Удосконалення автоматичного керування асинхронним електроприводом з автономним інвертором струму.

Abstract

У дисертації розроблені та науково обґрунтуванні ефективні способи прогнозуючого векторного керування і створені на їх основі спрощені структури автоматичного регулювання для асинхронного електропривода (АЕП) з автономним інвертором струму (АІС) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Вони забезпечують швидкодіюче керування електромеханічними процесами (з часом відпрацювання струму статора і електромагнітного моменту 6-24 мс) та поліпшенні енергетичні показники зазначеного електропривода (для номінального режиму: з коефіцієнтом потужності не менше 0,99 і загальним коефіцієнтом гармонік струму мережі – менше, ніж 4,7%). На імітаційній моделі і експериментальному зразку АЕП з АІС-ШІМ із запропонованим керуванням досліджені електромагнітні й електромеханічні процеси зазначеного електропривода при регулюванні швидкості АД або положення його ротора, а також при провалах мережної напруги і ії наступному відновленні. Визначено параметри швидкодії й енергетичні показники розглянутого АЕП з АІС-ШІМ. Показано, що з запропонованим керуванням й розробленими структурами регулювання АЕП з АІС-ШІМ може використовуватися в загальнопромислових й спеціальних (позиційному та слідкуючому) електроприводах.

В диссертации разработаны и научно обоснованы эффективные способы прогнозирующего векторного управления и созданы на их основе структуры автоматического регулирования для асинхронного электропривода (АЭП) с автономным инвертором тока (АИТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). У данного типа АЭП нет ограничений по длине кабеля, соединяющего асинхронный двигатель (АД) с преобразователем частоты (ПЧ), и не требуется для надежной эксплуатации применения специального (с усиленной изоляцией) двигателя. В первом разделе из отечественной и зарубежной научно-технической литературы выполнен анализ существующих силовых схем АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного тиристорным управляемым выпрямителем (УВ) или активным выпрямителем тока (АВТ), а также выполнен анализ известного автоматического управления ними. Во втором разделе проанализированы и выбраны методы исследований, разработаны математические и имитационные (компьютерные) модели АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного УВ или АВТ, которые учитывают несинусоидальную форму входных и выходных фазных токов и напряжений ПЧ, дискретность автоматического управления и переключения его силовых ключей. В третьем разделе с помощью разработанных схем замещения АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного УВ, для произвольного межкоммутационного интервала (МИ) силовых ключей инвертора предложено описание электромагнитных процессов (ЭМП) в системе “инвертор тока – двигатель”. Исследованы ЭМП в АИТ, нагруженном на АД, и получены в явном алгебраическом виде аналитические зависимости для расчета обобщенных векторов статорных тока и напряжения и их приращений на произвольном МИ силовых ключей инвертора. Из анализа указанных зависимостей предложено осуществлять прогнозирование (на произвольном МИ силовых ключей АИТ) направления приращения обобщенного вектора статорного тока АД по направлению вектора выходного тока инвертора, а обобщенного вектора статорного напряжения – по направлению прогнозирующего вектора тока, вычисляемого в виде разности обобщенных векторов выходного тока инвертора и статорного тока двигателя. Исходя из этого, разработаны системы прогнозирующего векторного регулирования статорных тока и напряжения двигателя, а на их основе созданы структуры автоматического прогнозирующего частотно-токового и частотно-напряжен-ческого управления АЭП с АИТ-ШИМ. В четвертом разделе исследованы ЭМП в системе “трёхфазная питающая сеть – активный выпрямитель тока” и получены в явном алгебраическом виде аналитические зависимости для расчета обобщенного вектора сетевого тока и вектора его приращения на произвольном МИ силовых ключей активного выпрямителя. Из анализа этих зависимостей предложено осуществлять прогнозирование (на текущем МИ силовых ключей АВТ) направления приращения обобщенного вектора сетевого тока АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного АВТ, по направлению входного тока АВТ. С учетом этого разработана система прогнозирующего векторного регулирования сетевого тока АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного АВТ, и на ее основе создана структура автоматического управления указанным электро-приводом в целом. В пятом разделе разработано автоматическое управление для АЭП с АИТ-ШИМ, снабженного УВ или АВТ, которое обеспечивает безаварийную работу электропривода при провале сетевого напряжения и его последующем восстановлении, а также быстродействующий выход АЭП на установленный режим работы после восстановления сетевого напряжения. Определены параметры быстродействия (времена отработки статорного тока и электромагнитного момента двигателя равны 6-24 мс) и энергетические показатели (для номинального режима: сетевой коэффициент мощности электропривода составляет не менее 0,99, а общий коэффициент гармоник сетевого тока – менее 4,7%) для рассматриваемого АЭП с АИТ-ШИМ. Показано, что с предложенным управлением и разработанными структурами регулирования АЭП с АИТ-ШИМ может применяться в общепромышленных и специальных (позиционном и следящем) электроприводах. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями на макетном образце АЭП с АИТ-ШИМ с двигателем мощностью 5,5 кВт, напряжением 380 В.

In the thesis the effective methods of predictive vector control are developed and scientifically substantiated. On their basis simplified structures of automatic regulation for the induction electric drive (IED) with pulse-width modulation (PWM) current source inverter (CSI) are designed. They provide high-speed control of electromechanical processes (with adjustment of stator current time and that of electromagnetic torque 6-24 ms) and improved energy performance of the mentioned electric drive (for the nominal rating: with a power factor not less than 0,99 and the total harmonic distortion of line current less than 4,7%). The electromagnetic and electromechanical processes of IED with PWM CSI were investigated on its simulation model and experimental example with suggested control when induction motor speed or rotor position was adjusted and the line voltage was failed and then recovered subsequently. The speed parameters and energy performance of the studied IED with PWM CSI were determined. It is shown that the suggested control, and developed regulation structures of IED with PWM CSI can be used in general industrial and special (positional and follow-up) electric drives.