Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин

В статье рассмотрено применение активного управляемого выпрямителя – источника тока в системе пуска асинхронных двигателей на основе автономного инвертора тока. Получены соотношения для определения напряжений и токов в элементах входного фильтра активного выпрямителя тока. Проанализирована форма кри...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Електротехніка і електромеханіка
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Жемеров, Г.Г., Колесник, В.Ю.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2008
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143139
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин / Г.Г. Жемеров, В.Ю. Колесник // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 19-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143139
record_format	dspace
spelling	Жемеров, Г.Г. Колесник, В.Ю. 2018-10-24T17:15:23Z 2018-10-24T17:15:23Z 2008 Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин / Г.Г. Жемеров, В.Ю. Колесник // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 19-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143139 621.314.263 В статье рассмотрено применение активного управляемого выпрямителя – источника тока в системе пуска асинхронных двигателей на основе автономного инвертора тока. Получены соотношения для определения напряжений и токов в элементах входного фильтра активного выпрямителя тока. Проанализирована форма кривой выходного напряжения активного выпрямителя. У статті розглянуто застосування активного керованого випрямляча – джерела струму в системі пуску асинхронних двигунів на основі автономного інвертора струму. Отримані співвідношення для визначення напруг і струмів в елементах вхідного фільтру активного випрямляча струму. Проаналізована форма кривої вихідної напруги активного випрямляча. Application of an active rectifier - current source in the starting system of asynchronous machines on the basis of a current source inverter is considered in the article. Expressions for determination of voltages and currents in the network filter of the active rectifier – current source elements are obtained. Output voltage waveform of the active rectifier is analyzed. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин Analysis of processes in an active rectifier - current source in asynchronous machines starting system Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
spellingShingle	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин Жемеров, Г.Г. Колесник, В.Ю. Електричні машини та апарати
title_short	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
title_full	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
title_fullStr	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
title_full_unstemmed	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
title_sort	анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин
author	Жемеров, Г.Г. Колесник, В.Ю.
author_facet	Жемеров, Г.Г. Колесник, В.Ю.
topic	Електричні машини та апарати
topic_facet	Електричні машини та апарати
publishDate	2008
language	Russian
container_title	Електротехніка і електромеханіка
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format	Article
title_alt	Analysis of processes in an active rectifier - current source in asynchronous machines starting system
description	В статье рассмотрено применение активного управляемого выпрямителя – источника тока в системе пуска асинхронных двигателей на основе автономного инвертора тока. Получены соотношения для определения напряжений и токов в элементах входного фильтра активного выпрямителя тока. Проанализирована форма кривой выходного напряжения активного выпрямителя. У статті розглянуто застосування активного керованого випрямляча – джерела струму в системі пуску асинхронних двигунів на основі автономного інвертора струму. Отримані співвідношення для визначення напруг і струмів в елементах вхідного фільтру активного випрямляча струму. Проаналізована форма кривої вихідної напруги активного випрямляча. Application of an active rectifier - current source in the starting system of asynchronous machines on the basis of a current source inverter is considered in the article. Expressions for determination of voltages and currents in the network filter of the active rectifier – current source elements are obtained. Output voltage waveform of the active rectifier is analyzed.
issn	2074-272X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143139
citation_txt	Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин / Г.Г. Жемеров, В.Ю. Колесник // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 6. — С. 19-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT žemerovgg analizprocessovvaktivnomupravlâemomvyprâmiteleistočniketokavsistemepuskaasinhronnyhmašin AT kolesnikvû analizprocessovvaktivnomupravlâemomvyprâmiteleistočniketokavsistemepuskaasinhronnyhmašin AT žemerovgg analysisofprocessesinanactiverectifiercurrentsourceinasynchronousmachinesstartingsystem AT kolesnikvû analysisofprocessesinanactiverectifiercurrentsourceinasynchronousmachinesstartingsystem
first_indexed	2025-11-25T22:26:59Z
last_indexed	2025-11-25T22:26:59Z
_version_	1850563433828712448
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 19 УДК 621.314.263 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНОМ УПРАВЛЯЕМОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ - ИСТОЧНИКЕ ТОКА В СИСТЕМЕ ПУСКА АСИНХРОННЫХ МАШИН Жемеров Г.Г., д.т.н., проф., Колесник В.Ю. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе 21, кафедра "Промышленная и биомедицинская электроника" тeл. (057) 7076609, (057) 7076312, E–mail: zhemerov@online.kharkiv.net В статье рассмотрено применение активного управляемого выпрямителя – источника тока в системе пуска асин- хронных двигателей на основе автономного инвертора тока. Получены соотношения для определения напряжений и токов в элементах входного фильтра активного выпрямителя тока. Проанализирована форма кривой выходного на- пряжения активного выпрямителя. У статті розглянуто застосування активного керованого випрямляча – джерела струму в системі пуску асинхронних двигунів на основі автономного інвертора струму. Отримані співвідношення для визначення напруг і струмів в елеме- нтах вхідного фільтру активного випрямляча струму. Проаналізована форма кривої вихідної напруги активного ви- прямляча. ВВЕДЕНИЕ Современные требования к электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с питающей сетью в ряде случаев делают невозмож- ным прямое подключение преобразователя частоты к сети. Решение проблемы может быть получено за счет включения на входе преобразователя активного управляемого выпрямителя. На входе преобразовате- ля на основе автономного инвертора тока необходимо использовать активный управляемый выпрямитель – источник тока. В статье рассматриваются следующие вопросы: синтез системы управления активным выпрямителем тока, анализ кривой выходного напряжения активного выпрямителя тока и особенности перевода системы пуска в режим передачи энергии из нагрузки в сеть. СИСТЕМА ПУСКА АМ НА ОСНОВЕ АУВИТ и АИТ Специфика векторного управления асинхронной машиной (АМ) в системе активный управляемый вы- прямитель источник тока (АУВИТ) – автономный инвертор тока (АИТ), показанной на рис. 1, заключа- ется в том, что с помощью АИТ изменяется частота тока статора, а с помощью АУВИТ – амплитуда тока статора. Система векторного управления АМ (СУ АМ) вырабатывает для системы управления АУВИТ сигнал, пропорциональный требуемому значению модуля тока статора * dI , который сравнивается с фак- тическим током .dI Разностный сигнал проходит через регулятор тока РТ. Сигналы задания по токам фаз * cbai получаются перемножением сигнала с вы- хода регулятора на соответствующие фазные напря- жения cbau . СТРУКТУРА АУВИТ Силовая схема АУВИТ приведена на рис. 2. Схема содержит фазную индуктивность L , равную сумме индуктивности рассеяния сетевого трансфор- матора и кабелей, фильтровые конденсаторы C на стороне переменного напряжения, шесть запираемых тиристоров VS1-VS6, включенных по мостовой схеме и два выходных реактора dL , образующих индуктив- ный выходной фильтр. abcu ae be ce АВИТ CУ АВИТ × РТ АИТ АИТСУ + − dL АМСУ АМ dI * dI м u м i * abci dL Рис. 1. Силовая схема и структура СУ АУВИТ-АИТ L L L C C C ae be ce VS1 VS3 VS5 VS4 dL dU dI rbi rci bi ai ci rai 6VS VS2 dI dL АИТ Рис. 2. Схема АУВИТ Токи на входе коммутатора ri имеют большое значение dtdi , а сеть носит индуктивный характер, поэтому на входе коммутатора необходим емкостный фильтр, шунтирующий сеть. Однополярность выходного тока dI и биполяр- ность выходного напряжения dU определяет тип си- ловых ключей как униполярные ключи, блокирующие обратное напряжение. При низких частотах ШИМ используются GTO, а при более высоких частотах следует использовать транзисторы типа IGВT. Формирование синусоидального тока в сети осуществляется путем переключения ключей комму- татора с высокой частотой. При этом в периоде ШИМ 20 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 постоянный ток нагрузки либо распределяется между фазами сети либо замыкается коммутатором. Очевид- но, что импульсный ток нагрузки вызывает пульсации напряжения на конденсаторах фильтра. Возможны два варианта подключения конденса- торов: 1) соединение по схеме звезда; 2) соединение по схеме треугольник. Рассмотрим эти варианты и определим, в каком случае пульсации напряжения на конденсаторах, обусловленные импульсами тока от коммутатора, будут меньше. При соединении конденсаторов фильтра в тре- угольник действующее значение тока через конденса- тор ΔcI , к которому прикладывается линейное напря- жение сети, будет равно: ΔΔ ω= CUI sc л , (1) где л U – действующее значение линейного напряже- ния сети; sω – угловая частота тока сети. А действующее значение фазного тока в сети оп- ределяется из следующего соотношения: ΔΔ ω= CUI ss л 3 . (2). Рассмотрим интервал времени, в котором откры- ты и проводят ток тиристоры VS1 и VS2. В этом слу- чае ток нагрузки dI распределяется между конденса- торами следующим образом. Через конденсатор, под- ключенный к клеммам фаз a и c , протекает ток рав- ный 32 dI , а через два других конденсатора протека- ет ток 3dI . В интервале времени, когда открыты тиристоры VS1 и VS6, ток распределится так, что че- рез конденсатор, подключенный к клеммам фаз a и b , протекает ток равный 32 dI , а через два других конденсатора протекает ток 3dI . Полярность тока в конденсаторах, подключенных между клеммами a b и a c остается неизменной. Таким образом, средний ток в периоде ШИМ, вызывающий пульсации напря- жения в конденсаторах фильтра, равен 2dI . Провал напряжения на конденсаторе, вызванный протеканием этого тока, определяется согласно следующему соот- ношению: ΔΔ Δ=Δ CtIU d 2 , (3) где tΔ – интервал времени протекания тока. При соединении конденсаторов фильтра в звезду ток в сети определяется из соотношения: 3 pp CUI лs ω= . (4) Ток нагрузки при открытии двух тиристоров в вентильных группах всегда замыкается через два включенных конденсатора фильтра. Таким образом, провал напряжения на двух последовательно вклю- ченных конденсаторах составляет: pp CtIU dΔ=Δ 2 . (5) Для определения оптимальной с точки зрения величины изменения напряжения на конденсаторах схемы приравняем токи в сети и определим соотно- шение между емкостями конденсаторов, поделив (2) на (4), получим: Δ= CC 3 p (6) Подставляя (6) в (5) и поделив на (3) получим 34=ΔΔ ΔUU p (7) Таким образом, можно сделать вывод, что при одинаковом значении тока в сети в случае включения конденсаторов фильтра по схеме треугольника пуль- сации напряжения на конденсаторах меньше, чем при включении конденсаторов в звезду. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АУВИТ Система управления АУВИТ должна быть по- строена таким образом, чтобы в любой момент вре- мени для обеспечения пути тока dI было открыто только два ключа – один в анодной вентильной груп- пе и один в катодной. Недопустимо одновременное открывание двух или трех ключей в одной вентиль- ной группе, поскольку открытые ключи замкнут на- коротко один или несколько фильтровых конденсато- ров C . Существует 9 допустимых состояний откры- тых ключей, которые приведены в табл. 1. Таблица 1 Допустимыце состояния ключей в АУВИТ Номер Открытые ключи rai rbi rci 1 VS1, VS2 dI 0 dI− 2 VS2, VS3 0 dI dI− 3 VS3, VS4 dI− dI 0 4 VS4, VS5 dI− 0 dI 5 VS5, VS6 0 dI− dI 6 VS6, VS1 dI dI− 0 7 VS1, VS4 0 0 0 8 VS3, VS6 0 0 0 9 VS5, VS2 0 0 0 Известно несколько способов модуляции, учиты- вающих приведенные выше требования к состоянию ключей [1]. В данной статье рассматривается вектор- ная модуляция с ШИМ с постоянной частотой пере- ключения тиристоров. [2] Рассмотрим работу СУ АВИТ подробнее. На рис. 3 представлена векторная диаграмма то- ков сети. α β 16 −21− 32 − 43 − 54 − 65 −0 1 2 3 4 5 6 rI mI mI Рис. 3. Векторная диаграмма токов сети Векторы 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-1 соответствуют состояниям 1-6 из табл. 1. В каждом из секторов, для формирования токов сети можно использовать только три состояния, например, если вектор тока rI нахо- дится в секторе 1, то для ненулевых состояний токов сети открытыми могут быть ключи VS1, VS6 и VS2. В Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 21 качестве нулевого состояния целесообразно выбрать состояние 7. Таким образом, в секторе 1 открытыми могут быть тиристоры VS1 и VS2, VS4, VS6. Анало- гично для остальных интервалов допустимые комби- нации открытых ключей приведены в табл. 2. Таблица 2 Допустимые состояния открытых ключей Открытые ключи Номер сектора анодная группа катодная группа 1 VS1, VS2, VS4, VS6 2 VS1, VS3, VS5 VS2 3 VS3 VS2, VS4, VS6 4 VS1, VS3, VS5 VS4 5 VS5 VS2, VS4, VS6 6 VS1, VS3, VS5 VS6 Рассмотрим практическую реализацию такой системы. Разделим период сетевого напряжения на шесть интервалов, соответствующих секторам 1-6, так, как показано на рис. 4. Причем сектор 1 соответ- ствует фазе напряжения фазы a от 3π до 32π , то есть, обобщенный вектор напряжения сети совпадает с обобщенным вектором тока сети. Для формирова- ния требуемых значений фазных токов в каждом ин- тервале используется один и тот же алгоритм. au bu cucu− au− bu− 1VS6VS 2VS 3VS 4VS 5VS 16 32 4 5 ϑ 0 3 π 3 2π π 3 4π 3 5π π2 Рис. 4. Интервалы переключения тиристоров Рассмотрим интервал 1, в котором максимально фазное напряжение фазы a и максимально анодное напряжение тиристора VS1. Ток фазы a в этом ин- тервале положителен и превышает токи в других фа- зах. Поэтому в интервале 1 постоянно открыт тири- стор VS1, подключающий положительный вывод на- грузки к фазе a . Для регулирования токов фаз необ- ходимо попеременно переключать тиристоры VS2, VS4, VS6. Если открыт тиристор VS4, то ток нагрузки замыкается через тиристоры VS1 и VS4, выходное напряжение равно нулю. Если открыт тиристор VS6, то на выходе АУВИТ действует линейное напряжение abu , а если открыт тиристор VS2 – линейное напря- жение acu . Для дальнейшего рассмотрения алгоритма пере- ключения тиристоров введем коэффициенты заполне- ния фазных токов, равные отношению текущего зна- чения модуля тока задания соответствующей фазы cbasi к максимальному фазному току сети smI : ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ = = = smscc smsbb smsaa Iik Iik Iik (8) СУ АУВИТ построена по принципу верти- кального управления, то есть управляющие импульсы для тиристоров вырабатываются в моменты равенства сигнала управления и сигнала задания, как показано на рис. 5. В качестве опорного сигнала используется пилообразный сигнал, амплитуда которого определя- ет максимальное значение тока сети smI . Опорный сигнал сравнивается с сигналами задания по токам для фаз a и b , которые представляют собой модули токов соответствующих фаз. 0t Tt +0 Tkc Tkb Tka t smI sabcmI sbi sci i sai at bt ct Рис. 5. Формирование интервалов работы тиристоров Пересечению опорного сигнала с сигналом тока задания фазы a соответствует момент времени at . Поскольку развертка линейная, то справедливы сле- дующие соотношения: ( ) smsaa IiTtt =− 0 (9) Аналогично для фазы b : ( ) smsbb IiTtt =− 0 . (10) Можно показать, что ( ) smscc IiTtt =− 0 . (11) Таким образом, импульсы управления тиристо- рами VS2, VS4, VS6 вырабатываются в моменты пе- ресечения опорного сигнала с сигналами задания по токам для фаз a , b и c . Тиристор VS4, регулирующий среднее значение тока фазы a на периоде ШИМ, должен быть открыт в интервале длительностью Tkt a )1(2VS −= в конце периода. В интервале времени Tka должен быть от- крыт VS6, регулирующий среднее значение тока фазы b на периоде ШИМ, или VS2, регулирующий среднее значение тока фазы c на периоде ШИМ. Длитель- ность открытого состояния VS6 определяется через коэффициент фазы b – Tkt b=6VS , а длительность открытого состояния VS2 через коэффициент фазы c – Tkt c=2VS . Аналогично в интервале 2 постоянно открыт ти- ристор VS2, а переключаются тиристоры VS1, VS3, VS5. Тиристор VS5 обеспечивает управление средним значением тока фазы c , а тиристоры VS1, VS3 – средними значениями токов фаз a и b . Схема работает аналогично во всех шести интер- валах, изменяются только номера открытых тиристо- ров. Следовательно, выходное напряжение АУВИТ повторяется с частотой sω6 и имеет низкочастотный период повторяемости sdT ωπ= 3 , в котором, в свою очередь, можно выделить высокочастотный период повторяемости ШИМ – T . 22 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 АНАЛИЗ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АУВИТ Получим выражения, для определения среднего значения выходного напряжения АУВИТ в низкочас- тотном интервале повторяемости, приняв следующие допущения: 1 Напряжения на конденсаторах фильтра совпа- дают по фазе и амплитуде с линейными напряжениям сети (пренебрегаем падением напряжения на индук- тивности сети). 2 Ток нагрузки, замыкаясь через конденсаторы фильтра достаточно большой емкости, не приводит к пульсациям напряжения на входе коммутатора. Формирование выходного напряжение АУВИТ на низкочастотном интервале повторяемости показа- но на рис. 6. Для примера рассмотрим первый сектор см. рис. 3. au acu T abu du ct at t Рис. 6. Формирование выходного напряжения АУВИТ В каждом из интервалов ШИМ длительностью Т выделяются три интервала: 1. Интервал длительностью ct , в течение кото- рого открыты ключи VS1 и VS6, выходное напряже- ние acd uu = . 2. Интервал длительностью ca tt − , в течение ко- торого открыты ключи VS1 и VS2, выходное напря- жение abd uu = . 3. Интервал длительностью atT − , в течение ко- торого открыты ключи VS1 и VS4, выходное напря- жение 0=du . Среднее напряжение за период ШИМ можно оп- ределить как сумму двух интегралов согласно сле- дующему соотношению: ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += ∫∫ + + + tTk tTk ab tTk t acd a c c dttudttu T u )()( 1 . (12) Определим значения коэффициентов ca kk , в функции времени. Коэффициент ak можно определить следующим образом: smssamsmsaa ItIIik )sin(* ω== , (13) где aI – амплитуда тока фазы a . Аналогично для коэффициента bk smsscmsmscc ItIIik )34sin(* π−ω== . (14) Тогда среднее напряжение в периоде ШИМ можно определить как сумму двух интегралов: ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π+ω+ +π−ω = ∫ ∫ +ω + π−ω +π−ω dttU dttU T u t I TtI t I TtI sлm t I TtI t sлm d sзз ssam sm ssbm sm ssbm )6sin( )6sin( 1 )sin(* )34sin(* )34sin(* . (15) Выполняя операцию интегрирования, получим для среднего значения выходного напряжения в ин- тервале ШИМ следующее выражение: ( ) ( ) ( ) ( ) ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π+⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +ωω− ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π+⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + π−ω ω+ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + π−ω ω−−ω ω = 6 sin cos 6 34sin cos 6 34sin cos6cos t I tTI t I TtI t I TtI t T U U sm ssa s sm ssb s sm ssb ss s лm d .(16) Для анализа выражения (16) примем допущение, что в интервале периода ШИМ амплитуды сигнала задания в фазах a , b и c постоянны. Тогда ( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π++ωω− −π++π−ωω+ π−+π−ωω−π−ω ω = 6sincos 634sincos 634sincos6cos tTtkI tTtk tTtkt T U U sas ss sss s лm d .(17) Выражение (17) справедливо для периода повто- ряемости ШИМ. Для определения среднего значения напряжения в интервале dT необходимо просумми- ровать средние значения выходного напряжения АУВИТ в периодах ШИМ и поделить на число пе- риодов ШИМ в периоде dT . ∑ = = TT k dkdav d UU / 1 . (18) Анализируя (17), можно сделать вывод, что единственным регулируемым параметром является отношение амплитуды сигнала задания по выходному току к максимальному значению выходного тока k. На практике напряжение на конденсаторах фильтра отличается по форме от напряжения в сети. Для уменьшения высокочастотных пульсаций напря- жения на конденсаторах фильтра, вызванных током нагрузки, необходимо повышать их емкость, однако при этом повышается емкостной ток, потребляемый из сети, и возрастает падение напряжения на индук- тивности сети. Кроме того, емкость конденсаторов ограничивается из соображений недопустимости ре- зонанса на частотах сети и ШИМ. Ток в сети si представляет собой сумму cls iii += , где li – активный ток, то есть ток, форми- руемый АУВИТ, совпадающий по фазе с напряжени- ем сети, ci – ток, потребляемый конденсаторами фильтра емкостного характера. Таким образом, сум- марный фазный ток сети опережает фазное напряже- ние на угол ( )lc iiarctg=ϕ , причем действующее зна- чение тока сети равно 22 cls III += . Угол ϕ при Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 23 номинальном токе нагрузки, как правило, не превы- шает 20 электрических градусов, это ограничивает максимальное значение емкости конденсаторов фильтра. Если пренебречь индуктивностью сети L (а это возможно, поскольку индуктивное сопротивление на частоте сети существенно меньше емкостного), то максимальное значение емкости равно ( ) sm l U tgP C ω ϕ= 2 л max 3 (19) При lP =630 kW, maxϕ = 9π , mU л kV46.8= по- лучаем .4,3 FC μ= Рассмотрим искажения напряжения на конденса- торе, обусловленные падением напряжения на индук- тивности сети. В общем случае при произвольном значении уг- ла ϕ выражение для амплитуды напряжения на кон- денсаторах имеет вид: ϕ++= ΣΣ sin2 л 22 л LmLmCm UUUUU , (20) где LIU ssL ω=Σ 3 , а выражение для угла сдвига напряжения на конденсаторе относительного соответ- ствующего линейного напряжения сети: ( )CL UU Σϕ=δ cosarcsin . (21) Перейдем к относительным единицам, приняв за базис амплитудное значение линейного напряжения сети м U л . Обозначим mss ULIg л 3 ω= . Тогда: gU L =Σ . (23) Выражение (20) примет вид: ϕ++= sin21 2 * ggUCm , (24) а выражение (21) примет вид: ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕ++ ϕ=δ sin21 cos arcsin 2 gg g . (25) На рис. 7 приведены графики зависимости отно- сительного напряжения на конденсаторах фильтра CU от параметра g при значениях угла ϕ 2,3,4,6 ππππ . На рис. 8 приведены графики за- висимости угла сдвига напряжения на конденсаторах фильтра δ относительно соответст-вующего линейно- го напряжения сети от g при значениях угла ϕ 2,3,4,6 ππππ . Рассмотрим влияние пульсаций тока нагрузки на напряжение на конденсаторах фильтра. Для этого приближенно оценим соотношение между током сети sI и током нагрузки dI : ddssmфm IUIU =ϕ 2cos3 , (26) где dU – среднее значение напряжения на выхо- де АУВИТ, примерно равно (из 13) 2 л kUU md = , (27) где k - коэффициент регулирования smcbas IIk m = . Тогда, подставляя (27) в (26), после преобразовании получим: kII dsm 32= . (28) С учетом (1) и (2) получим: 32kII dCm = . (29) 1 1,05 1,1 1,15 1,2 0 0,05 0,1 0,15 0,2 g Uc pi/2 pi/3 pi/4 pi/6 Рис. 7. Относительное напряжение на конденсаторах 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0,05 0,1 0,15 0,2 g delta pi/6 pi/4 pi/3 pi/2 Рис. 8. Угол сдвига напряжения на конденсаторах относительно линейного напряжения сети Ток конденсатора состоит из двух составляющих: 1) Низкочастотной (с частотой сети); 2) Высокочастот- ной (с частотой ШИМ). Как было указано выше, ток dI замыкается через конденсаторы таким образом, что через конденсатор, подключенный к фазам, тиристоры в которых открыты, протекает ток 32 dI , а через два других конденсатора протекает ток 3dI . Характер изменения напряжения на конденсато- ре определяется суммой низкочастотного и высоко- частотного токов. Рассмотрим для примера интервал, соответствующий сектору 1. Для определения на- правлений токов в конденсаторах рассмотрим шесть участков. В секторе 1 линейные напряжения abu и cau знакопостоянны. Линейное напряжение bcu в интервале ÷π 3 2π отрицательно, а в интервале ÷π 2 32π положительно. Возможны три комбинации открытых тиристо- ров: VS1, VS2; VS1, VS6, VS1, VS4. Соответственно составим таблицу для определения токов через кон- денсаторы фильтра на каждом из шести участков. До- пустим, что напряжения сети представляют собой симметричную трехфазную систему. Тогда фазные токи сети равны: ( ) ( ) ( )⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ π−ϕ+ω= π−ϕ+ω= ϕ+ω= 34sin)( 32sin)( sin)( tIti tIti tIti smsa smsb smsa . (30) Токи конденсаторов, равны: ( ) ( ) ( )⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ π−ϕ+ω= π−ϕ+ω= π+ϕ+ω= 67sin)( 2sin)( 6sin)( tIti tIti tIti CmCca CmCbc CmCab s s s . (31) 24 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 В зависимости от величины угла ϕ первая гармо- ника тока через конденсатор будет сдвинута относи- тельно фазного напряжения сети. В интервале от 3π до 32π (первый сектор) при 2π=ϕ мгновенное зна- чение тока первой гармоники конденсатора отрица- тельно, а при угле 6π=ϕ мгновенное значение тока первой гармоники тока конденсатора положительно. Напряжения на конденсаторах, с учетом влияния индуктивностей сети определяются из следующих выражений: ( ) ( ) ( )⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ π−δ−ω= π−δ−ω= π+δ−ω= 67sin)( 2sin)( 6sin)( tUtu tUtu tUtu CmCca CmCbc CmCab s s s . (32) При моделировании АУВИТ для подавления ре- зонансных явлений оказалось необходимым включать последовательно с конденсаторами фильтра резисто- ры. Для рассмотренного примера оказалось достаточ- ным сопротивление резисторов 2 Ω . Выражения для напряжений на конденсаторах с учетом падения напряжения за счет тока нагрузки и с учетом падения на резисторах имеют вид: ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ −+= −+= −+= ∫ ∫ ∫ Δ+ Δ+ Δ+ Rtidtti C tUtu Rtidtti C tUtu Rtidtti C tUtu Cca tt t CcaCcaCca tt t CbcCbcCbcCbc tt t CabCabCabCab i i s i i s i i s )()( 1 )()( )()( 1 )()( )()( 1 )()( . (33) Из табл. 3 видно, что токи в конденсаторах на интервалах 1 и 2 могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от соотношения мгновенного значения линейного тока сети и тока нагрузки. Соответственно напряжение на конденсато- рах будет увеличиваться или уменьшатся. Причем величина приращения напряжения определяется со- гласно следующему выражению: CttitU CC Δ=Δ )()( , (34) где tΔ – интервал времени фиксированного состояния ключей. Для состояния 1 из табл. 3 это Tkc , для состоя- ния 2 – ( )Tkk ca − , для 3 – ( )Tka−1 соответственно. Таблица 3 Токи конденсаторов фильтра Интервал 23 π−π 322 π−π Состояние 1 2 3 1 2 3 Длительность Tkc ( )Tkk ca − ( )Tka−1 Tkc ( )Tkk ca − ( )Tka−1 )(tiCab 3)( dCab Iti s − 32)( dCab Iti s − )(ti sCab 3)( dCab Iti s − 32)( dCab Iti s − )(ti sCab )( ti Cbc 3)( dCbc Iti s − 3)( dCbc Iti s + )(ti sCbc 3)( dCbc Iti s + 3)( dCbc Iti s − )(ti sCbc )(tiCca 32)( dCca Iti s − 3)( dCca Iti s − )(ti sCca 32)( dCca Iti s − 3)( dCca Iti s − )(ti sCca Среднее значение изменения напряжения на кон- денсаторе при допущении постоянства тока CI на ин- тервале фиксированного состояния ключей составляет: CttitU CCav 2)()( Δ=Δ . (35) Тогда (35) приводится к виду: ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ −Δ+= −Δ+= −Δ+= RtiCttitUtu RtiCttitUtu RtiCttitUtu CcaCcaCcaCca CbcCbcCbcCbc CabCabCabCab s s s )(2)()()( )(2)()()( )(2)()()( 2 2 2 . (36) Уточним выражение (12), подставив в него вме- сто )(tUab и )(tUac )(tUCab и )(tUCbc− из (36). ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +−= ∫∫ + + + tTk tTk Cab tTk t Ccad a c c dttudttu T u )()( 1 . (37) РЕКУПЕРАТИВНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ АУВИТ Рассмотрим переход системы пуска с АУВИТ в режим рекуперативного торможения машины. В этом случае на входе АИТ действует отрица- тельное напряжение, представляющее собой выпрям- ленные противоЭДС обмоток статора. Ток через реак- торы dL должен протекать в том же направлении, что и в режиме передачи энергии из сети в машину. Сле- довательно, на выходе АУВИТ также должно быть отрицательное напряжение, среднее значение которо- го в установившемся режиме равно среднему значе- нию напряжения на входе АИТ. Для перевода АУВИТ в режим рекуперации не- обходимо изменить логику подачи управляющих им- пульсов. Допустим, что максимально анодное напря- жение тиристора VS1 (сектор 1 на рис. 6) Тогда в режиме передачи энергии из сети в на- грузку этот тиристор должен быть открыт постоянно, а тиристоры VS2, VS4, VS6 переключаются в периоде ШИМ формируя синусоидальный токов в фазах сети. В режиме рекуперации должен быть постоянно от- крыт тиристор VS4, а тиристоры VS1, VS3, VS5 пере- ключаются. То есть импульсы управления тиристорам анодной и катодной вентильных групп меняются мес- тами. Необходимо также изменить знак сигнала об- ратной связи по току в системе авторегулирования тока (сигнал на входе регулятора тока РТ по рис. 1). В режиме потребления энергии из сети, если величина тока в звене постоянного тока dI увеличивается, то уменьшается сигнал рассогласования, уменьшается амплитуда токов задания, уменьшается выходное на- пряжение АУВИТ, и, следовательно, уменьшается ток dI . А в режиме возврата энергии в сеть увеличение тока dI будет приводить к уменьшению выходного напряжения АУВИТ по модулю, однако, поскольку Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №6 25 это напряжение отрицательно, величина тока dI бу- дет возрастать. Поэтому для обеспечения обратной связи по току в режиме рекуперации необходимо из- менять полярность сигнала рассогласования. Таким образом, для обеспечения рекуперации в системе пуска на основе АУВИТ-АИТ необходимо специально формировать для СУ АУВИТ сигнал, по- зволяющий переход в режим возврата энергии в сеть. Очевидно, что возврат происходит в том случае, когда электромагнитный момент на валу меньше механиче- ского момента. Согласно уравнениям АМ признаком режима рекуперации является отрицательное значе- ние производной скорости вращения вала машины. Следовательно, эта величина должна рассчитываться в системе управления АМ. МОДЕЛИРОВАНИЕ АУВИТ-АИТ Для проверки полученных теоретических выво- дов составлена компьютерная модель АУВИТ. Моде- лировалась работа АУВИТ на активную нагрузку но- минального сопротивления, сигнал задания по току также устанавливался номинальным. Форма выходного напряжения в интервале вре- мени, содержащем период повторяемости (0,1033- 0,1067 с) приведена на рис. 9. Рис. 9. Форма выходного напряжения АУВИТ Как видно из рис. 9 выходное напряжение АУВ формируется из двух напряжений на конденсаторах входного фильтра. Видно, что напряжения на конден- саторах отстают от линейных напряжений сети на некоторых угол. Ток коммутатора, замыкаясь через конденсаторы, приводит к провалам напряжения на всем низкочастотном периоде повторяемости ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Предложен алгоритм векторного управления АУВИТ с использованием коэффициентов заполне- ния фазного тока, определяемых с помощью линей- ной развертки. 2. Показано, что среднее значение выходного на- пряжения АУВИТ на периоде повторяемости при до- пущении идеальности входного фильтра зависит только от коэффициента заполнения фазного тока k. 3. Показано, что падение напряжения на индук- тивности сети изменяет амплитуду и фазу линейного напряжения на конденсаторах согласно следующим выражениям: ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϕ++ ϕ=δϕ++= sin21 cos arcsinsin21 2 2 * gg g ggUCm . 4. Характер изменения напряжения на конденса- торе фильтра определяется суммой низкочастотного и высокочастотного токов конденсатора. Величина низ- кочастотного тока зависит от емкости конденсаторов, а величина высокочастотного тока – от комбинации включенных в коммутаторе АУВИТ ключей. 5. Для перевода системы пуска на основе АУВИТ и АИТ в режим рекуперации энергии необходимо из- менить логику подачи управляющих импульсов на ключи АУВИТ и изменить знак сигнала обратной свя- зи по току в системе авторегулирования тока. ЛИТЕРАТУРА [1] J.R. Rodriguez, J.W. Dixon, J.R. Espinoza, J. Pontt, P. Lez- ana. "PWM Regenerative Rectifiers: state of the Art" IEEE Trans. On Ind. Electr., vol. 52, № 1, 2005, p.p. 5-22. [2] Перетворювальна техніка. Підручник. Ч. 2/ Ю.П. Гонча- ров, О.В. Будьонний, В.Г. Морозов, М.В. Панасенко, В.Я. Ромашко, В.С. Руденко. За ред. В.С. Руденка. – Ха- рків: Фоліо, 2000. – 360 с. [3] Е.И.Сокол, Ю.П. Гончаров. Частотнорегулируемый электропривод на базе инвертора тока с переключением двигателя с преобразователя на сеть. "Технічна електродинаміка". Темат. Вып. "Силова електроніка та енергоефективність" ч. 5, 2007, С. 3-8. [4] Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. Учебное пособие. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, – 94 с. Поступила 05.04.2008

Анализ процессов в активном управляемом выпрямителе – источнике тока в системе пуска асинхронных машин

Institution

Ähnliche Einträge