Развитие теории и принципы проектирования регулируемого асинхронного электропривода на базе ступенчатой модуляции

Актуальность работы. В диссертационной работе поставлена актуальная научная задача, направленная на исследование, разработку и обоснование применения в народном хозяйстве, промышленности регулируемого электропривода малой мощности (до 5 кВт) на базе асинхронного двигателя с короткозамк-нутым ротором (РАЭП) с использованием ступенчатой модуляции питающего напряжения.

В настоящее время электропривод на основе асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором нашел самое широкое применение в различных сферах человеческой деятельности. На сегодняшний день асинхронный электропривод мощностью до 5 кВт составляет 70% от всего объема асинхронных электроприводов при потреблении 45% от общего потребления электроэнергии асинхронными двигателями [55]. Около 80% таких приводов нерегулируемые, однако доля регулируемого электропривода быстро увеличивается 38], что определяет значительную потребность в РАЭП малой мощности (до 5 кВт) с гибким управлением выходными координатами, с высокими энергетическими и массогабаритными показателями.

В связи с большими успехами цифровой техники и с развитием современной элементной базы, возникли серьезные предпосылки к созданию РАЭП с управлением на основе ступенчатой модуляции (СМ) с возможностью гибкого регулирования координатами привода, с высокими массогабаритными и энергетическими показателями. Вместе с тем, не проводились системные исследования работы РАЭП с управлением на базе СМ питающего напряжения (РАЭП-СМ), недостаточно полно изучено влияние параметров ступенчатых кривых напряжения на основные показатели и характеристики работы РАЭП.

Систематические исследования регулируемого асинхронного электропривода начались с 1925 г. XX века, когда Костенко М. П. изложил основы теории регулируемого АД и предложил оптимальные соотношения между напряжением и частотой в зависимости от характера статического момента нагрузки [13]. Однако отсутствие соответствующей преобразовательной техники не позволяло создать высококачественный РАЭП. После изобретения в 1948 г. транзистора и в 1957 г. тиристора, которые выполняли функции силовых полупроводниковых ключей, получили распространение статические преобразователи для РАЭП с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями, с относительно высоким быстродействием. Однако, до появления биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) и эта полупроводниковая элементная база не обеспечивала разработку надежного, малогабаритного РАЭП с гибким прецизионным управлением при высоких энергетических характеристиках, управляемого на основе перспективной амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). АИМ достаточно полно была исследована в 60−70 годах XX столетия применительно к силовым преобразователям [21,67, 76].

С учетом ограничений, которые были присущи существовавшим до 90-х годов XX столетия силовым ключам, была досконально изучена и получила самое широкое распространение широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и ее разновидности. В настоящее время в регулируемом электроприводе переменного и постоянного тока ШИМ занимает доминирующее положение. Применение ШИМ упрощает аппаратную реализацию системы управления РАЭП и обеспечивает достаточно высокие характеристики и показатели электропривода. В то же время гармонический состав выходного напряжения ШИМ-преобразователя оставляет желать лучшего, что сказывается на рабочих характеристиках РАЭП [18,55].

Разработка сигнальных процессоров и силовых ключей на базе БТИЗ позволила перейти к ранее не находившим широкого применения видам модуляции питающего напряжения и тока, в частности ступенчатой модуляции, которая существенно увеличивает гибкость и точность управления РАЭП, одновременно обеспечивая высокие энергетические и массогабаритные показатели привода.

Цель работы. Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования, направленные на обоснование и разработку РАЭП-СМ с гибким прецизионным управлением его выходными механическими характеристиками с учетом основных энергетических и массогабаритных показателей.

Задачи исследования. Диссертационная работа направлена на уменьшение электрических потерь РАЭП, обеспечение заданных границ коэффициента гармоник по току, пульсаций момента (среднеквадратичной ошибки (СКО) по моменту) и диапазона регулирования момента и скорости за счет использования наиболее эффективных систем управления электроприводом на основе СМ и обоснования выбора способов синтеза квазисинусоидальной ступенчатой кривой питаюЕцего напряжения. Исследуются массогабаритные характеристики РАЭП-СМ в зависимости от качества входной электроэнергии, электрических потерь, СКО по моменту и диапазона регулирования момента.

Предметом исследования являются энергетические, массогабаритные и механические характеристики РАЭП-СМ: коэффициент гармоник по току, СКО по моменту, диапазон регулирования момента и скорости, электрические потери и массогабаритные показатели РАЭП-СМ, а также зависимость этих параметров от выбранного способа СМ.

Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следуюш-им образом. Обоснование разработки РАЭП-СМ и выбора способов синтеза квазисинусоидальной ступенчатой кривой питающего напряжения для РАЭП-СМ при заданных границах электрических потерь в приводе, коэффициента гармоник по току, СКО по моменту, диапазона регулирования момента и скорости.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с помощью методов современной теории автоматического управления, 2-преобразования и разностных уравнений. Для описания АД с короткозамкнутым ротором использовалась математическая модель на основе теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии. Синтез ступенчатых кривых опирался на разложение в ряды Фурье и Уолша-Фурье. Экспериментальные исследования основываются на численном эксперименте, имитационном моделировании с применением вычислительной техники, а также на физическом моделировании.

Достоверность и обоснованность. Выполнено имитационное моделирование работы РАЭП-СМ, проведены экспериментальные исследования с помощью программно-аппаратного комплекса математического и физического моделирования (ПАК МФМ), подтверждающие адекватность построенных моделей, разработанную методику и сделанные на ее основе выводы.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование преимущества систем управления асинхронным электроприводом на основе СМ перед ШИМ для разработки РАЭП с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, с высоким качеством регулирования при использовании дискретных первичных источников.

2. Основные принципы проектирования РАЭП-СМ для различных применений и способов СМ.

3. Метод построения переходных процессов в РАЭП-СМ и математические модели для анализа электрических и электромеханических характеристик электропривода, электрических потерь, диапазона регулирования момента, позволяющие упростить расчет при сохранении точности вычислений, а также провести условную оптимизацию базовых параметров ступенчатой кривой напряжения.

4. Сформулированные требования к выбору способа СМ в зависимости от наложенных ограничений на электрические потери, коэффициент гармоник по току, СКО по моменту, диапазон регулирования, массогабаритные показатели РАЭП-СМ.

5. Результаты экспериментальных исследований РАЭП-СМ, подтверждающие адекватность построенных моделей, разработанную методику и сделанные на ее основе выводы.

Научная новизна.

1. Показаны преимущества СМ перед ШИМ в системах управления РАЭП при повышенных требованиях к массогабаритным и энергетическим показателям, при высоком качестве регулирования. Сформулированы принципы проектирования РАЭП-СМ для различных применений и способов СМ.

2. Предлагаемый метод построения переходных процессов в РАЭП-СМ является универсальной основой описания работы электропривода при питании его напряжением любой формы.

3. Разработаны математические модели для РАЭП-СМ, позволяющие исследовать основные электрические и электромеханические характеристики, найти электрические потери в РАЭП-СМ.

4. Найдены диапазоны регулирования момента РАЭП-СМ при заданных показателях качества входной электрической энергии и момента на валу,.

5. Обоснован выбор способа СМ при различных пределах регулирования и заданного качества входной электрической энергии, момента на валу и диапазона его регулирования.

Практическая ценность.

1. Предлагаемый РАЭП-СМ может быть использован в условиях повышенных требований к массогабаритным и энергетическим показателям, при высоком качестве и гибкости управления выходными характеристиками привода. В этом случае используются дискретные первичные источники электроэнергии или схема универсального РАЭП-СМ на базе многоканального конвертора.

2. Применение РАЭП-СМ в автономных системах позволяет полностью использовать изначальную дискретность первичных источников электроэнергии — электрохимических, фотоэлектрических и термоэлектрических элементов.

3. Разработанный вариант универсального РАЭП-СМ на базе многоканального конвертора позволяет значительно расширить область применения РАЭП-СМ при сохранении высоких массогабаритных показателей устройства.

4. Разработанный метод построения переходных процессов в РАЭП-СМ и математические модели для анализа его электрических и электромеханических характеристик позволяют сформировать алгоритмы управления РАЭП-СМ при заданных границах показателей качества входной электроэнергии с требуемыми пределами электрических потерь от высших гармоник, с заданной точностью регулирования момента при необходимом диапазоне регулирования момента.

5. Создан программно-аппаратный комплекс математического и физического моделирования, позволяюпдий проводить всесторонние исследования работы РАЭП с управлением на основе уже имеюп]-ихся и вновь созданных способов СМ питаюп]-его напряжения.

6. Разработанный рабочий макет однофазного РАЭП-СМ и предложенный вариант трехфазного позволяют проводить экспериментальные исследования различных режимов работы электропривода.

7. Сформулированы основные выводы и рекомендации по реализации РАЭП-СМ, позволяющие разрабатывать электропривод в зависимости от требуемой области применения, накладываемых ограничений на его электрические и механические характеристики.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в учебном процессе на кафедре электротехники КубГТУ в курсе «Теоретические основы электротехники».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: и и и 1 Т X и.

— межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (г. Новосибирск, 1997 г.);

— региональной научно-практической конференции «Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергетических систем» (г. Краснодар, 1998 г.);

— Всероссийской научной конференции грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края конкурса «р2000юг» (г. Сочи, 2000 г.);

— Второй Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, 2000 г.);

— городской научно-практической конференции «Экология, экономика, техника и образование 2001» (г. Туапсе, 2001 г.);

— Всероссийской научной конференции грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края конкурса «р2000юг» (г. Туапсе, 2001 г.).

Результаты исследований использованы при выполнении гранта РФФИ и администрации Краснодарского края конкурса «р2000юг» на 2000;2001 гг [54].

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 научных статьях и 4 тезисах докладов на научных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и 4 приложений, изложена на 143 страницах, иллюстрирована 45 рисунками и 5 таблицами.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Обосновано преимущество РАЭП-СМ перед РАЭП-ШИМ для дискретных источников питания при разработке РАЭП с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, с высоким качеством регулирования.

2. Разработан метод построения переходных процессов в регулируемом РАЭП-СМ и составлены математические модели для анализа электрических и электромеханических характеристик электропривода, электрических потерь, диапазона регулирования момента, позволяющие упростить расчет при сохранении точности вычислений, а также провести условную оптимизацию базовых параметров ступенчатой кривой напряжения. Модели разработаны для следующих основных показателей: коэффициента гармоник по току, СКО по моменту, диапазона регулирования момента, электрических потерь от высших гармоник в обмотках АД с короткозамкнутым ротором.

3. Спроектирован и создан ПАК МФМ для экспериментального исследования работы РАЭП-СМ для различных видов СМ.

4. Проведен численный эксперимент, имитационное и физическое моделирование работы АЭП с питанием ступенчатым напряжением.

Обоснован выбор способа СМ для обеспечения заданного диапазона регулирования момента и поддержания в заданных границах следующих показателей: коэффициента гармоник по току, СКО момента относительно базового для данного режима, электрических потерь в обмотках двигателя. Показано, что сделанные выводы могут быть распространены на различные РАЭП-СМ мощностью от 0,18 до 5,5 кВт при изменении частоты питающего напряжения (угловой скорости привода) от 0, Пном ДО ЮГнм.

Имитационное и физическое моделирование РАЭП-СМ подтверждает адекватность построенных моделей, разработанную методику и сделанные на ее основе выводы.

5. Сформулированы основные принципы проектирования РАЭП-СМ для различных областей применений и способов СМ. Предложен вариант реализации трехфазного СМ-АИН на интеллектуальных модулях для РАЭП-СМ и структура универсальной системы управления РАЭП-СМ с многоканальным конвертором. Проанализировано влияние числа силовых ключей на коэффициент полезного действия СМ-преобразователя в составе РАЭП-СМ. Приведены основные выводы и рекомендации по реализации РАЭП-СМ.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

1. Предлагаемый РАЭП-СМ может быть использован при повышенных требованиях к массогабаритным и энергетическим показателям, при высоком качестве и гибкости управления выходными характеристиками привода, как с дискретными источниками электроэнергии, так и с любым источником электропитания при наличии многоканального конвертора.

2. Применение РАЭП-СМ в автономных системах позволяет полностью использовать изначальную дискретность первичных источников (аккумуляторных батарей, фотоэлектрических и термоэлектрических элементов).

3. Разработанный вариант универсального преобразователя для РАЭП-СМ на базе СМ-АИН и многоканального конвертора позволяет значительно расширить область применения РАЭП-СМ при сохранении высоких массогабаритных показателей устройства.

4. Предложенный метод построения переходных процессов в РАЭП-СМ и математические модели для анализа его электрических и электромеханических характеристик позволяют разработать алгоритмы управления РАЭП при заданных границах показателей качества входной электроэнергии с требуемыми пределами электрических потерь от высших гармоник, с заданной точностью регулирования момента.

5. Разработанный и реализованный ПАК МФМ, позволяет проводить всесторонние исследования работы регулируемого АЭП с управлением на основе уже имеющихся и вновь созданных способов СМ питающего напряжения.

6. Сформулированы основные выводы и рекомендации по реализации РАЭП-СМ, позволяющие разрабатывать электропривод в зависимости от требуемой области применения, накладываемых ограничений на его электрические и механические характеристики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе обоснована разработка регулируемого электропривода малой мощности (до 5 кВт) на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (РАЭП) с использованием ступенчатой модуляции (СМ) питающего напряжения, рассмотрены вопросы выбора способов синтеза квазисинусоидальной ступенчатой кривой питающего напряжения для РАЭП-СМ при заданных границах электрических потерь в приводе, коэффициента гармоник по току, пульсаций (СКО по моменту), диапазона регулирования момента и скорости.