Підвищення точності та енергоефективності високово-льтного частотно-регульованого асинхронного електроприводу.

Abstract

У дисертації вирішена важлива наукова задача, яка полягає у підвищенні енергоефективності і точності регулювання координат високовольтного часто-тно-регульованого асинхронного електроприводу (ЧРАЕП) великої потужності, створеного на основі дворівневого або трирівневого АІН-ШІМ без використан-ня датчиків на валу асинхронного двигуна (АД).

Розроблено математичний опис і імітаційна модель високовольтного ЧРАЕП, запропоновані способи ідентифікації параметрів режиму і внутрішніх параметрів високовольтного АД при живленні його від АІН-ШІМ.

Запропоновано оптимальне енергозберігаюче керування за мінімумом за-гальних втрат потужності для ЧРАЕП зі скалярним та векторним регулюван-ням, виконано порівняння вказаного енергозберігаючого керування з відомими законами частотного керування асинхронним двигуном, а також розроблений швидкодіючий спосіб обмеження вихідних струмів трифазного АІН-ШІМ.

В диссертации решена важная научная задача, которая состоит в повыше-нии энергоэффективности и точности регулирования координат высоковольт-ного частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЧРАЭП) большой мощности, созданного на основе двухуровневого или трехуровневого АИН-ШИМ без использования датчиков на валу асинхронного двигателя (АД).

Разработаны математическое описание и имитационная модель ЧРАЭП, учитывающие дискретные свойства силовых ключей АИН-ШИМ, несинусои-дальную форму его выходных напряжений и токов, а также нелинейность кри-вой намагничивания асинхронного двигателя.

Предложены способы идентификации параметров (скорости и потокосцеп-ления ротора, активных сопротивлений статора и ротора) АД для высоковольт-ного ЧРАЭП с двухуровневым или трехуровневым АИН-ШИМ (для которых характерна низкая частота коммутации силовых ключей инвертора и сущест-венно несинусоидальная форма выходных фазных токов). Посредством данных

18

способов достигнута высокая точность косвенного (через фазные статорные напряжения и токи двигателя) определения: потокосцепления ротора (с ошиб-кой менее 0,6%) и скорости (с погрешностью, не превышающей 0,15%), – в ра-бочем диапазоне изменения скорости (включая ее нулевое значение) и нагрузки АД, а также – при насыщении магнитной цепи двигателя и в рабочем диапазоне изменения температур статорной и роторной обмоток двигателя.

Разработана уточненная методика расчета общих потерь мощности для ЧРАЭП с АИН-ШИМ (учитывающая в том числе модуляционные потери в дви-гателе и динамические потери в преобразователе частоты). На основе рассчи-танных на имитационной модели электромагнитных процессов в преобразова-теле частоты и двигателе с использованием данной методики выполнены расче-ты общих потерь мощности для ЧРАЭП с АИН-ШИМ при варьировании соот-ношения между амплитудой и частотой основной гармоники фазного статорно-го напряжения, а также – при изменении модуляционной частоты инвертора.

Определены оптимальные значения указанных параметров, соответствую-щие минимуму общих потерь мощности в данном электроприводе при различ-ных режимах его работы. Предложены аналитические зависимости для управ-ляющих параметров ЧРАЭП, обеспечивающие при скалярном и векторном ре-гулировании минимизацию общих потерь мощности указанного ЧРАЭП.

Выполнено сравнение предложенного оптимального по минимуму общих потерь мощности управления с существующими известными законами частот-ного управления АД (пропорциональным, при постоянстве потокосцепления ротора, экономичным законом М.П. Костенко, по минимуму статорного тока и минимуму основных электромагнитных потерь мощности двигателя). Установ-лено, что применение рассмотренного энергосберегающего управления в высо-ковольтном ЧРАЭП с вентиляторной нагрузкой приводит к снижению на (5– 30)% его общих потерь мощности и увеличению на (0,1–6)% коэффициента его полезного действия.

Разработан способ ограничения выходных токов трехфазного АИН-ШИМ, который позволяет за счет непосредственного воздействия на силовые ключи инвертора предельно быстро ограничивать указанные токи в стационарных и динамических режимах, что повышает в целом эксплуатационную надежность высоковольтного ЧРАЭП большой мощности.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов под-тверждена экспериментальными исследованиями на высоковольтном ЧРАЭП с преобразователем частоты типа ПЧ-ТТП-200-6к-50 с двигателем типа 4АРМП мощностью 1600 кВт и напряжением 6 кВ. Полученные результаты рекомен-дуются для использования проектировщикам и службам эксплуатации высоко-вольтных ЧРАЭП.

Important scientific problem is solved in dissertation that consists in increasing of energy efficiency and coordinate control precision of high-voltage high-power variable-frequency asynchronous electrical drives (VFAED), created on the basis of two- or three-level VSI-PWM without the use of sensors on the motor shaft.

Mathematical description and simulation model of high-voltage VFAED is de-veloped, the methods of mode and parameter identification of high-voltage induction motor feeding from VSI-PWM are offered.

An optimum energy-saving control on a minimum of power losses for VFAED with the scalar and vector regulation is offered, comparing of the indicated energy-saving control to the known laws of frequency induction motor control is executed, also the high-speed method of output currents limitation of three-phase VSI-PWM is developed.