Обеспечение электромеханической совместимости в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах при регулировании частоты ШИМ

П ри ра боте полу п ров одн ик ов ых пре обра зов ателей (ПП) с ов м е с тно с эле ктриче ским и м а ш и нами в напряж ен ия х и тока х в оз ни ка ют иска ж ен ия, о б ус л овл енные ком му та ц ией полу пров од н иков ы х приборов [1]. Эти ис ка ж ен ия в ыз ыв ают до полн ител ь ные поте ри э не рги и в п ров одн иках и м аг ни топров ода х , пр ив одя т к пов ы ше ни ю п у л ьс ац ий э л е ктрома гн ит ного м о м е нта , у ве л ичени ю уровня в озду шн ого ш ум а и появл ен и ю в и браци й, проявлению ре зон а н сов, ус коре н ном у с та рени ю из ол я ц ии обмоток, с окра ще ни ю с рок а с лу жбы и т. д. Таким о б ра зом , ис ка ж е н ия прив од ят к сн иж ени ю п оказател ей эл ектром а гни тно й и эл е ктром е х аниче ской совместимости [2–4].

И з в е с тны сх е м ные м е тоды борьбы с ис ка жени ям и напряж ени й и токов ПП. В в ыс оков ол ьтн ых системах используютс я много уровне в ы е ПП, в мощн ы х н из ков ол ь тны х с исте м а х – многотактные П П; , пр и м ен яю тся дрос с е ли, с и н у с ные фи л ьтры, др уг ие т и пы фи л ьтров [5]. У ка з а н ные ре ше н ия поз в ол яю т с уще ств енно у лу чши ть с ов м е с тим ос ть П П с А Д и др уг им и эл е м ен та м и с исте м , но приводят к усло жнени ю си с те м , ув ел ичен ию их сто имости.

Известны методы улучшения качества выходного напряжения ПП средствами управления. Один из методов заключается в повышении частоты ШИМ. Это позволяет уменьшить амплитуду пульсаций токов и снизить потери энергии в машинах [6–9], но увеличивает потери в ПП. В трехфазных автономных инверторах напряжения (АИН) для улучшения гармонического состава выходного напряжения и уменьшения напряжения звена постоянного тока в напряжения управления вводятся составляющие нулевой последовательности [5]. Аналогичные результаты достигаются при реализации векторной ШИМ [10, 11]. Известны и другие варианты реализации ШИМ в ПП.

В данной публикации рассмотрен алгоритм управления АИН на примере тягового электропривода самосвалов БелАз грузоподъемностью 136 т. Привод содержит АД и АИН. Результаты анализа привода при постоянной частоте ШИМ в АИН опубликованы в [8]. Приведенные ниже исследования отличаются тем, что частота ШИМ переменная.

Схема, модель и параметры тягового привода

Схема транзисторного преобразователя с АД, представленная на рис. 1, содержит АИН и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ТАД-5.

Рис. 1. Схема транзисторного преобразователя с АД

Для упр о щ е ни я р а сч ет ов, в с вя з и с от с ут с твием вл ия ния в ход н ог о п р ео б р аз о ват е л я н а выхо дн о й , п ер в и чн ый п р ео б р азователь н е р а ссмат ривается и п р ед с т ав л ен зве н о м п о ст оянн о г о т ок а. Инвер т о р пи т ае т с я о т и ст о чни ка п о с то я нн о г о нап ря ж ения e a c индуктивностью L a , а кт и в н ы м соп р о ти в ле ни ем R a и током i_a . На пряж е н ие п ит а ни я А И Н 1000 В. Ис сл е дов ани я в ыпо л н е н ы пр и н ом и на л ьн ых па р аметрах двигателя, указанных в [ 8 ]: напряжение питания 660 В, 29 Г ц , мощн ость 625 кВт, коэффи циент м ощнос т и 0, 839, скол ьж е н ие 1, 25 %, индуктивность рассеяния статора 0,2139 мГн, индуктивность намагничивания 6,4215 мГн , и нд у к ти в ность рассеяния ротора 0,0963 мГн, акт ивное с опроти вление статора 9,6484 м О м , а кти в ное с опрот ивление ротора 5,8475 мОм, КПД = 0, 94, ин д у кт и в нос ть с г л а жив а ю ще го дрос с е л я 220 мкГн, емкость фильтрового конденсатора 20 мФ.

Для рассматриваемой схемы преобразователя и двигателя разработана компьютерная модель привода в MatLab-Simulink, представленная на рис. 2 и 3. Изменение параметров Т-образной схемы замещения компьютерной модели АД не учитывается. Сопротивления обмоток приняты для нагретого состояния двигателя. Адекватностью предложенной модели может служить сравнение ее с другими моделями. Такие сравнения осуществлялись и представлены в [8]. Модель электропривода содержит: источник питания, представленный звеном постоянного тока (ЗПТ); автономный инвертор напряжения (АИН), содержащий трехфазный транзисторный мост по схеме Ларионова, систему управления инвертором (СУ), формирующую импульсы управления (VT1…VT6) транзисторами (К1…К6), блок задания (БЗ), формирующий управляющие напряжения Uу = х]3Uф/Udc (о.е) и реализующий частотный закон управления для данного типа нагрузки; асинхронный двигатель (АД); датчики напряжения и тока (Uab, Ia); блок

Рис. 2. Схема модели привода с АИН и АД

Рис. 3. Схема блока АИН

р е а л из а ц и и в ент иляторной н агр узки (ВН), на вх од которого поступ а е т с иг на л ча с тоты в ра ще н ия (w, р а д / с ) , а на в ых оде ра с с читыв а е тс я з а дание м ом ента сопротивления (Tm, Н∙м).

Для п о в ы ш е ни я э ф ф е кт ив н ости и с п оль зо в ания входн о г о н а п р яже ни я А И Н в н а п р яже ни я упр ав лени я в н о с я т с я со ст а в ляю щие нуле вой п о с лед ов ательности [5 ] . О соб е нн о ст ь СУ ин верт о р а за к л ю ч ает ся в и сп оль зовании п ер е менн о й ч ас т о т ы Ш И М . И змен е ни е ч ас т о т ы о п о рн ог о н ап ря ж ения Ш И М о су щест вл я ется п о с ледующи м ф о р мулам:

есл и f оп <  f min , то k = 1;

есл и f on >  f max , ^то k = ^— 1; f ' = 2 D^; T v ar = 1/ f ^ ; f on = f on, t + k • f '-A t ;

f min    f o п_ср

—

A f   ;

max

f =f    +Af  , max оп_ср max где k – коэффициент, определяющий знак

произ-

в одной из м ене н ия ча ст оты опорн ого на пряж ени я; f оп – ча с тота опо рного н ап ряж е н и я на тек у ще м шаге расчетов, Гц; f оп, t – ч ас тота опорного на пр яжения на предыдущем шаге, Г ц ; f оп_ср – средняя

частота опорного напряжения, Г ц ; Δ f max

–

макси-

ма л ьное от кл онен ие ча с тот ы от с ре д не го з на ч е-

ния, Гц; f ’

–

произ в одна я из м е не н ия час тоты

опорного напряжения, Гц/с; D – диа па з он из м енения частоты, Гц; T _var – пе риод из м ен е н и я ча с тоты опорного напряжени я в д и а па з оне D , с; Δ t – шаг интегрирования, с.

Расчеты электромагнитных процессовв системе с ШИМ-инвертором

На компьютерной модели привода исследовано влияние амплитуд высших гармоник выходных напряжений и токов АИН на пульсации электромагнитного момента АД при постоянной и переменной частоте ШИМ.

Расчеты выполнены при постоянной частоте ШИМ 2000 Гц, а также при переменной частоте ШИМ в диапазоне 1500–2500 Гц при различных значениях периода ( T _var = 1/ f _var ) изменения частоты опорного напряжения в заданном диапазоне. Результаты расчета установившегося режима работы привода при переменной частоте ШИМ представлены на рис. 4, при f _var = 70 Гц.

Как видно из рис. 4, частота ШИМ на каждом шаге работы системы линейно возрастает, а при достижении уровня 2,5 кГц происходит ее снижение до уровня 1,5 кГц. Это отражается на форме опорного напряжения, а также на амплитуде высокочастотных пульсаций в электромагнитном моменте и токах фаз на выходе АИН. Изменение частоты опорного напряжения не влияет на форму основной гармоники напряжений, токов и электромагнитного момента электропривода.

Известно, что при использовании переменной частоты ШИМ высшие гармоники напряжений и токов на частотах кратных частоте ШИМ (2, 4, 8, 12 кГц), преобразуются в широкий спектр гармоник со сравнительно малыми амплитудными значениями [1, 10]. Расчеты подтвердили данное утверждение и показали уменьшение амплитуды

Рис. 4. Напряжения, токи и электромагнитный момент АД при переменной частоте ШИМ

наибольшей гармоники с 15до 2,5 % от основной со с т авл яющей д ля н ап ря ж е н и я и с 2 до 0,5 % для тока.

На рис. 5 представлены спе к тр ал ьн ые сост ав ы э ле к т р ом аг нитно г о мом ен та А Д , по лученные п ри постоянной и переменно й част от ах Ш ИМ, от об раж ающ ие сн и ж е н и е ам п л итуд высоко ч а ст о тн ы х г армон ик в э лек т р ом аг нитн о м м о мент е А Д .

Р ассм ат ри в аем ый ал г о ри тм уп рав л ения АИН с ис п оль зован и ем пер е менной част от ы Ш ИМ позволя ет улу ч шит ь ус ло ви я р або ты А Д и дру г и х силовых элементов, вход ящ и х в со став э ле кт р оп ри в о да. В ч аст н ости, у м е н ь шени е в ысш и х г ар мон и к т о ко в по зволя ет сн из и ть ур о в ни п ул ь са ц и й э ле к т р ом аг нитно г о моме н т а АД и ви б раций др о сселя ориентировочно в 6–17 раз.

Диапазон изменения частоты опорного напряжения выбирался из условия допустимых потерь в силовых транзисторах АИН и в АД [5, 8]. Также от этого диапазона зависит уровень амплитуд высших гармонических составляющих в электромагнитном моменте на частотах ШИМ и кратных ей. Увеличение диапазона частот, в котором изменяется частота опорного напряжения, приводит к уменьшению уровня амплитуд высших гар- моник, в связи с их непрерывным распределением по частотам в заданном диапазоне с меньшим уровнем.

В результате проведенных исследований выявлен частотный резонанс, возникающий в случае совпадения частоты f _var и частоты питающих двигатель токов, который приводит к сильному увеличению пульсаций электромагнитного момента. На рис. 6, а представлены зависимости коэффициента искажения электромагнитного момента, а на рис. 6, б зависимости амплитуды гармоники на частоте f var , вносимой в электромагнитный момент, от частоты f _var.

На рис. 6 приняты следующие обозначения: для зависимостей при переменной частоте ШИМ: 1 – полученные при расчете управляющих напряжений один раз за период ШИМ, 2 – полученные при расчете управляющих напряжений два раза за период ШИМ; 3 – зависимость, полученная при постоянной частоте ШИМ.

Основное искажение в электромагнитный момент АД вносит амплитуда гармонической составляющей на частоте f var , создаваемая переменной частотой ШИМ. На рис. 6, б представлены зависимости амплитуды этой гармоники от частоты f _var.

У van Г11                                                  У var, Гц

а)                                                                     б)

Рис. 6. Зависимости коэффициента искажения электромагнитного момента АД (а) и амплитуды гармоники на частоте f _var , вносимой в электромагнитный момент (б), от частоты f _var

а)                                                                   б)

Рис. 7. Зависимости потерь энергии в активных сопротивлениях статора (а) и ротора (б) от изменения частоты опорного напряжения ШИМ

П о д ан ным з а висим ос тям м ож но с де л ать в ывод, что при приближении частоты f _var к частоте питающих двигатель токов – а м пл и т у да га рм оник и на этой ча с тоте , в нос им ая в эл е ктром а гни тны й мом е нт, ре з ко в оз ра с та е т, что прив од ит к зна чител ь ному ув ел ичен ию п у льс а ци й эл е к тром а гнитного момента и, как следстви е , к у в е личе н ию е го коэффициента искажения (рис. 6 , а). Задание частоты f var вд в ое бол ь ше ча с тоты п ита ю щи х д в иг ател ь то ков , поз в оляе т из бе ж а ть в оз н ик нов е н ия частотного резонанса.

В процессе исследований было выявлено, чт о ф о рми р о ван и е у п р ав ля ю щ их н ап ряжен ий с ту п ен ч ат о й фу нк ци ей с д ли т е льн о ст ь ю ст уп ен и равн о й п о ло ви н е д л и т ельно ст и т акт а Ш И М поз во ля ет сн и зи т ь ампли туду г ар мо н и ч еск о й составляющей на частоте f var в э лек т р о маг н и т н о м моменте, вносящую в него с ущест венн ы е и ск аж ен и я , о р и ен т и р о во ч н о в 2 раз а ( зави си мо ст ь 2 рис. 6, б) и , к ак след ст ви е, у мень ши т ь пуль сац ии м о м ен т а в со о т вет ст в у ю ще м э к ви вален т е ( зависимость 2 рис. 6, а).

Дл я оц е н ки п оте рь эне рг ии в а к ти в ны х с опр отивл е н ия х об м оток с та тора и ротора двигателя ТАД- 5 п ри из м е нени и ча ст оты опорног о н а пряжени я в ып олне ны ра с че ты ном инал ьного ре жим а р а б оты д л я дву х в а р иа н тов форм иров а ния у пра вл яющ их н ап ряжен и й (1 и 2). Р е з у л ьтаты пре дс тавленные на рис. 7 (обозначения за вис им ос тей а н алогичны рис. 6), показыв а ют у в е личе н ие поте рь э н ерги и в акт ивных с опрот ивл е н ия х обм оток с татора и ротора в з оне ча стотн ого ре з она нс а на 7, 5 % (для зависимостей 1) и на 2,25 % (д л я з а в исим осте й 2) по отноше ни ю к з а в исим ос тям 3. При задании частоты f _var в д в ое б ол ьше ча с тоты пи тающ и х двига тел ь ток о в, п оте ри с н иж а ю тся д о уров н я 0,6 и 0,4 % по отноше н ию к з а в ис им ос т ям 3.

Заключение

Результаты представленных исследований показывают, что рассмотренный способ управления АИН при изменении частоты ШИМ в заданных пределах с заданной периодичностью позволяет уменьшить амплитуды высших гармоник напряжений, токов и электромагнитного момента АД ориентировочно в 6–17 раз при распределении характерных гармоник по широкому спектру частот, тем самым обеспечивая снижение вибраций электропривода.

В данной публикации рассматривался алгоритм формирования напряжения АИН с переменной частотой ШИМ и его влияние на АД без системы управления выходными координатами АД. Было выявлено положительное и отрицательное влияние данного алгоритма на АД, в частности улучшение показателей электромагнитной и электромеханической совместимости, а также возможности возникновения частотного резонанса, приводящего к увеличению пульсаций электромагнитного момента АД. Предполагается, что данные пульсации возможно скомпенсировать векторной системой управления АД. Расчет потерь энергии в активных сопротивлениях обмоток двигателя при переменной частоте ШИМ показал их увеличение в зоне частотного резонанса на 2,25 и 0,4 % при задании частоты f _var вдвое больше частоты питающих двигатель токов по отношению к алгоритму с постоянной частотой ШИМ.