Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора
Автор: Мещеряков Виктор Николаевич, Воеков Владимир Николаевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электромеханические системы
Статья в выпуске: 2 т.17, 2017 года.
Бесплатный доступ
Объектом исследования является система векторного управления вентильным электроприводом, выполненная на базе автономного инвертора напряжения с релейными регуляторами тока статора. Область применения - нефтяная промышленность, высокоточные электроприводы станков. Применение современной элементной базы, позволяющей использовать новые алгоритмы управления, расширяет функциональные возможности систем управления вентильным двигателем и помогает добиться энергосбережения. Разработана и исследована модель преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения (АИН), построенного на базе IGBT-транзисторов с обратными диодами, и релейным регулированием токов статора. В цепи постоянного тока содержится транзисторный ключ, позволяющий регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора. Данная система позволяет получить форму напряжения и тока на зажимах обмотки статора близкую к синусоидальной и уменьшить пульсации напряжения за счет использования релейных регуляторов. Построена модель исследуемой системы с использованием программной среды MATHLAB. Результаты моделирования совпадают с аналитическими исследованиями и показывают, что система полностью соответствует предъявляемым требованиям.
Вентильный электропривод, автономный инвертор напряжения, релейный регулятор тока статора, транзисторный ключ с релейным управлением, преобразователь частоты
Короткий адрес: https://sciup.org/147158401
IDR: 147158401 | DOI: 10.14529/power170207
Текст научной статьи Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора
В современной промышленности находит все большее применение вентильный электропривод малой и средней мощности, выполненный на базе синхронного двигателя с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов, управление которым строится в функции положения ротора, определяемого датчиком положения ротора или косвенными методами. Двигатель обычно питается от преобразователя частоты, содержащего нерегулируемый выпрямитель и автономный инвертор напряжения. Данный электропривод характеризуется высокими энергетическими и низкими массогабаритными показателями. Дальнейшее совершенствования электропривода возможно на основе использования достижений в области преобразовательной техники и разработки новых алгоритмов управления. При необходимости регулирования в широком диапазоне частоты вращения двигателя, достигаемого за счет регулирования частоты и уровня питающего обмотку статора напряжения, представляется целесообразным использование преобразователя частоты, обеспечивающего регулирование мощности, подаваемой на вход инвертора.
Известна схема электропривода с транзисторным ключом между неуправляемым выпрямителем на выходе источника питания и входными цепями на входе автономного инвертора [1]. Предложенное решение считается перспективным и применяется в вентильно-индукторном электроприводе. Транзисторный ключ выполняет функцию регулируемого источника тока и управляется в режиме широтно-импульсной модуляции.
Схема бесконтактного вентильного генератора с коммутатором нетрадиционного типа была рассмотрена в статье группы специалистов МАИ [2] для применения в автономных системах электроснабжения. Авторами предлагается использование современного IGBT-транзистора в качестве коммутатора. В качестве алгоритма управления коммутатором предложено использовать метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В качестве исполнительного механизма используется синхронный двигатель с возбуждением от постоянного магнита, так как его предпочтительнее использовать в составе вентильного генератора на борту транспортных средств, летательных аппаратов и морских судов, чем двигатель с независимым возбуждением. В результате экспериментальных проверок выяснено, что схема показывает вполне удовлетворительные результаты и работает в соответствии с расчетными характеристиками. Однако, анализируя статью, можно заключить, что решение с применением коммутатора в цепи постоянного тока изучено недостаточно, поэтому целесообразно провести исследования в области его применения в составе вентильного двигателя.
Также известен способ управления вентильным двигателем [3] с использованием транзисторного ключа в цепи постоянного тока инвертора напряжения, который был разработан и исследован с целью применения в нефтяной промышленности (бурение скважин и откачка нефти). Введение транзисторного ключа позволяет регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора.
Во всех случаях [1–3] частота коммутации транзисторного ключа, как и ключей инвертора, регулируется с использованием ШИМ-модуляции, что требует применения соответствующих алгоритмов управления.
В данной работе рассматривается система релейного управления вентильным приводом, выполненным на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, содержащим автономный инвертор напряжения. Особенность системы управления заключается в применении релейного управления транзисторным ключом в звене постоянного тока и релейного регулирования выходного тока инвертора. Применение релейного регулирования обеспечивает улучшенную форму напряжения на статоре синхронного двигателя, а также уменьшение частоты коммутации ключей инвертора [4, 5], что позволит снизить нагрузку на силовые ключи и выбирать их с меньшим запасом мощности. Кроме того, работа дополнительного транзисторного коммутатора в звене постоянного тока приводит к снижению амплитуды напряжения на входе инвертора.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод об актуальности разработки и исследования системы релейного управления в вентильном электроприводе.
Принципы работы разрабатываемой системы управления
Функциональная схема электропривода с релейным регулированием фазных токов статора и типовой векторной двухконтурной системой формирования активной составляющей тока статора приведена на рис. 1.
В схеме используются следующие функциональные блоки: БОП - блок оценки положения, БОС - блок оценки скорости, ЗС - задатчик скорости, ЗИ - задатчик интенсивности. Управление двигателем осуществляется в осях (d, q). Для управления моментом двигателя ток статора необходи- мо ориентировать по оси q, т. е. поддерживать угол между ротором и вектором статорного тока равным 90° [4–6]. Если ток статора ориентирован по оси q, то он выражается через момент по фор- муле:
-------*
I s = I sq
2 M
3 Z p ψ f ,
где Zp – число пар полюсов двигателя число пар полюсов двигателя, ψ f – потокосцепление ротора.
На вход регулятора скорости (РС) подается сигнал ошибки регулирования скорости: Δω2 = = ω*2 - ω2 , где ω2∗ – задание на скорость, ω2 – реальное значение скорости двигателя, поступающее с блока оценки скорости (БОС). Далее с выхода регулятора скорости сигнал поступает на блок ограничения момента, который рассчитывает сигнал задания на момент и подключен к входу вычислительного блока (БВ), который формирует *
сигнал задания на составляющую тока статора Iq .
Ток Id , не влияющий на электромагнитный момент, в системе управления поддерживается равным нулю. В координатном преобразователе DQ-ABC происходит преобразование координат с использованием следующих формул:

Рис. 1. Функциональная схема электропривода
I A
= I d ■ cos (9 m ) - I* * ■ sin (9 m ) ;
‘ I B
IC
т* I
= Id ■ cos l 9 m
I
= I d ■ cos l 9 m
2 ) — п 3 ) |
* q |
' sin 1 |
А m |
2 ) — п 3 ) |
; (2) |
2 ) |
* |
2 ) |
|||
+ —п |
- I |
■ sin |
+ —п |
. |
|
3 ) |
q |
. m |
3 ) |
Представленная система управления вентильным приводом содержит релейный регулятор фазных токов статора (РРТ), рассмотренный в работах [5, 7], что отличает ее от системы с традиционным ПИ-регулятором [8, 9]. На вход релейного регулятора поступают сигналы задания на ток по каждой из фаз и сигналы обратных связей по току электрической машины 3 , получаемые с датчиков тока 4 . Управляющие сигналы на инвертор 2 поступают на основе текущей ошибки регулирования, которая рассчитывается по формулам:
м i a = 1 1 a - 1 ;
«a / 1 B = 1 1 B - 1 B ; (3)
A I i c = 1 i c - 1 i c .
Работа релейных регуляторов осуществляется по следующему алгоритму:
– в момент, когда разница заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока достигнет верхней границы порогового уровня, регулятор включает транзистор верхнего плеча инвертора и выключает транзистор нижнего плеча для соответствующей фазы;
– в момент, когда разница заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока достигнет нижней границы порогового уровня, регулятор выключает транзистор верхнего плеча и включает транзистор нижнего плеча для соответствующей фазы [8].
Выходные сигналы релейных регуляторов являются управляющими сигналами для транзисторов, находящихся в плечах фаз A , B , C . Наличие блоков инвертирования сигналов делает невозможным одновременное открытие транзисторов, находящихся в одном плече инвертора. Схема силовой части вентильного электропривода приведена на рис. 2.
Автономный инвертор напряжения построен на IGBT транзисторах с обратными диодами. В звено постоянного тока включен запираемый транзисторный ключ 10 и дополнительный обратный диод, создающий цепь протекания для тока статора при выключении транзисторного ключа. Между транзисторным ключом и инвертором включен LC-фильтр, позволяющий сглаживать пульсации тока в выпрямленной цепи. Экспериментально установлено, что такое включение фильтра позволяет получить форму тока статора, наиболее близкую к синусоидальной.
Система управления транзисторным ключом содержит замкнутый контур с узлом сравнения рассчитываемого и измеренного выпрямленного тока и релейно-гистерезисный регулятор выпрямленного тока. Сигнал I**, формируемый в блоке вычисления БВ, умножается на коэффициент усиления (блок 7), который выбирается на основании требований к уровню формируемых трехфазных напряжений статора. Полученный сигнал задания выпрямленного тока сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока 11 и разница поступает на релейно-гистерезисный регулятор 9, который выдает управляющий сигнал uy на управляющий вход транзисторного ключа 10 [4]. Если сигнал на входе регулятора 9 меньше порогового уровня, транзисторный ключ 10 выключен, при отрицательном значении сигнала на входе регулятора 9 транзисторный ключ выключен, при превышении положительного сигнала на входе регулятора порогового уровня транзисторный ключ включен.
Предлагаемая схема силовой части электропривода отличается от типовой без последовательно включенного ключа транзисторного ключа в звене постоянного тока [10]. Одной из задач данной работы являлось исследование влияния транзисторного ключа на амплитуду напряжения в звене постоянного тока. С целью проверки работоспособности системы, а так же получения экспериментальных данных, была создана модель (рис. 4) вентильного привода в программной среде MATHLAB Simulink 2014a [11]. Архитектура модели системы векторного управления имеет типовой вид [4, 12, 13].
На рис. 3а и 3б показаны графики мгновенных значений напряжения без транзисторного ключа и при его включении в звено постоянного тока.
Из полученных графиков видно, что амплитуда пульсаций напряжения на входе инвертора значительно меньше, чем в типовых системах, построенных на базе автономного инвертора напряжения. Использование дополнительной индуктивности в цепи постоянного тока не только сглаживает пульсации тока в выпрямленной цепи, но и позволяет получить форму выходного тока инвертора наиболее близкую к синусоидальной. Экспериментально установлено, что индуктивность дросселя следует выбирать примерно равной значению индуктивности контура намагничивания синхронного двигателя.
Как видно из рис. 5 (показаны части графиков распределения фазных токов статора во время разгона двигателя во временном промежутке 0,2 с), в случае если индуктивность дросселя выбрана правильно, получаем форму тока наиболее близкую к синусоидальной.
На рис. 6 показаны графики скорости и электромагнитного момента, демонстрирующие пуск электропривода при векторной системе управления с кратковременной работой на двух промежуточных пониженных скоростях.



Рис. 3. Напряжение в звене постоянного тока без транзисторного ключа (а) и с транзисторным ключом (б)
Графики демонстрируют следующие режимы работы: в начальный момент времени на регулятор скорости поступает задание на скорость 300 об/мин. В точке 1,2 с после запуска задание на скорость возрастает до 500 об/мин. При этом в точке 1,5 с на вал двигателя прикладывается момент 11 нм. Далее в точке 1,7 с задание на скорость возрастает до 650 об/мин.
Заключение
В результате проведенной работы была построена и исследована модель векторной системы управления вентильным приводом с измененной конструкцией силовой части преобразователя частоты. Как видно из рис. 5, система управления позволяет формировать улучшенную, близкую к синусоидальной форму тока на выходе инвертора при уменьшенных пульсациях напряжения за счет использования коммутатора в звене постоянного тока и релейных регуляторов. В преобразователе частоты с нерегулируемым выпрямителем и с фильтрующим конденсатором на выходе уровень гармоник, поступающих в питающую сеть, ниже, а коэффициент мощности выше по сравнению со схемой на базе инвертора тока. Электропривод с нерегулируемым выпрямителем имеет лучшую электромагнитную совместимость с питающей сетью. При этом введение в звено постоянного тока транзисторного ключа и обратного диода позволяет регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора, что обычно характерно для инвертора тока. При пониженной частоте вращения двигателя амплитуда напряжения, подаваемого на вход инвертора, ниже, чем у известных разработок. Использование типовой


б)
Рис. 5. График распределения токов по фазам A, B, C: а – при неверно выбранном недостаточном значении индуктивности в цепи постоянного тока; б – при правильно выбранном значении индуктивности в цепи постоянного тока


Рис. 6. График скорости и электромагнитного момента вентильного двигателя системы векторного управления электроприводом с предложенным инвертором позволяет получить требуемое качество регулирования момента и скорости двигателя. Из анализа графиков на рис. 6 можно сделать вывод, что двигатель стабильно разгоняется, поддерживает заданные обороты и отрабатывает наброс нагрузки.
Список литературы Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора
- Усынин, Ю.С. Системы управления электроприводов: учеб. пособие. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. -358 с.
- Алиевский, Б.Л. Вентильный генератор для автономных систем электроснабжения постоянного тока/Б.Л. Алиевский, С.А. Щербаков, С.Р. Мизюрин//Электричество. -2003. -№ 1. -С. 27-32.
- Пат. 2207700 Российская Федерация. Способ управления вентильным электродвигателем/В.Ю. Алекперов, Р.У. Маганов, В.Ф. Лесничий, В.И. Грайфер, А.В. Беззубов, Н.П. Хохлов, М.Я. Гинзбург, В.И. Павленко, В.И. Сагаловский, А.В. Сагаловский, В.М. Волков, Г.Л. Агапова; заявитель и патентообладатель ОАО «Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ», ОАО «Российская инновационная топливно-энергетическая компания». -№ 2000108696/09; заявл. 11.04.2000; опубл. 27.06.2003.
- Пат. 166655 Российская Федерация. Устройство для управления электроприводом переменного тока/В.Н. Мещеряков, В.Н. Воеков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» (ЛГТУ) (RU). -№ 2016113199/07; заявл. 06.04.2016; опубл. 10.12.2016, Бюл. № 34.
- Мещеряков, В.Н. Оптимизация взаимного положения векторов тока статора и магнитного потока асинхронного двигателя при векторном управлении/В.Н. Мещеряков, П.Н. Левин//Изв. вузов. Электромеханика. -2006. -№ 1. -С. 25-27.
- Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием/Г.Г. Соколовский. -М.: Academia, 2006. -259 c.
- Мещеряков, В.Н. Применение беспоисковой адаптивной системы для управления электроприводом с вентильным двигателем/В.Н. Мещеряков, В.Г. Карантаев//Электротехн. комплексы и системы управления. -2006. -№ 2. -С. 38-40.
- Мещеряков, В.Н. Анализ систем управления электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейными регуляторами тока и релейными регуляторами напряжения со сглаживающим емкостным фильтром/В.Н. Мещеряков, А.С. Абросимов//Электротехнические комплексы и системы управления. -2011. -№ 3. -С. 64-68.
- Мещеряков, В.Н. Анализ инверторов тока и напряжения с системами релейного управления/В.Н. Мещеряков, Д.В. Ласточкин//Вести вузов Черноземья. -2016. -№ 2. -С. 13-18.
- Bimal K. Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2002.
- Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/И.В. Черных. -М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. -288 с.
- Барышников, О.Д. Построение систем автоматизированного электропривода/О.Д. Барышников, Г.Г. Соколовский, В.А. Новиков, В.М. Шестаков. -Л.: ЛДНТП, 1968.
- Башарин, А. В. Управление электроприводами/А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. -Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-е, 1982. -392 с.