3640

Как видно из выражения (1), в зависимости от изменения напряжения питания будут существенно изменяться показатели функционирования промышленных ЭП.

В соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 [1] «Электрическая энергия…» при медленном изменении напряжения электропитания как в отрицательную, так и в положительную сторону в точке передачи электроэнергии от номинального (или согласованного) значения определяется (в процентном виде) в соответствии с выражениями (2, 3):

где U( ) – отрицательное отклонение напряжение питания;

U( ) – положительное отклонение напряжение питания;

Um( ) ,Um( ) – усреднённые положительное и отрицательное значение напряжения (относительно U0 ) в интервале 10 мин.; U0 –

стандартное номинальное или согласованное напряжение питания.

При этом, U( ) и U( ) не должны превышать 10%

номинального или согласованного значения напряжения питания в течении 100% времени интервала в одну неделю. В противном случае наблюдается существенное снижение производительности ЭП ввиду отклонений от номинальных режимов работы.

Колебания напряжения в системе питания промышленных ЭП является основной причиной возникновения потоков реактивной мощности, значительно превышающих оптимальное значение, и, являющихся причиной снижения производительности рассматриваемых объектов приложения [2]. Частоты повторения отмеченных явлений (колебаний напряжения питающей сети) достигает 10-15 Гц, при этом скорость набросов реактивной мощности достигает 10-100 МВар/с. в зависимости от конкретного

241

состава оборудования [3]. Размах колебания напряжений определяется соотношением:

где Qн – величина наброса реактивной мощности, отн. ед.;

XС 1/SКЗ - сопротивлениеЭП и мощности КЗ, отн. ед; Uном - номинальное напряжение питания, отн. ед.

Данное обстоятельство требует учитывать степень влияния фактора наброса потока реактивной мощности на качество функционирования ЭП, как функцию от напряжения питания.

Промышленный ЭП в системе осей d-q может быть описан в общем виде выражения:

где uf , usd , usq – напряжения контуров статора по осям d-q;

Rf , Rs , Rrd , Rrq - активные сопротивления фазы статорной обмотки; if , isd , isq - фазный ток и его проекции; f , sd , sq ,

rd , rq - потокосцепления статора и ротора; s- оператор Лапласа; Mc - статический момент ЭП.

242

Система (5) устанавливает прямую взаимосвязь качества (уровня) питающего напряжения с основным уравнением ЭП, а следовательно, и с точностными (моментными) характеристиками рассматриваемого класса объектов приложения.

Таким образом, можно сделать следующие общие заключения о влиянии качества напряжения питающего напряжения на промышленные ЭП:

- любые отклонения, как в положительную - U( ) , так и в

отрицательную - U( ) сторону влекут за собой снижение КПД функционирования ЭП;

-колебания напряжения являются причиной повышенного уровня реактивной мощности в системе «питающая сеть – электропривод», что негативно сказывается на показателях энергосбережения и энергоэффективности производства;

-отклонения напряжения питающей сети от номинального значения являются причиной снижения точностных характеристик промышленных ЭП.

Литература

1.ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»

2.Бурман А.П. Перспективы развития основного оборудования прежприятий на базе промышленных электроприводов / под ред. А.П. Бурмана. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 261 с.

3.Королёв М.Л. Оптимизация режимов электроэнергетических систем на основе принципов функционального моделирования / М.Л. Королёв, В.А. Макеечев, О.А. Суханов, Ю.В. Шаров // Электричество. 2006. №3. С. 4 – 11.

Воронежский государственный технический университет

243

Электроника

244

УДК 621.313.292

А.В. Кайгородов, С.С. Дзюбан, О.А. Киселёва

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

В работе проводятся исследования возможности применения высоковольтного электропривода с асинхронным двигателем для печи обжига. Рассмотрены различные варианты структуры построения высоковольтных преобразователей частоты и инверторов для уменьшения влияния высших гармоник

Ключевые слова: высоковольтный электропривод, высоковольтный преобразователь частоты, асинхронный двигатель

Автоматизация технологических процессов в настоящее время базируются в большинстве случаев на частотно-регулируемом электроприводе. Особенно возрос интерес к внедрению частотного регулирования мощных высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей.

Для решения вопроса о выборе электропривода печи обжига были рассмотрены варианты, применяемые на цементных заводах России. На главных электроприводах печей обжига клинкера чаще всего устанавливаются однодвигательные или двухдвигательные электроприводы с высоковольтными (6 кВ) асинхронными электродвигателями с фазным ротором мощностью порядка 320 кВт с роторными пусковыми резисторно-контакторными станциями.

Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод позволяет устранить недостатки главного привода цементных печей с асинхронным двигателем с фазным ротором и роторной пусковой резисторно-контакторной станцией. Такой электропривод обеспечивает безударный пуск и плавное регулирование скорости печи обжига от нуля до номинальной скорости с постоянным моментом на валу. При частотном пуске и регулировании скорости высоковольтного асинхронного двигателя обеспечиваются требуемые статические и динамические характеристики главного привода печи.

При питании от источника с напряжением 6кВ электроприводов с асинхронными двигателями используются различные типы высоковольтных преобразователей частоты [1].

245

В настоящее время разработано много рациональных технических решений для высоковольтных преобразователей частоты с автономными инверторами тока и напряжения, но процесс их совершенствования непрерывно продолжается в связи с появлением новых силовых полупроводниковых элементов. Производством высоковольтных преобразователей частоты занимаются такие фирмы, как ABB, Siemens, Allen-Bradley, Toshiba, Mitsubishi, Robicon, Ansaldo, Alstom, ESTEL, GE, Hyundai и других.

Структуру современных высокочастотных преобразователей частоты можно условно подразделить на:

-двухтрансформаторные схемы с низковольтным инвертором;

-многоуровневые преобразователи.

Для создания надежных высоковольтных электроприводов для печей обжига с регулируемой выходной частотой необходим преобразователь частоты, который обеспечивает [2, 3]:

-электромагнитную совместимость автономного инвертора с асинхронным двигателем и системой электроснабжения;

-соответствие показателей качества электроэнергии действующим стандартам;

-диагностику преобразователя;

-совершенствование функций микропроцессорного контроллера;

-совершенствование тест-контроля элементов оборудования и выходного контроля преобразователей частоты.

Современные высоковольтные преобразователи частоты позволяют анализировать пусковые и рабочие характеристики асинхронного электродвигателя, отслеживать изменения в работе исполнительных механизмов в течение срока их эксплуатации, что значительно увеличивает ресурс работы электродвигателей и исполнительных механизмов в целом.

Топология и принципы управления высоковольтными инверторами преобразователей частоты в настоящее время определяются современными силовыми полупроводниковыми элементами нового типа (IGBT, GTO, IGCT, SGCT).

Алгоритмы управления инверторами строятся на использовании различных видов широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Наиболее часто применятся такие методы модуляции, как ШИМ со «слежением» релейного типа, программная ШИМ с избирательным подавлением высших гармоник, многоуровневая

246

ШИМ и ШИМ в комбинации с амплитудно-импульсной модуляцией.

Для того, чтобы получать на выходе инверторов ток и напряжение для питания электродвигателя близкое по форме к синусоидальному сигналу с меньшим количеством гармонических составляющих, используют различные подходы к построению инверторов. Существуют инверторы с тремя уровнями напряжения (3-level) и коммутацией в «звезду» (с фиксированной нулевой точкой или фиксированной нейтралью (Neutral-Point Clamped – NPC)), или с четырьмя уровнями напряжения (4-level).

Для улучшения формы выходного напряжения инверторов высоковольтных преобразователей их выполняют многоуровневыми (multi–level). Такие инверторы используют в различных модификациях фирмы Robicon, Toshiba, Mitsubishi Electric, GE. В

этом случае наиболее сложным элементом высоковольтного преобразователя частоты является входной трансформатор. Единственным серьезным ограничением в использовании высоковольтного частотно-регулируемого электропривода является высокая стоимость высоковольтного статорного инвертора.

Литература

1.Однокопылов Г.И. Обеспечение живучести электродвигателей переменного тока: Монография / Г.И Однокопылов., И.Г.Однокопылов - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 187 с.

2.Однокопылов Г.И. Восстановление работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока при аварии в одной из фаз/Г.И. Однокопылов, В.Г. Букреев//Ползуновский вестник. 2012. №3/2.С.121-130.

3.Киселёв Д.П. Моделирование адаптивного управления

вэлектромеханической системе/ Д.П. Киселёв, О.А. Киселёва// Моделирование, оптимизация и информационные технологии.- 2014.- №3(6) - с.1-4.

Воронежский государственный технический университет

247

621.3:681.3

А.О. Александров, Г.В. Петрухнова

ТЕХНОЛОГИЯ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ETHERNET В АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ

Рассматривается аппаратная платформа на базе микроконтроллера ATmega16A, предназначенная для моделирования микропроцессорных систем. Предлагается возможность расширения количества подключаемых к микроконтроллерумодулей, за счёт подключения по интерфейсуEthetnet

Ключевые слова: микроконтроллер, Ethernet, интерфейс, плата

В современном мире микроконтроллеры являются неотъемлемой частью быта человека, которые применяются от детских игрушек до промышленной автоматики, и позволили достигнуть большей скорости изготовления и качества продукции. Один и тот же микроконтроллер может применяться для создания множества устройств.

Для разработки и отладки микроконтроллерных систем широко применяются отладочные платы небольших размеров, например, широко используемая в наше время Arduino Uno. Для повышения качества образовательного процесса разработана аппаратная платформа для моделирования микроконтроллерных систем. Аппаратная платформа имеет модульную структуру и состоит из центрального микроконтроллера ATmega16A и внутренних моделей базовой платы. Подсистемы базовой платы условно делиться на четыре категории: модули ввода данных, модули вывода данных, модули хранения информации, модули поддержки внутренней периферии.

Для подключения внутренних модулей к портам микроконтроллера используются перемычки. Наряду с этим, к выводам микроконтроллера легко присоединить и внешние периферийные устройства разной сложности. Для этого можно использовать различные последовательные интерфейсы, такие как

UART, SPI, TWI. Ethernet, JTAG.

Наиболее распространённым интерфейсом подключения внешних модулей к микроконтроллеру является SPI. Однако данный интерфейс имеет ряд существенных недостатков, таких как:

248

передача данных на небольшие расстояния (до 2 метров), низкая скорость передачи (9600 бод), вероятность рассинхронизации приёмника и передатчика при большом объёме непрерывного трафика.

Технология пакетной передачи данных Ethernet лишена этих ограничений и позволяет передавать данные на высокой скорости (до 10 м/с) и на дальние расстояния (до 100 метров). Также она допускает обмен данными со всеми устройствами, подключёнными к локальной сети или интернету, без подключения персонального компьютера, что существенно расширяет возможности аппаратной платформы. Данный интерфейс отличается простотой программирования относительно интерфейсов с аналогичными параметрами, например USB.

Однако Ethernet не поддерживается микроконтроллером ATmega16A. Поэтому для подключения устройств по Ethernet создан электронный модуль на базе ENC28J60, который производит обмен с микроконтроллером по SPI. Данные передаются посредством 4 цифровых сигналов:

MOSI или SI – для передачи данных от ведущего устройства кведомому;

MISO или SO – для передачи данных от ведомого к

ведущему;

SCLK или SLK – последовательный тактовый сигнал, выступающий в роли передачи данных от тактового сигнала для ведомых устройств.

CS или SS – выбор микросхемы, выбор ведомого

устройства.

Для подключения по Ethetnet этих сигналов недостаточно. Поэтому микросхема ENC28J60 дополняет пакет, исходящий от микроконтроллера, включая в него данные физического и канального уровней. Достоинства такого решения – простота программирования. Не нужно вникать в тонкости протоколов. Недостатки у такого решения тоже имеются – не получится использовать протоколы более высоких уровней, такие, как SNMP, HTTP и прочие.

Воронежский государственный технический университет

249

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы трудов Всероссийской студенческой научной технической конференции отражает современное состояние таких отраслей промышленности, как электромеханика, энергетика, электроника. Вопросы рассматриваемых отраслей согласованы по тематическим направлениям.

Материалы трудов представляет собой научный и инженерный результат, пригодный для использования в производстве, учебном процессе, при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в дальнейших научных поисках.

250