кабелю становить 25м. При такій довжині кабелю, внаслідок ефекту «відбитої хвилі», напруга на двигуні сягає небезпечного подвійного значення.

Підтверджено, що обмеження швидкості наростання імпульсів напруги можуть забезпечувати Г- і Т-подібні фільтри, встановлені безпосередньо на виході інвертора контура перетворення ЕЕ ЕП. Однак, зі збільшенням довжини кабелю недопустимо ростуть габарити й вартість фільтра. Тому даний тип фільтрів застосовують лише для довжини кабелю 25...30м. Далі, як запропоновано в роботі, доцільно використати «синусні» структури фільтрів.

Для визначення вихідних вимог до розробки структур та параметрів «синусних» фільтрів виконаний аналіз векторного методу ШІМ напруги живлення АД комплексного ЕП, для чого модуль напруги (довжина радіуса вектора) задається коефіцієнтом заповнення періоду модуляції

; .

На початку сектора модуляції

,

формується усереднений за кутом вектор ; від періоду до інтервал зменшується, а збільшується при , тобто

,

кут повороту вектора збільшується й доходить наприкінці сектора до положення

Відбувається чергове перемикання фаз. Миттєві значення фазних напруг, визначені зворотним перетворенням:

; (3)

; (4)

. (5)

Крива фазної наруги у секторі модуляції. Якість електроенергії в контурі перетворення ЕП при ШІМ напруги живлення АД в граничному розкладанні оцінено коефіцієнтом несинусоїдності кривої напруги

,

що при дорівнює коефіцієнту -ї гармоніки () складової напруги:

. (6)

Таким чином, згідно з (6) встановлюється основоположна вимога - «синусний» фільтр повинен знизити з 0,333 до 0,05, необхідного по стандарту при однополярній модуляції. Однак в алгоритмі векторної ШІМ можлива і різнополярна модуляція для можливості формування синусоїди струму на її «вершині». Тоді =0,1 і АЧХ фільтра повинна бути:

.

Для аналізу режимів, що формуються ЕП під впливом якості електропостачання, технічного стану двигуна та навантаження, розроблено математичні моделі. Застосовано показники якості перетворення енергії, як нові інформативні діагностичні ознаки аналізу відхилень від нормального режиму роботи АД. Такими ознаками визнана група показників, до якої входять коефіцієнти: енергетичних втрат і , нерівномірності завантаження фаз струмом і нерівномірності тепловиділення в обмотках , зміни моменту та зміни віброхарактеристик .

Дано обґрунтування необхідності та здійснено на основі комп'ютерного моделювання дослідження якості перетворення енергії в ЕП для режимів: неякісного електропостачання при якісному технічному стані АД, якісного електропостачання при неякісному технічному стані АД, неякісного електропостачання при неякісному технічному стані АД.

Дослідження режимів роботи АД при неякісній ЕЕ виконано для випадків несиметрії, несинусоїдності напруги живлення шляхом такого підбору значень параметрів моделі, які визначають величину кожного з показників та допустимі значення яких регламентовані ДСТУ 19103-97.

У вигляді залежностей означених показників якості перетворення енергії, результати моделювання режимів роботи АД серії 4А. При аналізі отриманих результатів неякісності для даного типу АД з боку мережі живлення слід зазначити деяке зниження інформативності кількісних оцінок показників якості перетворення енергії по фазах (АВС) і показника завантаження фаз струмом , але щодо інформативності показників перетворення моменту і погіршення віброхарактеристик значення яких змінюються в діапазоні 0…0,8 відповідно, простежується тенденція, що, зокрема, вказує на можливість виникнення електро-магнітної вібрації та виникнення аварійно небезпечного режиму роботи двигуна.

В другому розділі аналітично досліджені фільтри КП ЕЕ в ЕП з СП змінного струму. Підтверджено, що структура фільтрів, як і параметри їхніх елементів, визначені рівнем вимог ЕМС, якості електроенергії, специфікою ЕП.

Розроблена формалізація рівня вимог до електричних фільтрів, де:

- перший рівень вимог : якість ЕЕ (несинусоїдність,коефіцієнт потужності та ін.) не регламентована, рекуперації немає, мережа, що живить, повинна бути захищена від індустріальних радіоперешкод частотою більше регламентованих 9…10 кГц (прийнято кГц), електроустаткування повинне бути захищене від імпульсів перенапруг у мережі й кабелі, що живить АД. Фільтри Г-подібні на вході й виході перетворювача;

- другий рівень вимог: наявність і жорсткість вимог першого рівня - якість ЕЕ - за узгодженням з «Замовником», можлива рекупепація ЕЕ в мережу змінного струму. Фільтри - на вході Т-подібний, на виході - Г-подібний, синусні фільтри - залежно від погоджених із «Замовником» потрібної якості ЕЕ та специфіки ЕП;

- третій рівень вимог: вимоги другого рівня, що відповідають стандартам. Фільтри - синусні.

Доведено, що за допомогою Г- і Т-подібних фільтрів можна сформувати синусоїдну напругу на АД, яка відповідає стандарту, однак, за рахунок недоцільно істотного, а нерідко навіть нереального збільшення їхніх параметрів. Так, забезпечення можливо при , тобто при збільшенні

LС в разів.

Більш раціональними уявляються схеми фільтрів на базі традиційних Г- і Т-подібних, доповнені високочастотними ланцюгами, настроєними на частоту модуляції, рівну частоті зрізу. У нашому випадку =8кГц. На рис. 4 наведена схема фільтра з паралельним -ланцюгом. АЧХ такого фільтра при

;

описується виразом (7):

(7)

де |U| =0 при ; при при і .

Проте, наявність «переходу» функції даного фільтру при =2,0 в нуль робить схему непридатною до застосування.

Розроблена та запропонована автором схема послідовно-складеного фільтра, АЧХ якого при

- описується виразом (8). При 2 модуль 0,0145, функція досягає максимуму при =2,61. Остання обставина робить послідовно-складений фільтр практично ідеальним для формування синусоїдної напруги на виході системи перетворення. У випадку застосування його на виході системи він по типу Т-подібної схеми доповнюється дроселем у ланцюзі .

Крім того, вхідний послідовно-складений фільтр сприяє підвищенню ефективності захисту системи від імпульсів перенапруги в мережі.

У третьому розділі виконані дослідження системи електропривода: «джерело - інвертор - фільтр - електричний двигун» на основі розроблених однофазної та трифазної моделей системи.

(8)

де при ; при при і .

Модель інвертора - однофазний міст на чотирьох ключах, номінальна частота основної складового =50Гц, частота модуляції 8кГц, метод ШІМ напруги - векторний симетричний однополярний - у діапазоні 0...60 ел. град., різнополярний при [60...120] ел. град.

У процесі комп'ютерного дослідження моделі системи отримані частотні характеристики поданих фільтрів, котрі ідеально збігаються з аналітичними виразами (7, 8).

В розділі, на основі синтезованої математичної моделі системи ЕП з АД, виконані дослідження і оцінка ефективності роботи запропонованого паралельно-складеного фільтра на якість енергії живлення: для випадків: «джерело-ШІМ-АД» та «джерело-ШІМ-фільтр-АД».

Встановлення фільтра на виході перетворювача неминуче призведе до зниження таких показників АД як пусковий та критичний моменти та через наявність увімкнених індуктивностей та ємностей перед статором АД. Причиною тому є падіння напруги на елементах фільтру, і, як наслідок, наруги живлення на затискачах АД. У цьому зв'язку важливим є дослідження статичних характеристик системи «перетворювач - фільтр - АД» та розробка законів управління, що забезпечать стабільність заданих навантажувальних характеристик ЕП.

Компенсація такого зниження традиційно виконується засобами системи керування, шляхом коректування закону управління. Одним з найбільш відомих принципів коректування є IR-компенсація - компенсація падіння напруги на активному опорі статора АД.

Для здійснення компенсації “IR” до напруги, сформованої у відповідності до закону управління, додається добавка , і ця добавка знижується зі збільшенням частоти комутації перетворювача.

Однак, такий підхід не забезпечує компенсацію зменшення перенавантажувальної здатності двигуна через збільшення індуктивності короткого замикання статорного ланцюга. Доведено, що в цьому випадку доцільний інший тип компенсації - L-компенсація.

Наприклад, у найпростішому випадку, для закону збереження сталості перенавантажувальної здатності з урахуванням компенсації падіння напруги на елементах фільтру, закон управління буде мати вигляд:

,

де:

;

;

- сумарна індуктивність фільтру і короткого замикання двигуна.

Відзначимо, що застосування L-компенсації не виключає використання IR-компенсації. Більш того, сумісне використання способів «IR» та «L» компенсації забезпечує збільшення напруги на затискачах статора АД та сталість перенавантажувальної здатності при зниженні частоти модуляції напруги його живлення.

У роботі розглянуті питання живлення АД від інвертора зі складеним фільтром та виконані дослідження динамічних властивостей системи «інвертор-фільтр» для оцінки зміни форм напруги, струму та їх гармонійного складу. Постановка питання таких досліджень обумовлена тим, що реактивні елементи фільтру можуть вносити різного роду запізнення, які підлягають компенсації засобами системи розширення функції управління перетворювачем.

Для передаточної функції фільтру:

отримано рівняння перехідної характеристики у вигляді:

,

Де

; ; ; .

Встановлено, що наявність експоненціальної складової неминуче призводить до затягуванння перехідного процесу зміни напруги протягом кожного імпульсу комутації, а наявність сталої часу призводить до затягування перехідного процесу пуску АД. При цьому, час першого узгодження при частоті 50 Гц: без фільтру ; з фільтром ; при частоті 40 Гц: без фільтру ; з фільтром . Одночасно спостерігається зниження критичного моменту АД на 8% для частот 50 і 40 Гц.

Зниження такого впливу фільтра на динамічні характеристики АД може бути виконано при використанні L-компенсації. З її введенням зниження критичного моменту АД складає 0,01%, а час першого узгодження , тобто запізнення знижено на 56%.

Для аналізу перехідних режимів в структурі ЕП за умови функціонування АД у разі підключення його до СП «довгою» кабельною лінією проведені дослідження на основі моделі, що складається із диференційних рівнянь у часткових похідних, так званих хвильових рівнянь, та їх різновидом методом кінцевих елементів, коли кабельна лінія поділяється на кінцеве число інтервалів рівної довжини, що відповідає ланцюговому з'єднанню - чотириполюсників.

Для -го чотириполюсника рівняння струму і напруги для будуть мати вигляд:

електропривод перетворення змінний струм

(9)

де: - питомі параметри лінії; , - еквівалентні активний опір і індуктивність АД, що залежать від ковзання.

Як показують результати дослідження, при живленні АД від КП напруги живлення з ШІМ з кабельною лінією довжиною більшою ніж 20 м, виникають небажані сплески перенапруги, які майже в 2 рази перевищують номінальну з резонансними частотами, кратними частоті модуляції. Застосування запропонованого фільтру дозволяє уникнути вказаних сплесків перенапруги. Максимальні значення амплітудних складових змінюються для напруги живлення АД у 8,6 разів, для струмів статора АД в 5 і 2,5 рази в режимі х.х. і під навантаженням відповідно, для моменту на валу АД в 5,3 рази.

Доведено, що наявність в системі ЕП розробленого фільтра знижує несинусоїдність напруги живлення () АД до гранично допустимого значення - за ГОСТ 19103-97, а розрахункові значення коефіцієнтів несинусоїдності струму () зменшуються у 3 рази. Це означає, що зменшуються додаткові втрати активної потужності і додатковий нагрів обмоток статора АД.

Показано, що, зумовлені несинусоїдністю ЕЕ, додаткові втрати та додатковий нагрів обмоток статора зменшуються в 12,8 і в 13 разів відповідно, а відносне значення тривалості життя ізоляції збільшується в 2 рази.

У четвертому розділі наведені дані розробки макетного зразка ЕП змінного струму та результати його випробувань на стенді. Показана відповідність отриманих результатів теоретичним викладкам. Різниця між теоретичними та експериментальними значеннями не перевищує 1,7…2,1%.

висновки

В дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів при їх систематизації розв'язано актуальну науково-прикладну задачу підвищення електроенергетичної ефективності електроприводів змінного струму з покращеною електромагнітною сумісністю з живильною мережею та навантаженням.

Запропонований підхід та результати, дозволяючи максимально реалізовувати потенціальні можливості регульованих видів електроприводів, на відміну від відомих підходів, реалізують досягнення необхідного рівня якості перетворення електричної енергії в електротехнічних комплексах шляхом застосування принципу дуальної побудови контура перетворення електричної енергії з фільтрокомпенсуючими пристроями.

Дослідження, виконані в дисертаційній роботі дозволяють сформулювати наступні висновки:

1. Оцінено тенденції та обґрунтовано напрямок розвитку промислових електроприводів змінного струму, що відповідають сучасним вимогам забезпечення відповідним стандартам якості перетвореної електричної енергії, рекуперації її в живильну мережу, високого коефіцієнта потужності, синусоїдної форми струму й напруги (електромагнітної сумісності). Підтверджена й доповнена обґрунтуванням необхідність і ефективність комплексного підходу до створення електромеханічних комплексів - електроприводів. Сформульовано узагальнені принципи будови архітектур промислових електроприводів змінного струму, що дозволило рекомендувати отримані методологічні й технологічні аспекти для створення високоефективних симетричних структур перетворення електричної енергії в електротехнічних системах.

2. Установлено, що показники якості перетворення електричної енергії, впливаючи на процеси функціонування електроприводів, є інформативними показниками (параметрами) зміни режимів роботи АД й рекомендуються для застосування по підвищенню ефективності електроприводів шляхом реалізації відповідних функцій поліпшення електромагнітної сумісності із живильною мережею на основі енергетичних показників, у якості яких виступають інтегровані значення струмів фаз, потужностей і електромагнітного моменту електричного двигуна.

3. Отримані залежності між якістю перетворення електричної енергії в електроприводі змінного струму з контуром імпульсного перетворення напруги живлення асинхронного двигуна й режимами їхнього функціонування дозволяють доповнювати рекомендації з рівня припустимих і можливих відхилень перетворених ШІМ форм кривих струму й напруги від синусоїдних.

4. Запропонована формалізація рівнів вимог і їхньої відповідності умовам електромагнітної сумісності перетворювальних контурів із живильною мережею й навантаженням електроприводів дозволяє оцінити ступінь відповідності типу фільтрокомпенсуючих пристроїв заданим параметрам фільтрації, а застосування принципу дуальності при формуванні їхньої структури, реалізуючи бажану однаковість останніх для "вхідного" і "вихідного" варіантів будови, дозволяють максимально підвищити технологічність електротехнічного комплексу вцілому.

5. У розвиток теорії аналізу й синтезу структур електричних фільтрів запропонована комбінація структури електричного фільтра, складеного із Г- або Т-подібної n-коливальної ланки, настроєної на частоту модуляції, що дозволяє формувати синусоїдну форму кривої напруги із ШІ-модульованого.

6. Встановлені вимоги до рівня коефіцієнтів фільтрації синусних фільтрів перетворювальних контурів електроприводів змінного струму з ШІМ напруги живлення АД згідно необхідного рівня зниження коефіцієнту несинусоїдальності кривої напруги з 0,333 до 0,05 необхідного по стандарту при однополярній модуляції і до 0,1 - при різнополярній.

7. Встановлені рівні та запропонований закон компенсації взаємовпливу складових параметрів АД на фільтруючі характеристики вихідних фільтрів електроприводів змінного струму.

8. Запропоновано частоту модуляції вхідної напруги інвертора контуру перетворення симетричного електропривода приймати рівною мінімально припустимій за стандартом частоти індустріальної радіоперешкоди, що дозволило уніфікувати елементи фільтрів різного призначення.

9. Запропоновано спосіб і пристрій контролю роботи елементів, що захищають контур перетворення електричної енергії електропривода від перенапруг, що дозволили підвищити надійність комплексу вцілому. Суть пропозиції полягає у введенні в ланцюг обмежників напруги датчика струму, за сигналом якого система керування відключає електропривод і локалізує в початковій стадії момент виникнення аварійного режиму.

10. Розроблена й досліджена математична модель системи електроприводу "джерело - IGВТ-інвертор - фільтр - двигун", що дозволяє визначити вплив параметрів елементів схеми при їх структурно-параметричних варіаціях на характеристики електротехнічної системи.

Показано, що використання в системі електроприводу розробленого фільтра дозволяє прогнозувати зниження додаткових втрат в АД в 12,8 рази, перегрів додаткових обмоток - в 13 разів, а відносне значення "тривалості життя" ізоляції двигуна збільшити в 2 рази.

11. Виготовлено й експериментально досліджено натурний макет електроприводу. Випробування підтвердили практично ідеальний збіг результатів аналітичних, комп'ютерних і експериментальних досліджень:

- криві напруги на затискачах АД при =40 Гц є фактично ідеальними синусоїдами;

- коливання, що виникають при 90 і 150 ел. град, на кривій напруги не перебувають у прямому зв'язку із частотою модуляції =8 кГц, оскільки мають частоту =2 кГц, що збігається із частотою власних коливань контуру, утвореного вхідними, вихідними й проміжними ємностями й індуктивностями. Коливання ілюструють перехідний процес, викликаний зміною алгоритму модуляції із двоімпульсної на одноімпульсну при 90 ел. град, і навпаки при 150 ел. град.;

- на вході електроприводу криві напруги також близькі до синусоїди, - значення третьої гармоніки в кривій напруги не перевищували 3…4%, п'ятої 1,5…2,0%.

12. Впровадження розроблених на основі висновків та рекомендацій дисертаційної роботи комплексів електроприводів дозволило, за оцінками розробників, очікувати економічний ефект 650000 грн. на один комплект електроприводів потужністю до 800 кВт, зі збільшенням потужності ЕП очікується збільшення ефекту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Луговой А.В., Полищук П.И., Пасько О.В., Удовенко О.А. Тактика превентивного подхода к вибору архитектуры строения систем электроприводов переменного тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2007. -Вип.2/2007 (43). Частина 2, с. 33-37.

2. Полищук П.И. Электропривод переменного тока с симметричной системой преобразования частоты. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2007. - Вип. №4/2007 (45). Частина 1, с.36-41.

3. Луговой А.В., Полищук П.И. Симметричная система преобразования частоты тока в электроприводах с улучшенной электромагнитной совместимостью // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ, 2006. - Вип.6/2006 (41). Частина 2, с.6-9.

4. Полищук П.И. Электропривод переменного тока с IGВТ-транзисторным преобразователем // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2007. - Вип. 1/2007 (42). Частина 1, с.14-18.

5. Поліщук П.І., Лашко Ю.В. Якість перетворення електричної енергії і режими функціонування асинхронних двигунів в електроприводі змінного струму. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. -Кременчук: КДПУ, 2007. - Вип. 4/2007 (45) Частина 2, с.13-18.

6. Полищук П.И, Чернышев А.А. Система преобразования переменного тока с улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. Частина 4, К.: 2007. с. 105 - 108.

7. Черный А.П., Полищук П.И., Воробейчик О.С. Анализ статистических характеристик частотно-регулируемого электропривода с фильтром на выходе инвертора // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: 2007. - Випуск 1/2007. Частина 2, с. 6-9.

8. Полищук П.И. Входной фильтр инвертора с ШИМ напряжения, формирующий синусоидальное напряжение на нагрузке // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: 2006. - Вип. 6/2006 (41) Частина 1, с. 11-14.

9. Синчук О.Н., Полищук П.И., Пасько О.В. Защита системы преобразования переменного тока в электроприводах от импульсных напряжений. // Труды международной четырнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007, с.65-68.

10. Синчук О.Н., Полищук П.И., Черный А.П., Пасько О.В. Исследование процессов и разработка алгоритмов управлення преобразованием энергии в асинхронном тяговом электроприводе с преобразованием частоты регулирования напряжения питания. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: 2006. - Випуск 3/2006 (38). Частина 2, с. 17-20.

11. Синчук О.Н., Полищук П.И. Схемы защиты от импульсных напряжений системы преобразования переменного тока в промышленных электровозах. // Електротехніка та електроенергетика, №2, 2006, с. 5 - 8.

12. Полищук П.И. К проблеме анализа выходного ШИМ напряжения IGВТ-инвертора. // Технічна електродинаміка. Науково-прикладний журнал. Тематичний випуск. Силова електроніка та електроефективність. Частина 3. К.: Інститут електродинаміки НАН України, 2006, с. 19-22.

13. Синчук О.Н., Синолицый А.Ф., Пасько О.В., Полищук П.И. Зависимость частоты ШИМ инвертора напряжения от допустимой пульсации тока тягового асинхронного двигателя. // Технічна електродинаміка. Науково-прикладний журнал. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. Частина 5, К.: 2006, с. 47-48.

14. Сінчук О.М., Сінолиций А.П, Пасько О.В., Поліщук П.І. Керування процесами перетворення енергії в тяговому електроприводі змінного струму з асинхронними двигунами за несиметричних режимів роботи // «Електроінформ» №2, 2006, с. 8-10.

15. Синчук О.Н., Синолиций А.Ф., Шевченко В.В., Пасько О.В., Поліщук П.И. Разработка алгоритмов ШИМ управлення преобразователем для тягового электропривода переменного тока. // Українська державна академія залізничного транспорту. Збірник наукових праць. Випуск 72, Харків 2006, с.109-115.

16. Пасько О.В., Полищук П.И., Моделирование электромагнитных процессов в тяговых приводах переменного тока с инверторами напряжения // Вісник Східноукраїнського національного університету ім.. Володимира Даля. (Технічні науки). Серія транспорт 2. - Луганськ: 2006. - Вип. 8(102), с. 67-72.

17. Полищук П.И. Электропривод переменного тока с IGВТ - транзисторным преобразователем: электромагнитная совместимость и качество электроэнергии. // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. (Технічні науки). Тематичний випуск. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2007, с.403-406.

18. Поліщук П.І. Інвертор. Патент України на корисну модель. №24262.(21) U200701154., (22) 05.02.2007., (24) 25.06.2007., (46) 25.06.2007, Бюл. №9, 2007р.

АНОТАЦІЯ

Поліщук П.І. Асинхронний електропривод з покращеними показниками електромагнітної сумісності у контурах перетворення електричної енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, Кременчук, 2008.

Дисертаційна робота присвячена створенню високоефективної симетричної системи перетворення електричної енергії в електроприводах змінного струму з покращеною електромагнітною сумісністю з живильною мережею й навантаженням та необхідним рівнем якості електричної енергії.

Проаналізовані тенденції розвитку електропривода, акцентовано на необхідність забезпечення сучасним вимогам - рівень електромагнітної сумісності, якість електроенергії, можливість рекуперації електроенергії в живильну мережу, високий коефіцієнт потужності і т.п. Оцінено перспективний напрямок розвитку електропривода - на базі симетричного контура перетворення електричної енергії, що містить уніфіковані вхідні й вихідний IGВТ-транзисторні інвертори та фільтрокомпенсуючі пристрої.

Запропоновано використати принцип симетрування при розробці силової схеми електропривода, що дозволило сконструювати універсальну електроенергоефективну архітектуру системи електроприводу.

Проведені дослідження електромагнітних процесів електроприводів дозволили розробити алгоритм керування комплексом.

Виготовлений й експериментально досліджений натурний макет електропривода. Випробування підтвердили практично ідеальний збіг результатів аналітичних, комп'ютерних і експериментальних досліджень.

Надані рекомендації із впровадження результатів досліджень у практику створення високоефективних промислових електроприводів.

Ключові слова: електропривод змінного струму, електромагнітна сумісність, якість електроенергії, електричні фільтри.

АННОТАЦИЯ

Полищук П.И. Асинхронный электропривод с улучшенными показателями электромагнитной совместимости в контурах преобразования электрической энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Кременчугский государственный политехнический университет имени Михаила Остроградского, Кременчуг, 2008.

Диссертационная работа посвящена созданию высокоэффективной симметричной системы преобразования электрической энергии в электроприводах переменного тока с улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой и требуемым качеством электрической энергии.

Проанализированы тенденции развития электропривода, акцентировано внимание на необходимости обеспечения реализации современных требований - обеспечение электромагнитной совместимости и качества электроэнергии, соответствующих стандартам, рекуперации электроэнергии в питающую сеть, высокого коэффициента мощности, синусоидальной формы кривых токов и напряжений. Оценено перспективное направление развития электропривода на базе универсального симметричного преобразователя частоты, содержащего унифицированный входной и выходной IGВТ-транзисторные инверторы.

Предложено использовать принцип симметрирования при разработке силовой схемы электропривода, что позволило сконструировать универсальную архитектуру системы, отвечающую многообразию требований электромагнитной совместимости, качества электроэнергии и надежности.

Разработана классификация требований электромагнитной совместимости и качества электроэнергии, устанавливающая соответствие типа фильтра заданному уровню требований, что позволяет оценить степень соответствия типа фильтрокомпенсирующих устройств заданным параметрам фильтрации, а применение принципа дуальности при формировании их структуры, реализуя желаемое единообразие последних для «входного» и «выходного» вариантов строения, позволяют максимально повысить технологичность электротехнического комплекса вцелом.

В развитие теории анализа и синтеза структур фильтров предложена комбинация структуры электрического фильтра, составленного из традиционного Г- или Т-образного n-колебательного звена, настроенного на частоту модуляции, позволяющего формировать синусоидальную форму кривой напряжения из ШИ-модулированного.

Выполнен гармонический анализ ШИМ напряжения, на основании которого определены наиболее тяжелые условия, исходные для расчета параметров фильтра. В результате аналитических исследований системы установлены оптимальные соотношения параметров элементов фильтров. Предложено частоту модуляции выходного напряжения инвертора принимать равной минимально допустимой по стандарту частоте индустриальной радио-помехи, что позволило унифицировать элементы фильтров различного назначения, обеспечить высокую технологичность устройства. Разработана и исследована математическая модель системы «источник - IGВТ-инвертор - фильтр - двигатель», позволившая определить влияние параметров элементов схемы при их вариациях на характеристики системы и подтвердить выбор оптимальных, установленных аналитически.

Показано, что использование в системе электропривода разработанного фильтра позволяет снизить дополнительные потери в АД в 12,8 раза, перегрев дополнительных обмоток - в 13 раз, а относительное значение «продолжительности жизни» изоляции двигателя увеличить в 2 раза.

Изготовлен и экспериментально исследован натурный макет электропривода. Испытания подтвердили практически идеальное совпадение результатов аналитических, компьютерных и экспериментальных исследований.

Даны рекомендации по внедрению результатов исследований в практику создания высокоэффективных промышленных электроприводов.

Ключевые слова: электропривод переменного тока, электромагнитная совместимость, качество электроэнергии, электрические фильтры.

THE SUMMARY

Polishchuk P.I. The asynchronous electric drive with the improved parameters of electromagnetic compatibility in contours of transformation of electric energy. - Manuscript.

The thesis for the degree of Cand.idate of Sciense in the a speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - Kremenchuk Mykhaylo Ostrogradskiy State Polytechnic Univecity

Dissertational work is devoted to creation of highly effective symmetric system of transformation of electric energy in electric drives of an alternating current with the improved electromagnetic compatibility with a nutritious network and loading and electric energy providing high quality by development of the theory and practice of synthesis of electric filters.

Tendencies of development of the electric drive of the alternating current, meeting modern to requirements, - maintenance of electromagnetic compatibility and quality of the electric power, corresponding standards, recuperation the electric power in a power line, high factor of power, the sine wave form of currents and voltage are analysed. The perspective direction of development of the electric drive - on the basis of the universal symmetric converter of the frequency containing unified entrance and target IGB-transistor inverters is estimated.

Classification of requirements of electromagnetic compatibility and quality of the electric power, establishing conformity of type of the filter optimum to the set level of complexity of requirements is developed.

It is offered to use a principle of balancing by development of the power scheme of the electric drive as a whole, that has allowed to design the universal architecture of system adequating to variety of requirements of electromagnetic compatibility, quality of the electric power and reliability. By a principle of symmetry, uniform schemes are developed for entrance and target filters.

The natural breadboard model of the electric drive by power of 7 kw on the test bed is produced and experimentally investigated. Tests have confirmed practically ideal concurrence of results analytical, computer and experimental researches.

Recommendations on introduction of results of researches in practice of creation of highly effective industrial electric drives are given.

Key words: the electric drive of an alternating current, electromagnetic compatibility, quality of the electric power, electric filters.

ПОЛІЩУК ПЕТРО ІВАНОВИЧ

Асинхронний електропривод з покращеними показниками електромагнітної сумісності у контурах перетворення електричної енергії

(Автореферат)

Підписано до друку «____»_____________2008 р. Формат 30x42/4.

Папір офсетний.

Обсяг 0,9 авт. аркуша. Наклад 100 прим. Замовлення № ____

Видавничий відділ КДПУ імені Михайла Остроградського

39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20

Размещено на Allbest.ru