2836.Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизирова

Второй вариант представлен фирмой ABB с ПЧ серии ACS2000 [3], в котором инверторная часть представляет собой пятиуровневую схему с активной фиксированной нейтралью 5L-ANPC (рис. 5). В качестве выпрямителя ABB предлагает либо диодную схему DFE с трансформатором, в котором четыре вторичные обмотки, либо схему активного выпрямителя (AFE – Active Front End), состоящую из схемы 5L-ANPC и также предполагающую использование бестрансформаторной схемы подключения к сети (Direct-to-line).

Недостатком схемы M2C является избыточность количества силовых приборов, обусловленная необходимостью управлять уровнем напряжения на конденсаторе C в субмодуле. Общее количество транзисторов оказывается в два раза большим, чем в схеме с Н-мостами. В отличие от схемы M2C пятиуровневой схеме с активной фиксированной нейтралью фирмы ABB необходимо меньшее количество силовых приборов, она обладает простой силовой схемой и минимальными энергетическими потерями. Данное обстоятельство позволяет предположить, что схема 5L-ANPC более перспективна для исследований.

Рассмотрим особенности схемы 5L-ANPC с точки зрения вычисления коммутационной функции для управления силовыми транзисторами. Наличие в фазах ПЧ конденсаторов C, которые позволяют формировать дополнительные уровни напряжения на выходе преобразователя, означает необходимость контролирования и поддержки значения напряжения на них. Заряд (либо разряд) конденсатора зависит от направления протекания тока через него, а требуемость заряда (либо разряда) зависит от уровня напряжения на конденсаторе. Конденсатор участвует в формировании выходного напряжения ПЧ при задании Uвых = ±UDC/2. Таким образом, эти условия (направление тока и уровень напряжения на конденсаторе) и определяют выбор из избыточных состояний коммутационной функции (рис. 6). Следует заметить, что изменение напряжения на конденсаторе зависит от значения и времени протекания через него силового тока (количество заряда), которое зависит от периода коммутации транзисторов. В схемах с H-мостами параметры конденсатора зависят от реактивной мощности нагрузки за период выходного напряжения, который много больше периода коммутации.

Эффективность применения векторной широтноимпульсной модуляции для вычисления коммутационной функции в многоуровневых ПЧ с конденсаторами в фазах не столь очевидна, как в ПЧ по схеме Ларионова. Возможность расширения зоны линейной зависимости амплитуды выходного напряжения от глубины модуляции нивелируется использованием метода предмодуляции третьей гармоникой задания. Уменьшение же количества коммутаций за период выходного напряжения при векторной ШИМ негативно влияет на изменение значения напряжения на конденсаторах, которое становится неуправляемым при отсутствии изменений коммутационной функции транзисторов в фазе ПЧ.

При использовании трехфазной синусоидальной ШИМ целесообразно смещать несущий пилообразный

Рис. 5. Фаза инвертора 5L-ANPC

Рис. 6. Способы формирования Uвых = UDC/2 в схеме 5L-ANPC

сигнал для отдельных фаз ПЧ на треть периода коммутации. Это позволит уменьшить завышенную амплитуду линейного напряжения на периоде коммутации, которое происходит вследствие наложения коммутации транзисторов в соседних фазах (рис. 7). Данное обстоя-

тельство особенно актуально для схемы 5L-ANPC, в которой уровень коммутируемого напряжения выше, чем в схеме M2C.

Полученное в результате математического моделирования работы схемы 5L-ANPC выходное напряжение показано на рис. 7. Максимальное значение коммутируемого напряжения, равное UDC/2, может потребовать установки выходного синусного фильтра и использования силовых транзисторно-диодных модулей более высокого класса. Это приводит к увеличению стоимости ПЧ, однако оно не ожидается значительным в силу простоты силовой схемы и минимального количества силовых приборов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высоковольтные преобразователи частоты, построенные по схеме 5L-ANPC, на сегодняшний день являются наиболее перспективными и обладают одними из лучших показателей по энергоэффективности. Это достигается благодаря малому количеству силовых ключей

в ПЧ. Простота схемы положительно влияет на массогабаритные показатели ПЧ, которые можно значительно улучшить при использовании активного выпрямителя и бестранформаторного варианта подключения к сети. Применение одного конденсатора в фазе инвертора, вместо двадцати в схеме M2C, значительно упрощает вычисление коммутационной функции. Из недостатков можно выделить лишь необходимость применения выходного, а в схеме без трансформатора и входного фильтра; а также вопрос безопасной коммутации последовательно соединенных силовых транзисторов. Но без подобных вызовов менее интересен труд разработчика.

Библиографический список

1.Chaudhuri T. Cross connected multilevel voltage source inverter topologies for medium voltage applications / École polytechnique fédérale de lausanne. Suisse, 2008.

2.The reliable medium-voltage drive with IGCTs. SINAMICS GM150 and SM150 medium-voltage drives: Brochure, Siemens AG, 2008.

3.Basler M. A new medium voltage drive system based on ANPC-5L technology // IEEE-ICIT 2010 CHILE / ABB Switzerland Ltd. March 2010.

Company “ERASIB”,

Novosibirsk, Russian Federation

В данном докладе представлены основные характеристики силового преобразовательного устройства типа «ЭРАТОН-ФР», а также работа его силовой схемы при регулировании скорости трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором.

This report describes the main performances of the power electronic converter “ERATON-FR” and the operating principle of the electric power circuits for speed control of three-phase doubly-fed induction motor on the basis of “ERATON-FR”.

Ключевые слова: асинхронный двигатель с фазным ротором, преобразователь частоты, электропривод, подъемная шахтная машина.

Keywords: doubly-fed induction motor, frequency converter, electrical drive, mine winder.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение энергоэффективности подъемных шахтных машин (ШПМ) неразрывно связано с модернизацией исполнительного тягового электропривода (ЭП), в большинстве случаев реализованного на базе высоковольтного асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФР), изменение частоты вращения которого осуществляется с помощью резисторных станций. Данному способу регулирования скорости присущи следующие основные недостатки:

♦ низкие энергетические показатели, обусловленные работой в области «больших» скольжений и малыми рабочими значениями cosφ = 0,35…0,65, а также рассеиванием кинетической энергии в цепи ротора

врежимах динамического торможения;

♦нестабильность функционирования в области малых угловых скоростей при изменении момента сопротивления из-за высокой крутизны механических характеристик;

♦повышенный износ оборудования вследствие ударныхмоментовималогозначениякоэффициентаплавности;

♦использование при торможении механического тормоза.

Novosibirsk State Technical University,

Novosibirsk, Russian Federation

В этой связи наибольшие перспективы в прикладных задачах снижения активных потерь в ШПМ имеют специализированные электромеханические системы переменного тока, построенные по силовой схеме асинхронизированной синхронной машины (машины двойного питания) с векторным управлением магнитным состоянием и частотой вращения по цепи ротора. В рамках технической реализации указанного выше подхода к модернизации ЭП ЗАО «ЭРАСИБ» поставляет на отечественный рынок силовой электротехнической продукции многофункциональное преобразовательное устройство «ЭРАТОН-ФР», которое представляет собой многоуровневый транзисторный преобразователь частоты (ПЧ) с цифровым микропроцессорным управлением. В силу использования в силовой цепи низковольтных IGBT-модулей «ЭРАТОН-ФР» имеет намного меньшую стоимость, чем высоковольтные преобразовательные устройства для регулирования скорости АДФР по цепи статора в случае закороченного ротора [1].

I. ДОСТОИНСТВА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ СЕРИИ «ЭРАТОН-ФР»

К основным достоинствам «ЭРАТОН-ФР» можно отнести:

♦плавное регулирование скорости как вниз (в бездатчиковом варианте с алгоритмами типа [2, 3]), так

ивверх от синхронной (2:1) с постоянством момента на валу, что создает предпосылки повышения производительности ШПМ;

♦алгоритмы адаптации с начальной самонастройкой, основанные на автоматической предварительной

итекущей идентификации параметров АДФР как объекта векторного управления, существенно сокращающие трудозатраты при наладке ЭП с одновременным обеспечением стабильности его динамических и статических показателей во всех квадратах плоскости механических характеристик;

♦режим рекуперативного торможения АДФР, в рамках которого достигается минимальное время торможения

идополнительнаяэкономияэлектрическойэнергии;

♦возможность работы в качестве полупроводникового компенсатора реактивной мощности по основной гармонике;

♦обеспечение функции выравнивания и синхронизации токов/моментов в многодвигательном исполнении;

♦разветвленная система защит, осуществляющая блокировку силового электрооборудования при возникновении нештатных или аварийных ситуаций;

♦цифровой пульт местного управления и все необходимые интерфейсные модули, предназначенные для включения «ЭРАТОН-ФР» в состав автоматической системы управления технологическими процессами более высокого уровня.

II. ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АДФР

В качестве примера построения силовой схемы ЭП на базе АДФР с векторным управлением по цепи ротора на рисунке изображена упрощенная функциональная схема «ЭРАТОН-ФР-630-855-440», предназначенного для регулирования частоты вращения исполнительного двигателя мощностью 630 кВт с линейным напряжением и фазным током ротора 855 В и 440 А соответственно. Как видно из рисунка, комплект электрооборудования состоит из трех раздельных шкафов ШК1, ШК2, ШК3, подключенных к собственной трехфазной вторичной обмотке трансформатора Tp, внутри которых располагаются автономный инвертор напряжения (АИН) (активный выпрямитель), звено постоянного тока на основе конденсаторной батареи С и H-мост. Для исключения прохождения высокочастотных пульсаций в питающую сеть между Tp и активным выпрямителем, предназначенным для преобразования напряжение сети переменного тока в постоянное напряжение звена постоянного тока и обратно, установлен силовой трехфазный LC-фильтр (расчет синус-фильтра осуществляется по методике [4]). В свою очередь, H-мост преобразует напряжение звена постоянного тока в однофазное переменное напряжение с заданными амплитудой и частотой.

Применение в инверторах быстродействующих IGBT-транзисторов с низкими коммутационными потерями позволяет работать с относительно высокими частотами коммутации полупроводниковых приборов, что, в свою очередь, существенно улучшает качество напряжения и тока на входе и выходе ПЧ. Для изоляции управляющей части «ЭРАТОН-ФР» от высоковольтного силового напряжения, а также для предотвращения проникновения помех, вызванных коммутацией силовых транзисторов, в составе ПЧ применяется оптоволоконная связь. Встроенная система векторного управления реализуется в соответствии с принципами подчиненного регулирования и последовательной коррекции с одновременным обеспечением требования выравнивания токовой загрузки электрических машин в многодвигательном исполнении.

Рис. Схема силовых цепей преобразователя частоты типа «ЭРАТОН-ФР-630-855-440»

За счет наличия в структуре ПЧ двух полностью управляемых IGBT-инверторов, связанных между собой звеном постоянного тока, «ЭРАТОН-ФР» обеспечивает двунаправленную передачу электрической энергии как из трехфазного ротора в питающую сеть, так и обратно из сети к асинхронной машине. При этом энергопотребление по цепям статора АДФР протекает с более высоким коэффициентом мощности по сравнению с режимом работы по штатной схеме реостатного регулирования.

Контроллер связи с системой управления подъемной шахтной машины (СУ ШПМ) выполняет следующие функции:

♦формирование сигналов пуска и останова электродвигателя, а также формирование задания на частоту вращения по аналоговым и дискретным входам;

♦формирование сигналов включения/отключения реверсоров в цепи статора АДФР;

♦выдача дискретных сигналов, сигнализирующих о работе или аварии ПЧ;

♦формирование сигналов управления электромеханическим тормозом;

♦дистанционный сброс зашит ПЧ;

♦индикация основных параметров работы ЭП в аналоговом виде (текущая частота вращения и ток ротора);

♦обмен данными с контроллером СУ ШПМ по после- довательномуканалучерезRS-485-протоколModbus RTU.

В таблице приведены основные данные и характеристики разработанных на предприятии ЗАО «ЭРАСИБ» образцовЭП дляШПМнабазепреобразователейчастоты

«ЭРАТОН-ФР», внедренные на предприятиях горнодобывающей отрасли [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая изложенный в данном докладе материал, можно заключить, что практическое применение силового преобразовательного устройства «ЭРАТОН-ФР» в составе бездатчикового ЭП, реализованного по схеме трехфазной машины двойного питания, позволяет значительно повысить срок эксплуатации ПШМ, обеспечить более качественное управление частотой вращения исполнительного двигателя переменного тока и значительно снизить количествопотребляемойэлектрическойэнергии.

Благодарности

Благодарность выражается ЗАО «ЭРАСИБ» (Россия, 630088, г. Новосибирск, ул. Сибиряков-Гвардейцев, 51/3, тел. +7-(383)-342-57-59) за предоставленный материал.

Библиографический список

1.Электроприводы двойного питания для шахтных подъемных машин / В.А. Отченаш, В.В. Панкратов, Д.А. Котин, В.В. Вдовин, С.С. Доманов, Г.Г. Ситников // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: тр. V Всерос. науч.-практ. конф. АЭПЭ-2012. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2012. С. 94–101.

2.Вдовин В.В., Котин Д.А., Панкратов В.В. Адаптивный алгоритм вычисления координат для бездатчикового векторного управления машинами двойного питания // Известия вузов. Электромеха-

ника. 2013. № 6. С. 23–27.

3.Панкратов В.В., Котин Д.А. Бездатчиковый асинхронизированный синхронный электропривод с векторным управлением // Электротехника. 2009. № 12. С. 13–19.

4.Инженерная методика расчета синусных фильтров для активных выпрямителей и инверторов напряжения с ШИМ / В.М. Берестов, В.В. Вдовин, С.С. Доманов, В.В. Панкратов, Г.Г. Ситников // Электроприводы переменного тока: тр. пятнадцатой Междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург: Изд-во Урал. федер. ун-та им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2012. С. 167–171.

5.ЗАО «ЭРАСИБ» [Электронный ресурс]. URL: www.erasib.ru.

Статья посвящена проблемам повышения надежности

иупрощения управления. Рассматриваются алгоритмы

иметоды подхвата асинхронного электродвигателя в условиях кратковременных провалов и прерываний питающего напряжения.

Article is devoted to problems of increase of reliability and simplification of management. Algorithms and methods of grab of induction motors in the conditions of short-term failures and interruptions of the power sources are considered.

Ключевые слова: электропривод, электропривод среднего напряжения, преобразователь частоты, подхват на выбеге, пропажа питающего напряжения, алгоритм поиска частоты вращения, поиск частоты вращения по ЭДС, поиск частоты вращения по току.

Keywords: motor control, motor control of medium voltage, frequency converter, grab of electrical motor, power-loss ride-through, method of search of frequency, search by EMF, search by current.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, повышения надежности и безаварийности работы агрегата «электродвигатель – исполнительный механизм» (агрегат) с вентиляторной или насосной характеристикой можно достигнуть, если при кратковременных провалах или прерываниях питающе-

го напряжения, когда преобразователь частоты (ПЧ) не способен поддерживать режимы регулирования, обеспечить его работоспособность. Тогда при восстановлении напряжения до номинальных значений (по уровню, по частоте) начинается процесс подхвата асинхронного электродвигателя (ЭД) на выбеге от промежуточной частоты вращения, до которой успел затормозиться агрегат за время, пока напряжение питающей сети не соответствовало требуемым значениям. При этом основными критериями работы данного процесса являются отсутствие бросков тока и момента, безаварийность работы оборудования и продолжительность процесса. При длительном процессе подхвата на выбеге наибольшую опасность представляют отклонения от нормы технологических параметров, так как технологические защиты, реагируя на эти отклонения, отключают технологический процесс, что приводит к аварийным ситуациям и простоям оборудования.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Подхватом на выбеге называется процесс автоматического восстановления работы ЭД от ПЧ без вмешательства эксплуатационного персонала после кратковременного (до нескольких секунд) провала или преры-

вания питающего напряжения. Подхват на выбеге считается завершенным, если после восстановления питающего напряжения ПЧ разогнал электродвигатель до заданной частоты вращения.

Процесс подхвата электродвигателя на выбеге можно разделить на семь этапов:

1)этап сохранения ПЧ в работе;

2)этап блокировки ПЧ;

3)этап выбега ЭД;

4)этап восстановления питающего напряжения;

5)этап поиска частоты вращения;

6)этап формирования напряжения;

7)этап разгона ЭД до заданной частоты вращения. Рассмотрим процесс более подробно.

1.Этап сохранения ПЧ в работе.

Когда величина напряжения на входе становится меньше предельно допустимого значения, то ПЧ, используя кинетическую энергию ЭД для поддержания безопасного напряжения в звене постоянного тока, незамедлительно переходит к этапу торможения. Это приводит ктому, что при восстановлении питающего напряжения происходит удержание ЭД на промежуточной частоте вращения с поглощением энергии, изатем осуществляется возврат к заданным номинальным параметрам регулирования. Этап имеет ограничение по времени и протекает кратковременно (от трех до десяти периодов сети), это объясняется тем, что необходимо поддерживать номинальное (рабочее) напряжение в звене постоянного тока для обеспечения надежной работы силовых блоков, а запаскинетическойэнергии ЭДимеетконечноезначение.

2. Этап блокировки ПЧ.

На данном этапе ПЧ переходит от этапа сохранения ПЧ в работе по срабатыванию настраиваемых внутренних защит и блокировок по состоянию питающего напряжения и напряжения звена постоянного тока инвертора. ПЧ

закрывает силовые ключи и блокирует работу автономного инвертора напряжения (АИН), при этом ЭД переходит в режим свободного выбега (рис. 1, где Uab – входное линейное напряжение ПЧ; Uuv – выходное линейное напряжение ПЧ; Iu, Iv, Iw – выходной фазный ток ПЧ). Максимальная длительность нахождения ПЧ на этапе блокировки (до срабатывания защиты, по превышению времени отсутствия питающего напряжения ПЧ) настраивается соответствующим параметром защиты и определяется впервую очередь особенностью технологического процесса, в котором участвует регулируемый от ПЧ агрегат. Сам ПЧ может находиться в блокированном состоянии АИН продолжительное время определяемое десятками секунд, которое зависит от времени саморазряда конденсаторов звена постоянного тока, при условии, что система управления силовыми ключами частично или полностью питаетсяотконденсаторовзвенапостоянноготока.

3. Этап выбега ЭД.

В общем случае торможение ЭД выбегом представляет собой сложный электромеханический процесс [1], протекающий по разному для ЭД. Характер этого процесса зависит от длительности и глубины провала или прерывания питающего напряжения, от нагрузки на валу ЭД (рис. 2, 3), его параметров и конструкции, а также от параметров сети. Упрощенно на данном этапе ЭД отделен от питающей сети ПЧ и в нем происходит процесс затухания ЭДС в обмотке статора. Если пренебречь моментом трения, то выбег таких механизмов может быть описан зависимостью

ω ≈ 1 (1+ tTj ) ,

где ω – угловая частота, рад/с; t – время от момента блокировки ПЧ, с; Tj – механическая постоянная вре-

мени агрегата, с.

4. Этап восстановления питающего напряжения.

Этап восстановления питающего напряжения характеризуется внутренними переходными процессами в системе «трансформатор – инвертор» [2]. В трансформаторе может протекать прерывистый ток, а при длительных прерываниях питающего напряжения и ток прямого пуска трансформатора (рис. 4), характеризующийся первоначальным броском кратностью 3–10 номинального значения и длительностью затухания, определяемой постоянной времени намагничивания. В отличие от схем с неуправляемым выпрямителем, полууправляемый выпрямитель позволяет осуществить дозаряд конденсаторов звена постоянного тока до уровня входного значения по завершению переходного процесса.

5. Этап поиска частоты вращения.

Существуют несколько методов поиска частоты вращения ЭД. В ПЧ серии ЭСН реализованы следующие методы: 1) метод поиска по ЭДС; 2) метод с инжекцией энергии в ЭД с поиском по току; 3) метод с инжекцией энергии в ЭД с поиском по ЭДС.

Алгоритм поиска строится на автоматическом выборе системой управления (СУ) метода поиска в зависимости от начальных условий. Приоритетным методом поиска, обеспечивающим наилучшее быстродействие и отсутствие бросков тока, является метод по наведенному напряжению в обмотках статора (поиск по ЭДС). У асинхронных двигателей ЭДС невелика и характеризуется быстрым спадом. В случаях, когда время блокировки инвертора ПЧ было значительным

и наведенное напряжение на статоре становится пренебрежимо малым, поиск частоты вращения осуществляется по методу с инжекцией энергии в ЭД. Рассмотрим вариант с поиском по току. Особенностью данного метода является формирование пренебрежимо малого напряжения, исключающего создание дополнительного тормозного момента, с плавным его изменением во всем возможном диапазоне частот при движении в направлении от максимальной к минимальной (рис. 5, где ωS – угловая частота статора ЭД). В процессе изменения частоты напряжения определяется экстремум протекающего в статоре тока, характеризующий совпадение частоты статора с частотой вращения ротора ЭД.

6. Этап формирования напряжения.

Этап формирования напряжения осуществляется без перерегулирования частоты, предотвращающей переход ЭД в генераторный режим из-за несоответствия частоты статора в момент подачи управления на силовые ключи. Момент начала формирования напряжения характеризуется перерегулированием тока в обмотке статора, обусловленного необходимостью удержания ЭД на действующей частоте вращения (рис. 6).

7. Этап разгона ЭД до заданной частоты вращения.

ПЧ осуществляет разгон ЭД до заданной частоты вращения с максимально возможным темпом, исключающим отказ ПЧ и предотвращающим останов технологического процесса.