Резервирование электропитания в системах регулируемого электропривода переменного тока

EDN:

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет,

В настоящее время электрический привод является основным электротехническим комплексом в ряде технологических процессов в различных отраслях промышленности.

В регулируемых электроприводах переменного тока широкое распространение получили преобразователи частоты и векторные алгоритмы управления, в том числе в электроприводах на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами [1; 2].

Рабочие характеристики частотно-регулируемого электропривода зависят от качества питающего напряжения. Провалы и кратковременные прерывания напряжения вызывают переходные процессы в электрических машинах и преобразовательных устройствах и могут приводить к нарушению устойчивой работы электропривода [3; 4]. В связи с этим для ответственных технологических объектов актуально применение средств резервирования электропитания.

Основные области приводов переменного тока с резервным электропитанием от источника постоянного тока, использующие аккумуляторные батареи для обеспечения устойчивой работы – это установки по производству электроэнергии, нефтяная, газовая, химическая, добывающая и другие отрасли промышленности, где исчезновение напряжения питающей сети приводит к серьезным экономическим и другим последствиям [5].

Актуальность исследования определяется необходимостью обеспечить плавное и безударное переключение электропривода на резервный источник постоянного напряжения без частичного или полного останова технологического процесса. Данный подход к резервированию питания повышает надежность электрического привода в условиях работы с нестабильной питающей сетью.

Цель исследования – проведение компьютерного моделирования работы автоматизированного электропривода переменного тока при переключении звена постоянного тока преобразователя частоты с основной питающей сети к резервному источнику постоянного тока с применением повышающего DC-DC преобразователя.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Резервирование – способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких элементов1.

Вопросам резервирования питания регулируемых электроприводов, а также применению накопителей энергии и DC-DC-преобразователей в их силовых цепях посвящен ряд исследований [5–7]. Основной характеристикой структурного резервирования является кратность – отношение числа резервирующих элементов к основным и определяется соотношением:

m=n, где p – число резервных элементов;

n – число основных элементов.

• ¹    Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения : ГОСТ Р 27.102-2021 [Электронный ресурс]. Росстандарт : сайт. URL: https://protect.gost.ru/gost/details/03472a01-804b-48dc-80b1-f157c2efe819 (дата обращения: 17.08.2026).

Technical sciences                                                             367

Число m может принимать вид дробного числа, что означает резервирование элемента параллельным подключением резервных элементов, причем отказ которого произойдет, если из n элементов соединенных параллельно, работоспособными окажутся k элементов.

Указанные способы имеют ряд существенных недостатков. В настоящее время одним из способов обеспечения работы электропривода переменного тока от источника постоянного тока является подключение накопителя энергии к звену постоянного тока преобразователя частоты через DC-DC-преобразователь [6; 7].

В современных системах накопления энергии для согласования уровней напряжения и управления потоками мощности применяются двунаправленные DC-DC преобразователи различных структур [8–10]. Дополнительное повышение надежности преобразовательной части может быть обеспечено применением структур с резервированием силовых модулей или каскадов преобразователя [11]. Данные структуры электроприводов являются наиболее рациональным решением для приводов автономных и ответственных механизмов и будут рассмотрены в статье в качестве объекта исследования.

Однако, проблематика построения электроприводов с резервным питанием средней мощности, работающих по принципу горячего и теплого резервирования, на текущий момент рассмотрена не в полном объеме и является актуальной

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта моделирования выбран регулируемый электропривод на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами с двухзвенным преобразователем частоты мощностью 11 кВт, напряжением питания 0,4 кВ и номинальной скоростью 157 рад/с [1; 2]. Для выполнения переключения электропривода на резервный источник питания необходимо отследить провал или полное отключение сетевого напряжения.

Провал напряжения характеризуется временным снижением напряжения в определенной точке электрической системы ниже установленного порогового значения с последующим восстановлением напряжения. Для выявления провала напряжения в качестве порогового значения принимается уровень 0,9 относительно опорного напряжения2.В разработанной компьютерной модели порог срабатывания системы переключения принят равным 430 В линейного напряжения питающей сети. При снижении напряжения ниже указанного уровня на интервал времени более пяти периодов система формирует управляющее воздействие на переключение звена постоянного тока преобразователя частоты на резервный источник питания. Аварийный режим также возникает, когда питающее напряжение пропадает из-за обрывов на линиях электропередач, или иных причин. Для устойчивой идентификации просадки питающего напряжения была разработана модель системы переключения в специализированном программном пакете PSim, показанная на рисунке 1.

На данном рисунке показано содержимое подсхемы “Switching system” и подробно опи сана в пр едыдущем исследовании авторов [12].

• ²    Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 32144-2013 [Электронный ресурс]. Росстандарт : сайт. URL: https://protect.gost.ru/gost/details/198e3b90-1710-4ca8-ab15-c891d8012f39 (дата обращения: 17.08.2026).

368 Технические науки

Р и с . 1 . Модель системы переключения

F i g . 1 . Switching system model

Источник : здесь и далее в статье рисунки составлены авторами по результатам исследования. Изображения выполнены в программе PSim со специализированным программным пакетом.

Source : hereinafter in the article, the figures were created by the authors based on the research results. The figures were produced in the PSim program using a specialized software package.

Благодаря точной настройке уставки компаратора была достигнута стабильная выдача управляющего сигнала за время 2,5 мс после резкой пропажи сетевого напряжения.

Моделирование аварийной ситуации выполнено с помощью трех двухвходовых блоков MUX (рис. 2).

Р и с . 2 . Система моделирования аварии

F i g . 2 . Accident simulation system

Блоками MUX управляет генератор ступенчатого напряжения, в графе Tstep которого задается время имитации аварии.

В этой временной точке напряжение блока Step принимает уровень логической единицы, соответственно на выходы блоков MUX поступает сигнал со вторых входов, к которым подключен синусоидальный трехфазный источник, имеющий амплитуду 20 В. Благодаря такой системе можно моделировать аварийные режимы основного питающего напряжения (обрыв и просадка напряжения, несимметрия фаз).

Следующий фрагмент модели – система векторного управления электроприводом (рис. 3). Система векторного регулирования координат ориентирована по вращающейся системе dq, с возможностью инжекции третьей гармоники, данный метод рассмотрен в предыдущем исследовании авторов [12].

Так же, в модели реализованы блоки, задающие параметры «мертвого времени Dead time» для ключей выходного трехфазного автономного инвертора напряжения в составе двухзвенного преобразователя частоты. Данная система управления находится в подсхеме “Vector control system” [13].

Ри с. 3 . Векторная система регулирования координат

F i g . 3 . Vector coordinate control system

Система векторного управления имеет два «вложенных» контура в системе регулирования скорости, настроенных на симметричный оптимум.

Данная система обеспечивает поддержание скорости вала синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) не только в статических режимах работы, но и при динамических изменениях механических параметров на валу СДПМ.

Р и с . 4 . Управляющие импульсы одного канала векторной системы управления

F i g . 4 . Control pulses of one channel of the vector control system

Далее необходимо промоделировать режимы работы синхронного электропривода с векторным регулированием координат при возникновении аварийного режима и переходе на резервный источник питания.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для предложенной системы регулируемого электропривода (ЭП) с функцией горячего и теплого резервирования наиболее важным параметром является динамическая характеристика времени идентификации аварии и отклика системы управления на провалы напряжения или обрыв фазы [13].

Как видно из рисунка 5, система идентификации аварийного состояния и переключения на резервный источник постоянного тока выдала импульс управляющего воздействия за интервал времени 2,5 мс после возникновения аварийного режима.

Р и с . 5 . Переходные процессы фазного напряжения преобразователя и импульса при аварии F i g . 5 . Transient of phase voltage of the converter and pulse during an emergency

Система идентификация аварийного режима питающей сети и переключения на резервный источник питания показала хорошие динамические характеристики.

Время переходного процесса не превышает 0,0025 с.

Далее необходимо оценить провалы в координатах регулируемого электропривода при переключении на резервный источник питания с помощью повышающего преобразователя постоянного тока (ППТ). Переходные процессы угловой скорости ротора и электромагнитного момента приведены на рисунке 6.

Р и с . 6 . Переходные процессы скорости и электромагнитного момента СДПМ F i g . 6 . Transient processes of speed and electromagnetic torque of the PMSM

Переходный процесс угловой скорости ротора СДПМ при переключении на резервный источник питания заканчивается с просадкой не более 1 % относительно номинального значения в течение 0,01 с при величине статической ошибки не более 5 %.

Переходный процесс электромагнитного момента СДПМ имеет просадку не более 6 % от номинального и аналогичен по своим динамическим показателям.

Напряжение на LC-фильтре преобразователя частоты не превышает значения 535 В, что свидетельствует о полной работоспособности электротехнического комплекса при переходе на резервный источник питания при помощи повышающего ППТ.

Система управления повышающим ППТ стабилизирует выходное напряжение второго H-моста на уровне 535 В, что соответствует уровню напряжения звена постоянного тока при питании от трехфазной сети.

Р и с . 7 . Кривые напряжения в звене постоянного тока и тока фазы С СДПМ в момент переключения

F i g . 7 . Voltage curves in the DC link and current in phase C of the PMSM at the moment of switching

На рисунке 8 показана кривая тока заряда АКБ в установившемся режиме при работе СДПМ от резервного источника постоянного напряжения.

0.88175                0.8818                0.88185                 0.8819                0.88195                 0.882

Time (s)

Р и с . 8 . График тока аккумуляторной батареи

F i g . 8 . Battery current graph

Так же система управления DC-DC преобразователем должна обеспечить разность между двумя управляющими прямоугольными сигналами H-мостов, графики управляющих сигналов одного плеча двух противоположных H-мостов показаны на рисунке 9.

Р и с . 9 . Управляющие импульсы транзисторов одного плеча противоположных H-мостов F i g . 9 . Control pulses for the transistors of one arm of the opposite H-bridges

По окончании моделирования системы электропривода переменного тока с резервным питанием от источника постоянного тока были получены результаты переходных режимов, удовлетворяющие требованиям к подобным комплексам.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты показывают, что предложенная система позволяет переключать электропривод на резервный источник постоянного тока без останова двигателя. Система идентификации аварийного режима формирует управляющий импульс за 2,5 мс, что видно из переходного процесса на рисунке 5. При этом переключение не вызывает существенного изменения регулируемых координат электропривода.

На рисунке 6 видно, что просадка угловой скорости ротора СДПМ не превышает 1 %, а электромагнитного момента – 6 %. Переходные процессы заканчиваются за короткий интервал времени, после чего электропривод продолжает работу от резервного источника питания.

После переходного процесса система управления повышающим ППТ стабилизирует его на уровне 35 В, что соответствует режиму питания от основной трехфазной сети (рис. 7). Это позволяет сохранить работоспособность преобразователя частоты и двигателя после переключения.

Полученные результаты согласуются с работами, в которых показано влияние провалов напряжения на скорость, электромагнитный момент и ток электрических машин [3; 4]. Отличие заключается в том, что в данном случае рассматривается не восстановление работы двигателя после провала напряжения, а его перевод на резервный источник питания без останова.

В работах исследователей показана возможность применения двунаправленных и повышающих ППТ для связи накопителей энергии с силовыми преобразователями [8–11]. В настоящем случае основное внимание уделено не разработке новой схемы ППТ, а работе электропривода в момент переключения питания.

Полученные результаты также дополняют ранее выполненное исследование, в котором рассматривалась работа частотно-регулируемого электропривода от резервного источника постоянного тока [13]. В данной модели дополнительно учитывается система выявления аварийного режима и оценивается время ее реакции.

Основным ограничением работы является применение компьютерного моделирования. Полученные значения относятся к электроприводу на базе СДПМ мощностью 11 кВт с заданными параметрами преобразователя, системы управления и резервного источника. Для электроприводов другой мощности полученные значения времени переходных процессов и величин просадок могут отличаться.

Кроме того, в работе не проводилась экспериментальная проверка перехода на резервный источник питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты моделирования синхронного электропривода при резервировании питания от источника постоянного тока показали устойчивую работу в требуемых режимах работы. При переключении от основного источника на резервный с применением DC-DC преобразователя, переходный процесс в кривой скорости составляет менее 20 мс, а переходный процесс в кривой электромагнитного момента СДПМ не более 10 мс.

Существенные изменения амплитуд момента и скорости отсутствуют во время переключения, просадка значения момента, относительно номинального составляет не более 6 % (при пульсации момента в 4 %). Просадка оборотов двигателя незначительна и составляет менее 1 %.

Подтверждена работоспособность привода с резервным питанием; повышающий DC-DC преобразователь и предложенная система идентификации аварийного состояния обеспечивают безударное переключение на резервный источник питания при авариях сети, что повышает надежность автоматизации автономных и ответственных объектов, в которых выход из строя электропривода серьезным последствиям: от экономических потерь и простоев до риска аварий, угрозы безопасности людей или нарушения критических технологических процессов. К таким отраслям относятся: атомная энергетика, нефтегазовая отрасль, горнодобывающая отрасль, транспорт и спецтехника. Поэтому следующим этапом исследования должна стать проверка предложенной системы на экспериментальной установке с оценкой реального времени переключения, просадки скорости, электромагнитного момента и напряжения звена постоянного тока.