Содержание
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 (ПЧ), освещены в работах [1] и [2].
Принципиальная схема включения трехфазного ПЧ с ШИМ и кабелем электродвигателя
Для регулирования асинхронного электродвигателя (АД) средней и малой мощности чаше других используется ПЧ с ШИМ согласно работы [1].
Такие ПЧ обеспечивают электроприводам:
- Повышенную управляемость.
- Быстродействие благодаря возможности получения практически любых требуемых соотношений частоты и амплитуды напряжения питания.
Упрощенная схема данного преобразователя частоты приведена на рисунке 1:
Наряду с преимуществами ПЧ с ШИМ обладают рядом недостатков указанных в работе [3]:
- Напряжение на выходе ПЧ с ШИМ существенно отличается от синусоидального, получаемого при питании АД от обычной сети переменного тока частотой 50 Гц, и 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 IGBT- транзисторами имеют имеют следующие преимущества:
- Время включения сотни наносекунд-единицы микросекунд.
- Допускаются многократные перегрузки по току продолжительностью до 10 мкс, что позволяет осуществлять их надежную защиту по управляющему входу согласно работе [4].
Управление IGBT осуществляется от специальных микросхем-драйверов со своими источниками питания и защиты согласно работ [3] и [2].
На рисунке 2 показана осциллограмма напряжения на зажимах АД, подключенного к ПЧ ШИМ:
На осциллограмме видны импульсы напряжения, сопровождающие включение и отключение транзисторов.
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 согласно работе [5].
Определение параметров цепей через следующее уравнение:
(1)
где
- Этим значениям соответствуют ƒэкв ≈ (1 — 5)* 106 Гц.
- При указанных значениях ƒэкв в кабеле и обмотках АД происходят быстропротекающие волновые электромагнитные процессы описанные в работах [1, 5, 6].
- В современных ПЧ ШИМ на выходе формируются трапецеидальные импульсы напряжения, длительность фронта которых изменяется в пределах tф ≈ (100 — 500)10-9 с.
- Уравнение отражает действие перенапряжения, производится с помощью эквивалентной частоты ƒэкв импульсов, определенной через длительность фронта импульса ƒф.
- 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… 103 Гц.
Отсюда для исследования и расчета этих процессов приходится применять теорию длинных линий передачи или цепей с распределенными параметрами согласно работе [6].
Считается на основании работы [5], что волна электромагнитного поля распространяется вдоль обмотки по пазовой изоляции, следовательно:
- 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.
Известно на основании работы [7], что простейшая модель кабеля, включающая два уравнения в частных производных, которая соответствует линии с:
- Последовательно включенными активным сопротивлением r0 и индуктивностью Lo.
- Параллельно включенными емкостью Со, и проводимостью Go.
На рисунке 3 представлена данная схема:
Обычно считается, что параметры такой линии не зависят от времени t и координаты х и одинаковы для прямого и обратного проводов.
Вывод системы уравнений и практическое моделирование Matlab
Уравнения, описывающие процессы, происходящие в длинной линии, запишем в следующем виде на основании работы [7]:
(2)
Если к жилам кабеля прикладывается гармонически изменяющееся напряжение, например синусоидальное, для решения может использоваться символический метод [8] и эквивалентная схема замещения, показанная на рисунке 3.
Система уравнений (2), при сделанных допущениях приобретает вид согласно работ [6] и [8]:
(3)
Система уравнений, описывающая обмотку АД как длинную линию передачи, имеет вид согласно работы [6]:
(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.
- G — поперечная проводимость.
- С — поперечная емкость.
Для решения уравнения (4) надо задаться начальными и граничными условиями, а именно:
- Рассчитать значения параметров на единицу длины и их изменение по длине обмотки.
- Схемой соединения элементов и их пространственным распределением.
- 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:
Моделирование показывает следующее:
- 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 согласно работе [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
- Беспалов В.Я., Зверев К.Н., Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя // Электротехника, 1999 год, №9, страница 56-59.
- Коськин Ю.П., Введение в электромеханотронику, Санкт-Петербург: Энергоатомиздат Санкт-Петербургское отделение, 1991 год.
- Зверев К.Н., Исследование волновых процессов в частотно-регулируемом асинхронном двигателе: Автореферат диссертации кандидата технических наук, Москва: Издательство МЭИ, 2000 год.
- Компания Семикрон http://www.semikron.com.
- Каганов 3.Г., Волновые напряжения в электрических машинах, Москва: Энергия, 1970 год.
- Каганов 3.Г., Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы, Москва: Энергоатомиздат, 1990 год.
- Бессонов Л.А., Теоретические основы электротехники, Электрические цепи: Учебник — Москва: Гардарики, 2001 год.
- Нейман Л.Р., Демирчян К.С., Теоретические основы электротехники: В 2 томах, Ленинград: Энергоатомиздат Ленинградское отделение, 1981 год.
- Срабатывание реле защиты от утечек при подключении к сети с изолированной нейтралью нелинейных нагрузок.
Источник: Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД / А.В. Бородин // Вестник КузГТУ, 2005 год, №2, страницы 36-38.
