Энергосберегающий промышленный регулируемый асинхронный электродвигатель нового поколения на основе двухзенно-непосредственных преобразователей частоты

Исходя из этого, концепция новой разработки заключалась в создании электропривода, обладающего комплексом новых свойств, сочетающих высокие электромеханические показатели с улучшенной энергетической и электромагнитной совместимостью с питающей сетью. А именно — отсутствие вносимых преобразователем искажений кривой питающего напряжения, потребление из сети практически синусоидальных токов с возможностью регулирования реактивной мощности, обеспечение обратимости потока активной мощности, то есть способность не только высококачественного потребления, но и рекуперации электроэнергии в тормозных режимах электропривода.

Для реализации комплекса новых свойств электропривода в его силовой части применена и доведена до стадии промышленного использования новейшая топология транзисторного двухзвенного непосредственного преобразователя частоты (ДНПЧ) (рис. 1) с микропроцессорной системой управления (МПСУ). В отличие от традиционных двухзвенных преобразователей аналогичного назначения, в схеме нового преобразователя частоты отсутствует громоздкий силовой сглаживающий фильтр в промежуточном звене постоянного тока, что существенно улучшает его массо-габаритные показатели.

Рис. 1. Силовая часть электропривода с непосредственным преобразователем частоты

Для управления непосредственным преобразователем частоты разработана двухэтапная координатная стратегия управления преобразователем частоты в системе электропривода, в рамках которой разработан и запатентован алгоритм широтно-импульсного управления силовыми ключами, адаптированный к новой топологии силовой схемы преобразователя частоты.

Цели управления преобразователем

Анализ свойств ДНПЧ с ШИМ [1–6] позволил сформулировать следующие цели управления преобразователем частоты в системе частотно-регулируемого электропривода:

• формирование заданных значений полезной составляющей выходного напряжения при максимальном использовании потенциальных возможностей непосредственного преобразователя частоты как высококачественного источника питания двигателя переменного тока;
• стабилизация коэффициента передачи ДНПЧ как элемента САР электропривода;
• регулирование реактивной мощности на входе ДНПЧ как элемента системы электроснабжения;
• обеспечение электромагнитной совместимости ДНПЧ с нагрузкой и сетью.

Двухэтапная стратегия управления преобразователем частоты

Комплексный характер, взаимосвязанность и относительная сложность реализации сформулированных целей управления обусловили целесообразность двухэтапного подхода к разработке общей стратегии управления преобразователем [1–6]. Принципиальные положения двухэтапной стратегии управления заключаются в следующем.

На первом этапе формируются мгновенные значения эталонных модулирующих функций коммутаторов активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ), соответствующих перечисленным выше целям, а также конкретным условиям управления. На этом этапе решаются следующие задачи:

• распределение функций управления выходным напряжением ДНПЧ между выпрямителем и инвертором;
• согласование функций управления выходным напряжением и входной реактивной мощностью.

На втором этапе формируются сигналы управления силовыми ключами непосредственного преобразователя частоты. При этом последовательно решаются следующие задачи:

• формирование коммутационных функций АВ и АИ методом адаптированной широтно-импульсной аппроксимации их эталонных модулирующих функций;
• компенсация факторов, искажающих коммутационные функции реальных преобразователей частоты;
• формирование функций состояния ключей, обеспечивающих заданные значения коммутационных функций.

Система управления электроприводом

Разработана векторная система автоматического двухзонного управления электроприводом, которая обеспечивает нормированные показатели качества статических характеристик и электромеханических переходных процессов электропривода в режимах частотного пуска, рекуперативного торможения и регулирования скорости в сочетании с улучшенными показателями качества электропривода как потребителя электроэнергии. Блок-схема САР изображена на рис. 2, где РС — регулятор скорости; РН — регулятор напряжения; РМ и ПС— регулятор момента и потокосцепления; ФМФ — формирователь эталонных модулирующих функций; РТ — регулятор тока; ПКН, ПКТ — преобразователи координат векторов напряжений и токов; БО — блок ориентации; ПКМФ1 и ПКМФ2 — преобразователи координат векторов модулирующих функций АВ и АИ; БА ШИМ — блок адаптированной ШИМ; М— асинхронный двигатель.

Рис. 2. САР асинхронного электропривода с непосредственным преобразователем частоты

Апробация электропривода

Для апробации разработки использованы методы компьютерного моделирования [3–6] и экспериментального исследования лабораторных и опытно-промышленных образцов. Далее представлены результаты испытаний опытно-промышленного образца асинхронного электропривода с непосредственным преобразователем частоты мощностью 110 кВт с двухзонным управлением скоростью. Внешний вид преобразователя представлен на рис. 3.

Рис. 3. Опытно-промышленный образец ДНПЧ мощностью 110 кВ

На рис. 4 показан процесс реверсирования, включающий этапы рекуперативного частотного торможения и разгона электропривода. На начальной стадии осуществляется усиление, а на заключительной — ослабление поля АД. Формы сетевых напряжений и токов на этапах торможения и разгона показаны на вынесенных фрагментах осциллограммы в укрупненном масштабе. На этом рисунке w_r — скорость ротора; i_x, i_y — намагничивающая и моментообразующая составляющие вектора тока статора; u_a, i_a — фазные сетевые напряжение и ток.

Рис. 4. Реверс асинхронного электропривода с непосредственным преобразователем частоты:
а) скорость и составляющие вектора токов статора АД;
б) фазные сетевые напряжение и ток

Эксперименты подтвердили возможность эффективного использования новой топологии преобразователей в системах электроприводов переменного тока с высоким качеством потребления и электромеханического преобразования электрической энергии. Обладая нормированными электромеханическими свойствами, присущими системам подчиненного регулирования, разработанный электропривод с непосредственным преобразователем частоты характеризуется улучшенной энергетической и электромагнитной совместимостью с питающей сетью, обеспечивая синусоидальность входных и выходных токов, двухсторонний энергосберегающий обмен активной мощностью в пуско-тормозных режимах, а также регулирование потребляемой реактивной мощности.

Опытно-промышленные образцы электропривода нового поколения с асинхронными коротко-замкнутыми электродвигателями мощностью 110 кВт успешно эксплуатируются на предприятии корпорации «ВСМПО-АВИСМА» (г. Верхняя Салда) в качестве главного привода продольно-строгального станка 7А256.

Рекомендуемые области применения новой разработки — высокодинамичные электроприводы механизмов с напряженными пуско-тормозными режимами работы при повышенных требованиях к качеству потребления и управляемого электромеханического преобразования энергии.