Схемы силовых цепей в электроприводах переменного тока, выполненные по условию минимума электрических потерь

Условия, при которых производится размещение силового оборудования, ограничены на определенного рода технологических объектах. К примеру, электроприводы буровых установок располагаются в контейнере с ограниченными условиями транспортирования размерами. Изначально главным электроприводом выступал привод постоянного тока [1]. Замена существующего электропривода приводом переменного тока привела к тому, что пришлось иным образом разрабатывать систему охлаждения. Это объясняется тем, что нагрев пространства вокруг преобразователя частоты, а также потери в них, выше.

С увеличением числа фаз возрастают электрические потери и количество полупроводниковых элементов электрического преобразователя [2–4]. Но в то же время, массогабаритные показатели электромеханического преобразователя получаются наилучшими при f > 6. Отсюда определяется необходимость выбрать оптимальную схему силовых цепей электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения СРДНВ [6].

Критерием оптимизации может выступать функция следующего вида:

AP ( X ) A P ( F , F 0 , F 0 , D 0 /V. f ) q ₃ == . 3 M            М

Здесь A P - величина, которая пропорциональна

000 суммарным электрическим потерям, FB , FA , F , Dр0 Dс , α0 не изменяются, а f – меняется опре- деленным образом в пределах допустимых значений F = {f: 0 < f < да}; М - значение номинального электромагнитного момента двигателя.

Чтобы произвести расчет удельных весовых коэффициентов, обратимся к рис. 1, на котором представлены в зависимости от величин номинального тока линейные регрессионные зависимости удельных потерь в полупроводниковых преобразователях частоты [5, 7–9]. Статистическая обработка приведенных зависимостей представлена в табл. 1.

Для проведения статистической обработки данных была взята выборка объемом N = 31. Рассчитанный коэффициент распределения Стьюдента t не превышает критического значения [10–13]. После анализа имеющихся кривых показано, что абсолютные электрические потери определяются как классом преобразователя, так и производителем (см. рис. 1). Например, Control Techniques производит преобразователи различным типов. И самый дорогостоящий преобразователь Unidrive SP выпускается с пониженными электрическими потерями в сравнении с решениями на базе SE [14]. Возможно, это достигается использованием полупроводниковых ключей с меньшим прямым падением напряжения.

На рис. 1 проходящие горизонтально регрессионные зависимости 2, 3, 4 говорят о том, что электрические потери в преобразователях пропорциональны току и могут аппроксимироваться линейными функциями.

Рис. 1. Регрессионные зависимости, определяющие удельные потери в вентильных преобразователях: 1 – SE Control Techniques, 2 – SP Control Techniques, 3 – ACS800-01 ABB, 4 – ACS880 ABB, 5 – ACS550-01 ABB, 6 – 3G3RVA Omron

Таблица 1

Статистическая обработка регрессионных зависимостей удельных потерь в зависимости от номинального тока

№		Параметр
		I Н, А	P ЭМП I Н , Вт/А	P РЕГ I Н , Вт/А	d	d 2
1		5	15,62	14,45	1,17	1,36
2		11	13,07	14,24	–1,17	1,36
3		20	15,14	13,96	1,19	1,4
4		25	15,14	13,81	1,33	1,77
31		1000	12,24	12,13	0,11	0,012
s d =^	^ 2 -^) 2 n n - 1	0,73
t = d -H d sd n		0,001
t КРИТ		2,042

Известна зависимость электрических потерь преобразователя от значения несущей частоты. Увеличением несущей частоты ШИМ улучшается выходная форма тока, но увеличиваются потери [16–18]. Поэтому необходимо в зависимости от решаемой задачи определенным образом выбирать несущую частоту.

Если критерием оптимизации выступает критерий минимума электрических потерь, необходимо определить зависимость величины потерь от несущей частоты ШИМ [15]. Для решения данной задачи построена регрессионная зависимость электрических потерь в преобразователе частоты от тока при частоте ШИМ-сигнала 0 Гц.

Статистическая оценка результатов приведена в табл. 2. Как видно из рис. 2, если установить несущую частоту минимального значения, потери могут быть снижены приблизительно в 1,5 раза.

Задача определения оптимума величины q ₃ вполне может решаться как задача одномерного поиска численными методами. На рис. 3 представлена поверхность критерия q ₃ в зависимости от

Григорьев М.А.,

Сидоренко Н.Ю., Кинас С.И.

Схемы силовых цепей в электроприводах переменного тока, выполненные по условию минимума электрических потерь

Таблица 2

Оценка потерь в преобразователях с учетом работы при различной частоте ШИМ

f , кГц	t ЭКСП	t РЕГ	d	E 1 = d -1 s dL n	E 2 = d + 1 s dL n
1	59	58,87	0,13	–0,04	0,31
2	62	62,28	0,28	0,1	0,45
4	69	68,8	0,2	0,02	0,38
8	82	82,1	0,09	–0,09	0,26
12	96	95,9	0,03	–0,15	0,21
16	107	107,01	0,01	–0,16	0,19
s d =1	Та 2 -— n-^r-	) 2	0,17
t = d -И d sd n			0,03
t КРИТ			2,571

Рис. 2. Потери в полупроводниковых преобразователях при различной несущей частоте: 1 – 1 кГц, 2 – 2кГц, 3 – 4 кГц, 4 – 8 кГц, 5 – 12 кГц, 6 – 16 кГц, 7 – 0 кГц

Рис. 3. Зависимость критерия q 3 = А Р ( X)/ M от момента и количества фаз f

номинального момента двигателя и числа фаз [17, 19–21]. В электроприводах с СРДНВ при малых мощностях q ₃ получается самым плохим для многофазных схем. При увеличении мощности данная тенденция сохраняется, но становится незначительным различие оптимальных решений для трехфазной и многофазной схем [22]. Это объясняется линейностью зависимости электрических потерь от тока (см. рис. 1).