You are currently viewing Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД

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 [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:

Рисунок 1 - Принципиальная схема включения трехфазного ПЧ с ШИМ и АД (упрощенная)
Рисунок 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 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 [4].

Управление IGBT осуществляется от специальных микросхем-драйверов со своими источниками питания и защиты [3], [2].

На рисунке 2 показана осциллограмма напряжения на зажимах АД, подключенного к ПЧ ШИМ:

Рисунок 2 - Осциллограмма напряжения на выходе ПЧ-ШИМ
Рисунок 2 - Осциллограмма напряжения на выходе 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 [5].

Определение параметров цепей через следующее уравнение:

 

Особенности исследования работы системы ПЧ с ШИМ–кабель–АД 1
(1)

где

  • Уравнение отражает  действие перенапряжения, производится с помощью эквивалентной частоты ƒэкв импульсов, определенной через длительность фронта импульса ƒф.
  • 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 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:

Рисунок 3 - Участок и схема замещения кабеля как электрической длинной линии
Рисунок 3 - Участок и схема замещения кабеля как электрической длинной линии

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 виде [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 [6], [8]:

(3)

­ Система уравнений, описывающая обмотку АД как длинную линию передачи, имеет вид [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.
  • С — поперечная емкость.
  • G — поперечная проводимость.

Для решения уравнения (4) надо задаться начальными и граничными условиями, а именно:

  • 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:

Рисунок 4 - Линейное напряжение на зажимах двигателя и управляющие импульсы одного из транзисторов контролируемой фазы
Рисунок 4 - Линейное напряжение на зажимах двигателя и управляющие импульсы одного из транзисторов контролируемой фазы

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 [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.
  9. 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. — №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