Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД

Частотное регулирование, пуск и торможение относятся к наиболее экономичным методам управления короткозамкнутыми асинхронными двигателями. В настоящее время частотное управление считается целесообразным при питании двигателей от статических преобразователей частоты [1], [2].

Для регулирования АД средней и малой мощности чаше других используется ПЧ с ШИМ [1]. Такие ПЧ (рис. 1) обеспечивают электроприводам повышенную управляемость, быстродействие благодаря возможности получения практически любых требуемых соотношений частоты и амплитуды напряжения питания.

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 1
Рис. 1 - Принципиальная схема включения трехфазного ПЧ с ШИМ и АД (упрощенная)

Наряду с преимуществами ПЧ с ШИМ обладают рядом недостатков [3], напряжение на выходе ПЧ с ШИМ существенно отличается от синусоидального, получаемого при питании АД от обычной сети переменного тока частотой 50 Гц. Это обстоятельство требует учета наличия высших гармоник в кривой напряжения, подводимого от ПЧ к АД. К последствиям несинусоидального питания следует отнести колебания электромагнитной силы АД, увеличение вихревых токов и механические резонансы в килогерцовом диапазоне, которые ведут к усилению шума и вибрации.

Колебания момента и акустический шум могут быть уменьшены за счет увеличения частоты коммутации вентилей. Применение в ПЧ современных IGBT-транзисторов [3] позволяет увеличить частоту коммутации до 20… 50 кГц.

Модули с ЮВТ- транзисторами имеют время включения сотни наносекунд — единицы микросекунд, допускают многократные перегрузки по току продолжительностью до 10 мкс, что позволяет осуществлять их надежную защиту по управляющему входу [4]. Управление IGBT осуществляется от специальных микросхем-драйверов со своими источниками питания и защиты [3], [2].

На рис. 2 показана осциллограмма напряжения на зажимах АД, подключенного к ПЧ ШИМ, на котором видны импульсы напряжения, сопровождающие включение и отключение транзисторов.

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 2
Рис. 2 - Осциллограмма напряжения на выходе ПЧ-ШИМ

Импульсы или перенапряжения возникают из-за крутых фронтов изменения напряжения на выходе ПЧ ШИМ, вызывающих процессы распространения электромагнитных волн вокруг кабеля от ПЧ до АД и около статорной обмотки АД.

Бегущие электромагнитные волны приводят к неравномерному распределению напряжения по длине обмотки АД. Наибольшая электрическая нагрузка приходится на межвитковую изоляцию первых витков, которые электрически расположены ближе всего к месту соединения кабеля и обмотки [5].

Определение параметров цепей, в которых действуют перенапряжения, производится с помощью эквивалентной частоты ƒэкв импульсов, определенной через длительность фронта импульса ƒф.

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 3

(1)

В современных ПЧ ШИМ на выходе формируются трапецеидальные импульсы напряжения, длительность фронта которых изменяется в пределах tф ≈ (100 — 500)10-9 с. Этим значениям соответствуют ƒэкв ≈ (1 — 5)* 106 Гц.

При указанных значениях ƒэкв в кабеле и обмотках АД происходят быстропротекающие волновые электромагнитные процессы [1, 5, [6]. Скорости движения волн электромагнитной энергии, соответствующие ƒэкв, значительно (в 104 — 103 раз) превышают скорости преобразования энергии при обычных номинальных частотах (50 Гц) или частотах регулирования 10… 103Гц.

Отсюда для исследования и расчета этих процессов приходится применять теорию длинных линий передачи или цепей с распределенными параметрами [6].

Считается [5], что волна электромагнитного поля распространяется вдоль обмотки по пазовой изоляции. Это поле одновременно проникает как в медь обмотки, так и в сталь сердечника и корпуса.

Глубина проникновения поля тем меньше, чем выше скорость изменения напряжения на фронте волны или чем больше эквивалентная частота.

Известна [7], что простейшая модель кабеля, включающая два уравнения в частных производных, которая соответствует линии с последовательно включенными активным сопротивлением r0 и индуктивностью Lo и параллельно включенными емкостью Со, и проводимостью Go (рис. 3). Обычно считается, что параметры такой линии не зависят от времени t и координаты х и одинаковы для прямого и обратного проводов.

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 4
Рис. 3 - Участок и схема замещения кабеля как электрической длинной линии

Уравнения, описывающие процессы, происходящие в длинной линии, запишем в виде [7]:

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 5

(2)

Если к жилам кабеля прикладывается гармонически изменяющееся напряжение, например синусоидальное, для решения может использоваться символический метод [8] и эквивалентная схема замещения, показанная на рис. 3.

Система уравнений (2), при сделанных допущениях приобретает вид [6], [8]:

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 6

(3)

­ Система уравнений, описывающая обмотку АД как длинную линию передачи, имеет вид [6]:

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 7

(4)

где

  • rM — эквивалентное сопротивление витков катушки, учитывающее потери в меди
  • гст — сопротивление, учитывающее потери в стали
  • L — эквивалентная индуктивность катушки
  • К — продольная (межвитковая) емкость
  • С — поперечная емкость
  • G — поперечная проводимость

Для решения уравнения (4) надо задаться начальными и граничными условиями (схемой соединения элементов и их пространственным распределением, рассчитать значения параметров на единицу длины и их изменение по длине обмотки, знать форму, амплитуду и длительность импульса).

Получить решение уравнения (4) при учете скорости нарастания, длительности импульса и того факта, что следующий импульс подается в то время, когда колебательный процесс от предыдущего импульса еще не завершен, пока не удается.

На рисунке 4, приведены результаты моделирования в пакете Matlab системы инвертор с ШИМ-кабель-АД.

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 8
Рис. 4 - Линейное напряжение на зажимах двигателя и управляющие импульсы одного из транзисторов контролируемой фазы

Моделирование показывает, что максимальные перенапря­жения возникают на зажимах двигателя, а, следовательно, и на ближайших витках обмотки АД. Значения ударного напряжения зависят от tф импульсов, частоты их следования, значений и соотношений L, С и rст и других факторов.

Используя систему Matlab, можно рассматривать различные варианты выполнения обмоток в АД, выбрать оптимальные режимы функционирования ПЧ ШИМ на основе технологий электромеханотроники [2].

Частоту следования и длительность импульсов ПЧ ШИМ, например, следует согласовать с параметрами АД: амплитуды перенапряжений значительно увеличиваются, если очередной импульс напряжения подводится к обмотке при продолжающемся волновом процессе от предыдущего импульса.

Из приведенного анализа и результатов моделирования можно сделать вывод, что способы расчета индуктивных и активных сопротивлений требуют уточнения при исследовании и расчете волновых процессов и перенапряжений, возникающих при работе системы ПЧ-кабель- АД. А также необходимо учитывать то, что кабель и двигатель следует рассматривать, как цепи с распределенными параметрами.

Список литературы

  1. Беспалов В. Я., Зверев К. Н. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя // Электротехника. 1999. № 9. С. 56-59.
  2. Коськин Ю. П. Введение в электромеханотронику. СПб.: Энергоатомиздат. СПб. отд-ние, 1991.
  3. Зверев К. Н. Исследование волновых процессов в частотно-регулируемом асинхронном двигателе: Автореф. дис…канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2000.;
  4. Компания Семикрон http://www.semikron.com
  5. Каганов 3. Г. Волновые напряжения в электрических машинах. М.: Энергия, 1970.
  6. Каганов 3. Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990.
  7. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. — М.: Гардарики, 2001.
  8. Нейман Л. Р., Демирчян К С. Теоретические основы электротехники: В 2 т. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1981.

Источник: Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД / А.В. Бородин // Вестник КузГТУ. — 2005. — №2. — C. 36-38

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org