УДК 621.314
Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет
«Харківський політехнічний інститут»
(НТУ «ХПІ»)
61002, М.Харків, вул.Фрунзе 21
тел. (057) 707-693-14
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Проректор НТУ «ХПІ» з наукової роботи
д-р техн. наук, проф. А.П. Марченко
_________________________
«___»_____________ 2009 р.
ЗВІТ
По госпдоговору №78927
Розробка методики аналізу аварійних режимів
вентильних перетворювачів
Керівник госпдоговору
д-р техн. наук, проф. ___________ Є.І.Сокол
Харкiв 2009
СПИСОК АВТОРІВ
|
Керівник госпдоговору д-р.техн.наук., проф.
|
|
Є.І.Сокол |
|
Відповідальний виконавець, канд.техн.наук, проф.
|
|
В.В. Івахно
|
|
Канд.техн.наук., проф.
|
|
В.В Замаруєв
|
|
Технік 1-ї кат.
|
|
Б.О. Стисло
|
РЕФЕРАТ
Отчет по Договору: 156 с., 35 рис., 5 табл., 3 приложения, 43 источника.
Объект работы - разработка методики анализа аварийных режимов преобразователей частоты для асинхронного частотнорегулируемого электропривода, построенных по структуре трехфазная сеть 380 В 50 Гц – неуправляемый трехфазный выпрямитель – емкостной фильтр – автономный трехфахный инвертор напряжения на IGBT – транзисторах – коммутационный фильтр – асинхронный двигатель.
Описаны показатели и характеристики надежности электронных компонентов и методика определения основных показателей надежности компонентов преобразователя и электронной системы в целом, понятие отказа в электронных системах, характерные отказы компонентов, приведены численные значения интенсивностей отказов и другие показатели надежности компонентов преобразователей для электропривода, способы повышения надежности преобразовательных систем. Составлены MATLAB модели первичного и вторичного звеньев преобразователя, асинхронного двигателя и системы управления для преобразователя с номинальной нагрузкой 8 кВт и частотой ШИМ 6 кГц. Приведено моделирование аварийных процессов в преобразователе в случае наступления внезапных отказов в силовой схеме, получены соответствующие машинограммы токов и напряжений схемы.
Область применения: энергетика, преобразовательная техника.
АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ШИМ, IGBT-ТРАНЗИСТОР, ОТКАЗ, НАДЕЖНОСТЬ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, SPICE, MATLAB, МАШИНОГРАММЫ
Условия получения отчета: по договору: запрос по адресу 61002, Харьков, ул.Фрунзе, 21, НТУ «ХПИ», кафедра «Промышленная и биомедицинская электроника»
ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ
АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНОРЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПРИ ПИТАНИИ ОТ 3-Х ФАЗНОЙ СЕТИ 380 В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1. Общий принцип управления АД. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.2. Типовая структура двухзвенного ПЧ для АД. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3. Общий принцип работы АИН двухзвенного ПЧ для АД . . . . . . . . . . 17
1.4. Основные соотношения для выбора типов силовых..
компонентов ПЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5. Типовые отказы в силовой схеме ПЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.1. Термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.2. Краткие сведения по теории вероятностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2.3. Законы и числовые характеристики
распределения случайных величин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4. Параметры безотказности электронных компонентов . . . . . . . . . . . .62
2.5. Параметры безотказности электронных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
2.6. Методика расчета надежности системы при внезапных
отказах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
2.7. Способы повышения надежности ЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.7.1. Характерные отказы компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
2.7.2. Способы повышения надежности ЭС
на этапе проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
3. АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В
АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
3.1. Общие принципы анализа аварийных режимов . . . . . . . . . . . . . . . . .105
3.2. Особенности пакта MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3. Особенности PSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4. MATLAB – модель преобразователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.5. Примеры моделирования аварийных процессов
в преобразователе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
3.5.1. Моделирование процессов при обрыве фазы во
входной цепи выпрямителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.5.2. Моделирование процессов в выпрямителе при
отказе диода типа обрыв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5.3. Моделирование процессов в выпрямителе при
отказе диода типа короткого замыкания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
3.5.4. Моделирование процессов в АИН при
обрыве фазы АД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
3.5.5. Моделирование процессов в АИН при отказах
компонентов коммутационного фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.5.6. Моделирование процессов в АИН при отказах в АД . . . . . .144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
ПРИЛОЖЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Типовая зависимость среднего времени
наработки на отказ электролитического конденсатора от
температуры и коэффициента нагрузки по току . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Номограмма для определения среднего
времени наработки на отказ электролитического
конденсатора температуры и коэффициента нагрузки по току. . . . . . . . 155
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Типовая зависимость величины
поправочного коэффициента к номинальному значению
интенсивности отказов электролитических
конденсаторов от температуры и коэффициента нагрузки
по напряжению. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире примерно половина вырабатываемой электроэнергии используется для преобразования в механическую работу при помощи различного рода электродвигателей, для электропитания которых требуется, как правило, осуществлять преобразование первичной электроэнергии, поступающей из первичного для электромеханической системы источника энергии (например, промышленная трехфазная электросеть 380 В 50 Гц), в электроэнергию с параметрами, необходимыми для работы электродвигателя соответствующего типа. Среди электродвигателей, используемых в различного рода промышленных механизмах, на электротранспорте, в других отраслях народного хозяйства, следует особо выделить асинхронные трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД). Известно, что эти двигатели, по сравнению с, например, коллекторными двигателями постоянного тока, отличаются существенно более высокой надежностью (в связи с отсутствием подвижных электромеханических контактов между статором и ротором - щеток), меньшей массой, относительной простотой в производстве и эксплуатации, меньшей стоимостью. Подавляющее большинство электродвигательных систем общепромышленного назначения в различных отраслях народного хозяйства строятся на базе АД.
Существенной особенностью АД является то, что для его работы в составе регулируемого электропривода требуется регулируемый по определенному закону, как по частоте, так и по величине выходного напряжения, источник питания (так наз. преобразователь частоты, ПЧ). В качестве такового на современном этапе развития технологии преобразования электроэнергии в механическую используются различного рода полупроводниковые преобразователи параметров электроэнергии. Их основой является силовой коммутатор – набор силовых полупроводниковых приборов (СПП) (специфических полупроводниковых приборов, работающих в так называемом ключевом режиме), управляемых специальной системой управления (СУ). Импульсы напряжения (тока), генерируемые СУ, воздействуя на специальные (управляющие) электроды СПП силового коммутатора, производят переключения (включение либо выключение) СПП силового коммутатора по определенному алгоритму, обеспечивая преобразование входной электроэнергии источника в электроэнергию с требуемыми для данного потребителя (электродвигателя либо другой нагрузки) параметрами.
Вопросами эффективного преобразования параметров электроэнергии при помощи ключевых способов, с использованием СПП, занимается силовая электроника (преобразовательная техника) - прикладная область электротехники. Предметом силовой электроники является разработка, исследование, внедрение в различные отрасли народного хозяйства высокоэффективных силовых полупроводниковых преобразователей параметров электроэнергии.
Успехи преобразовательной техники напрямую связаны с достижениями в области технологии полупроводниковых приборов. Современные СПП изготавливаются на высокотехнологических предприятиях по технологиям, подобным технологиям других полупроводниковых приборов. Процесс производства современных СПП является отражением передовых научно-технических достижений в области физики, химии, материаловедения, электроники, автоматизации машиностроения и др.
С середины 1990-х годов, в результате интенсивных исследований и качественного скачка в технологии производства полупроводников, на рынке СПП появились полностью управляемые СПП, обладающие совокупностью свойств, позволяющих создавать высокоэффективные ПЧ для регулируемого асинхронного электропривода массового применения - т. наз. биполярные транзисторы с изолированным затвором (InsulatedGateBipolarTransistor, IGBT). В настоящее время, в результате дальнейшего усовершенствования характеристик и параметров IGBT, использование ПЧ для АД на основе трехфазных инверторов напряжения на IGBT является массовым, в том числе при питании ПЧ от трехфазной сети 380 В 50 Гц в диапазоне выходных мощностей до нескольких десятков и сотен киловатт.
Среди технико – экономических показателей и характеристик ПЧ для асинхронного электропривода, таких, как высокий коэффициент полезного действия, обеспечение требуемых регулировочных характеристик (соотношений частоты выходного напряжения и его действующего значения в зависимости от величины момента на валу АД и скорости вращения вала), динамических свойств (возможности оперативно управлять скоростью вращения вала при изменении величины момента на валу АД), электромагнитной совместимостью с питающей сетью, массогабаритных и стоимостных показателей и др. – следует особо выделить группу показателей и характеристик, связанных с надежностью как преобразователя, так и системы электропривода в целом.
Надежность – широкое качественное понятие. Стандарт ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» определяет надежность (англоязычный термин - reliability, dependability) как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [1]. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. Разумеется, каждое из вышеперечисленных понятий имеет свое количественное «наполнение».
С точки зрения теории надежности, объект техники (например, комплекс ПЧ-АД) может находиться в исправном (работоспособном) состоянии (таком состоянии, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации) либо в неисправном состоянии (таком состоянии, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации).
Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта (переход из исправного состояния в неисправное), есть отказ. При наступлении события отказ в большинстве случаев эксплуатация объекта является невозможной, возникает перерыв в работе, что влечет за собой экономический ущерб. Часто в результате отказа происходит необратимый выход из строя (необратимое повреждение) компонентов преобразователя, такое событие признается аварией. Аварийными признаются также события, при которых, хоть и не происходит необратимое повреждение компонентов системы, но наблюдаются электромагнитные перегрузки компонентов (существенное превышение электромагнитных нагрузок компонентов номинальных значений либо приближение к предельно допустимым значениям). При аварии, сопровождающейся необратимым выходом из строя компонента (так называемый предельный отказ, при котором дальнейшая эксплуатация компонента невозможна либо не целесообразна), для дальнейшей эксплуатации всего комплекса требуется ремонт, что, помимо экономического ущерба, связанного с перерывом в работе, влечет за собой дополнительные затраты на замену отказавших компонентов, трудозатраты и т.п. Ясно, что причины отказов, их последствия, вопросы поведения компонентов ПЧ в аварийных режимах, должны быть изучены с целью выработки рекомендаций и технических решений, направленных на повышение надежности и в конечном счете – минимизации экономического ущерба, сопровождающего снижение надежности системы ПЧ-АД.
В качестве примеров таких событий можно привести:
- отказ во входной цепи типа обрыва фазы в питающей сети трехфазного переменного напряжения 380 В 50 Гц;
- отказ в выходной цепи ПЧ либо в АД типа внезапного затормаживания двигателя, к.з. обмоток и т.п., приводящих к росту тока выходной фазы либо во всех трех фазах статорных обмотках АД;
- отказ (например, предельный отказ типа пробоя) электронного ключа силового коммутатора ПЧ) либо не включение управляемого силового ключа по сигналу СУ.
Положения теории надежности, опыт эксплуатации преобразователей, в том числе для асинхронного электропривода, показывает, что в значительной степени вероятность возникновения события отказ, а также тяжесть последствий отказов, в большой степени зависит от электромагнитных нагрузок компонентов преобразователя, в частности, от величин токов и напряжений этих компонентов в различных – установившихся рабочих, а также в аварийных режимах. Поэтому, для выработки рекомендаций по обеспечению надежности, следует, во первых, выяснить связи между электромагнитными нагрузками компонентов и характеристиками надежности, и, во вторых, разработать методику анализа поведения ПЧ для асинхронного электропривода (определения соответствующих характеристик компонентов) в аварийных режимах. Разрабатываемая методика должна позволять находить численные значения электромагнитных и прочих (например, тепловых) нагрузок на силовые компоненты преобразователя при возникновении отказов и аварийных ситуаций в ПЧ.
Процессы, протекающие в силовых компонентах преобразователей при возникновении случайного события отказ, достаточно сложны для анализа традиционными методами аналитического исследования. Поэтому, при анализе электромагнитных нагрузок силовых компонентов, может быть целесообразно использование средств вычислительной техники с применением имитационных моделей преобразовательных систем, в том числе для систем ПЧ-АД.
В настоящее время, в связи с относительно небольшим опытом массовой эксплуатации современных ПЧ для АД на основе трехфазных инверторов напряжения на IGBT, данные вопросы изучены недостаточно полно.
Целями работы являются:
- обобщение и систематизация сведений из общей теории надежности и конкретизация этих положений применительно к объекту исследования – типовой схемы ПЧ для АД на основе трехфазных инверторов напряжения на IGBT;
- выявление и систематизация данных о характеристиках силовых компонентов схемы ПЧ для АД, имеющих отношение к надежностным характеристикам ПЧ для АД;
- разработка методики получения численных значений электромагнитных нагрузок на силовые компоненты в рабочих и аварийных режимах, знание которых позволяет корректно выбирать типы силовых компонентов ПЧ;
- анализ возможностей современных пакетов прикладных программ имитационного моделирования устройств преобразовательной техники при определении электромагнитных нагрузок силовых компонентов в аварийных режимах и выработка рекомендаций по предпочтительному использованию соответствующих пакетов;
- составление адекватных компьютерных имитационных моделей ПЧ для АД для моделирования аварийных процессов в преобразовательной системе и проведение экспериментов на этих моделях;
- выработка рекомендаций для выбора типов силовых компонентов, позволяющих обеспечить заданные показатели надежности, в т.ч. обеспечение не выхода из строя прочих компонентов силовой части ПЧ при отказах.