Разработка системы векторно-импульсного управления пуском синхронного электропривода с промежуточными трансформаторами Лицин Константин Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Анализ способов бездатчикового определения углового положения ротора и способов пуска высоковольтного синхронного двигателя с использованием трансформаторов 11

1.1 Векторно-импульсный способ пуска 11

1.2 Определение углового положения ротора синхронного двигателя без использования датчика положения 16

1.2.1 Определение положения ротора на основе противо-ЭДС 18

1.2.2 Метод определения, основанный на вычислении индуктивности фазы статора 25

1.3 Применение трансформаторов в системах управления электродвигателями переменного тока 31

1.3.1 Двухтрансформаторная схема в высоковольтных преобразователях частоты 32

1.3.2 Транзисторные высоковольтные преобразователи частоты 34

Выводы по главе и постановка задачи исследований 37

Исследование бездатчикового способа определения углового положения ротора синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске 39

2.1 Теоретическое обоснование методики определения углового положения ротора синхронного двигателя с помощью инжекции высокочастотного сигнала 39

2.2 Обоснование выбора частоты переменной составляющей сигнала возбуждения 49

2.3 Исследование разработанной системы при определении углового положения ротора в неподвижном состоянии 55

2.4 Исследование разработанной системы при определении углового положения ротора в области низких скоростей 57

2.5 Разработка математической модели системы бездатчикового определения углового положения ротора 59

Выводы по главе 63

ГЛАВА 3 Исследование гармонического состава и энергетических потерь в трансформаторе при векторно-импульсном пуске 65

3.1 Математическое описание несинусоидального воздействия 66

3.2 Определение потерь в промежуточном трансформаторе при векторно-импульсном пуске двигателей переменного тока 76

3.3 Экспериментальное исследование схемы с промежуточными трансформаторами 80

Выводы по главе 85

ГЛАВА 4 Исследование системы векторно-импульсного пуска синхронного двигателя с промежуточными трансформаторами при бездатчиковом определении углового положения ротора методами математического моделирования 87

4.1 Модель схемы с промежуточными трансформаторами 88

4.2 Система векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами 91

4.3 Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований системы векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами и без них 94

4.4 Энергетические характеристики векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами и без них 97

4.5 Гармонический состав токов 101

4.6 Экономическое обоснование использования промежуточных трансформаторов 105

Выводы по главе 107

Заключение 109

Список литературы 1

• Определение углового положения ротора синхронного двигателя без использования датчика положения
• Исследование разработанной системы при определении углового положения ротора в неподвижном состоянии
• Определение потерь в промежуточном трансформаторе при векторно-импульсном пуске двигателей переменного тока
• Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований системы векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами и без них

Введение к работе

Актуальность работы. Синхронные двигатели применяются в мощных электроустановках, например, в электроприводах поршневых компрессоров, воздуходувок, гидравлических насосов и др.

При всех преимуществах их использования, имеется существенный недостаток, выражающийся в проблеме пуска. В ходе прямого асинхронного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей возникают броски пусковых токов, которые превосходят значение номинального тока в 6-8 раз. Возникающие броски тока приводят к ударным нагрузкам, которые наносят вред дорогостоящему технологическому оборудованию и ведут к его поломке. В результате, необходимо тратить дополнительные средства на его ремонт.

В связи с этим актуальным направлением является разработка альтернативных способов пуска двигателей данного класса, которые были бы лишены названного недостатка. Оптимальным способом пуска высоковольтного синхронного двигателя представляется векторно-импульсный. Его суть заключается в том, что статор подключают к сети импульсно в тот момент, когда величина угла между вектором потокосцепления ротора и статора не превышает 180⁰. В качестве устройств, реализующих подключение или отключение статора, могут быть предложены силовые IGBT транзисторы. Однако современные высоковольтные пусковые устройства имеют длительный срок окупаемости, что снижает эффективность способа. Поэтому предлагается решить задачу возможности построения высоковольтного устройства плавного пуска с использованием промежуточных трансформаторов. Использование подобной схемы позволит добиться экономии электроэнергии, увеличения срока службы электродвигателя и приводного механизма за счет оптимизации его работы в широком диапазоне изменения нагрузок и увеличения срока службы пускозащитной аппаратуры.

Для реализации системы векторно-импульсного пуска необходимо знать величину вектора потокосцепления ротора, т.е. значение его углового положения. Чаще всего эту величину, а также скорость вращения вала, определяют с помощью датчика положения. Однако установка датчика приводит к снижению надежности системы, а в ряде случаев она просто невозможна. Существует достаточно большое число способов определения положения ротора без использования механического датчика, причем каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Основным ограничением большинства этих способов является сложность определения положения ротора синхронного двигателя при нулевых и низких скоростях. Метод с использованием инжекции дополнительного высокочастотного сигнала в обмотку ротора или статора позволяет решить данную проблему, поэтому его использование в бездатчиковых системах электропривода является актуальным.

Таким образом, задача разработки устройства плавного пуска высоковольтного синхронного двигателя с использованием бездатчикового метода определения углового положения ротора и силовой схемы с промежуточными трансформаторами, основанная на методе векторно-импульсного пуска, является актуальной.

Целью диссертационной работы является увеличение срока эксплуатации высоковольтных синхронных двигателей за счет ограничения пусковых токов посредством применения системы векторно-импульсного управления пуском на основе бездатчикового определения углового положения ротора с использованием силовой схемы электропривода с промежуточными трансформаторами.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

– анализ существующих способов определения углового положения ротора электродвигателей переменного тока;

– разработка методики определения углового положения ротора синхронного двигателя с инжекцией высокочастотного сигнала в обмотку ротора;

– разработка системы векторно-импульсного пуска высоковольтного синхронного двигателя в двухтрансформаторной схеме электропривода;

– разработка лабораторной экспериментальной установки, проведение исследований системы векторно-импульсного пуска синхронного двигателя в двух-трансформаторной силовой схеме;

– разработка математических моделей двухтрансформаторной силовой схемы и системы векторно-импульсного пуска синхронного двигателя на основе бездат-чикового определения углового положения ротора; исследования динамических и энергетических характеристик электропривода.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основаны на базовых положениях теории электропривода и теории автоматического регулирования. Исследования структурных схем выполнялись с использованием аппарата передаточных функций и методов структурного моделирования. Математические модели разработаны в пакете Matlab (приложение Simulink). Экспериментальные исследования проводились на разработанной лабораторной установке, использовался метод прямого осциллографирования координат с последующей математической обработкой результатов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения углового положения ротора синхронного двигателя,
основанная на инжекции дополнительного высокочастотного сигнала в обмотку
возбуждения.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований режимов промежуточных трансформаторов при векторно-импульсном пуске синхронного двигателя, подтверждающие возможность использования двухтрансформаторной силовой схемы электропривода.

2. Математическая модель системы векторно-импульсного управления с использованием бездатчикового метода определения углового положения ротора и силовой схемы с промежуточными трансформаторами.

3. Результаты исследований синхронного электропривода с двухтрансформа-торной силовой схемой, подтверждающие техническую эффективность применения разработанной системы плавного пуска и предлагаемого способа определения углового положения ротора.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью исходных положений, корректным применением аппарата структурного моделирования и методов программирования, использованием дос-

товерных технических характеристик оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных результатов, их соответствием результатам, опубликованным в литературных источниках, повторяемостью результатов экспериментов.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Теоретически обоснованы основные зависимости и способы управления координатами синхронного электропривода при векторно-импульсном пуске с применением нового метода бездатчикового определения углового положения ротора, основанного на инжекции дополнительного высокочастотного сигнала в обмотку возбуждения.

2. Разработана математическая модель системы векторно-импульсного управления пуском синхронного электропривода с бездатчиковым определением углового положения ротора, позволяющая учесть особенности влияния предложенного метода пуска и силовой схемы с промежуточными трансформаторами на динамические и энергетические показатели электропривода.

3. Дано научное обоснование возможности и эффективности использования
двухтрансформаторной схемы в системе пуска высоковольтного синхронного
двигателя с использованием низковольтных силовых ключей.

Практическая значимость заключается в том, что в результате проведенных исследований:

1. Разработана лабораторная установка, реализующая способ векторно-
импульсного пуска высоковольтных синхронных двигателей с промежуточными
трансформаторами.

2. Разработано устройство, реализующее способ определения углового положения ротора, основанный на инжекции дополнительного высокочастотного сигнала в обмотку возбуждения.

3. Экспериментально подтверждена эффективность применения разработанной системы векторно-импульсного управления пуском синхронного двигателя.

4. Разработанная система векторно-импульсного пуска рекомендуется для
внедрения в высоковольтных синхронных электроприводах промышленных уста
новок.

5. Разработанные программы и экспериментальная установка могут быть ис
пользованы для исследования характеристик электроприводов переменного тока,
включенных по двухтрансформаторной схеме.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной IEEE-сибирской конференции по управлению и связи «SIBCON–2015» (Омск, 2015 г.), международной научно-практической конференции «Технические науки – основа современной инновационной системы», (Йошкар-Ола, 2013 г.), всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (Старый Оскол, 2014 г.), межрегиональной научной конференции молодых ученых и аспирантов «Наука и производство Урала» (Новотроицк, 2013-2015 гг.); на 71-73-й межрегиональных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы» (Магнитогорск, апрель 2013-2015 гг.) .

Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках

реализации государственного задания № 010201460204 (1274) от 01.02.2014 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 15 печатных трудах, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, из которых 1 статья в издании, входящем в систему цитирования Scopus.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение, список литературы из 63 источников. Работа представлена на 117 страницах машинописного текста, в том числе 66 рисунков и 6 таблиц.

Определение углового положения ротора синхронного двигателя без использования датчика положения

Как известно, использование механического датчика углового положения в системе электропривода обладает следующими недостатками: – увеличивается стоимость системы; – увеличивается сложность управления приводом; – снижается надежность; – увеличиваются габариты системы [8,9]. Необходимость определения углового положения ротора без механических датчиков возникла перед учеными еще с момента появления принципа векторного управления электродвигателями переменного тока. В настоящее время просматривается тенденция к отказу от использования датчиков механических величин (Sensorless Control) и восстановлению вектора состояния системы с помощью различных оценивающих моделей.

Определение положения ротора с помощью оценивающей модели, в первую очередь, применяется в электроприводах с небольшим диапазоном регулирования скорости (не более 1:100) и отсутствием возможности установить датчик на двигатель по причине технологических или эксплуатационных характеристик электропривода [10]. Несмотря на очевидные преимущества, присутствует и ряд недостатков, связанных с построением бездатчикового электропривода, которые заключаются в следующем: – в ряде рассматриваемых систем предлагается использовать наблюдатель состояния. Он основывается на решении полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора, при этом использует всю необходимую информацию о напряжениях и токах статора. Однако наблюдатель состояния вычисляет значения потокосцепления и скорости в строго ограниченном диапазоне частот, что связано с проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой; – изменение параметров электродвигателя при его работе: активные сопротивления статора и ротора изменяют свое значение под воздействием температуры, взаимоиндукция зависит от тока цепи намагничивания. В результате, данные изменения негативно влияют на возможность определения углового положения ротора; – при использовании наблюдателя состояния вызывает сложность получение средних значений токов и напряжения статора, которые называются эквивалентной оценкой. На точность оценки эквивалентных напряжений в области низких частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора [11].

При векторном управлении синхронным двигателем задачу определения углового положения ротора можно разделить на 3 этапа, которые существенно отличаются начальными условиями, диапазонами изменения координат электропривода и принципами решения. Первый этап -это определение начального положения ротора при условии, что ЭДС вращения равна нулю. Второй этап – определение углового положения ротора при вращении двигателя с низкой угловой скоростью (до 10% от номинального значения). В данных условиях наводимая в обмотках противо-ЭДС, численно не является достаточной для определения положения ротора. И третий этап – разгон электродвигателя до номинальной (заданной) скорости вращения, регулирование скорости вращения двигателя во время работы, поддержание максимального момента вращения [12].

Наибольшую сложность вызывает определение углового положения при неподвижном роторе (начальное положение) и при вращении двигателя с низкой угловой скоростью. Как будет показано далее, большинство методов либо вообще не позволяют определять положение ротора в этих режимах, либо обладают недостаточной точностью измерения.

Стоит отметить, что термин «бездатчиковый» не означает, что синхронный двигатель управляется без использования каких-либо датчиков. Фактически это означает, что отсутствует датчик положения, но при этом используется датчики напряжения и тока для измерения фазных (линейных) напряжений и токов статора. Существует достаточно большое число способов определения положения ротора без использования механического датчика, но все их можно разделить на две большие группы: – методы определения углового положения ротора на основе противо-ЭДС; – методы определения углового положения ротора на основе измерения индуктивности фазы статора. Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и ограничения.

Этот метод использует связь между величиной противо-ЭДС и положением ротора. Идея состоит в том, чтобы вычислить пространственный вектор противо-ЭДС для того, чтобы определить угол положения ротора. Так как потокосцепление ротора совмещено с осью d (вращающейся в системе отсчета, связанной с ротором) противо-ЭДС всегда располагается на q-оси. Положение ротора можно рассчитать путем проецирования вектора противо-ЭДС из dq-системы отсчета в стационарную систему отсчета (-оси). Проекции вектора противо-ЭДС на оси и вычисляются по формулам (1.1) и (1.2), а положение ротора по формуле (1.3) [13]. еп = w4 m sin 9 = -и + R і +L — iri (X Є W г CI S CI t dt (11) ep=we4 mcoser=up+Rs-ip+L ip dt (12) 0r=arctan eP (1.3) Примером использования этого метода является работа [14], в которой предлагается вариант определения углового положения ротора в бесколлекторном двигателе постоянного тока (БДПТ). Вычисления угла производятся с использованием микроконтроллера Motorola MC68HC908MR24. Особое место в данной работе отводится измерению тока и его оценке.

Идея данной разработки основана на том, что в любой момент времени к источнику подключатся только две фазы БДПТ, а измерения можно производить по третьей фазе. Представленный способ идентифицирует точки, в которых образуемая в обмотках двигателя противо-ЭДС пересекает значения нуля. Точки перехода через ноль фазной противо-ЭДС регистрируются, в тот момент, при котором одна из трех фаз обмотки не получает питания. В результате, данные значения обрабатываются и позволяют управлять напряжением фаз при участии в процессе широтно-импульсной модуляции. Представленный алгоритм определения углового положения ротора состоит из пяти стадий: определение начального положения, разгон до рабочей скорости, работа на постоянной скорости, фазовая автоподстройка момента коммутации и стадия, при которой переходы через ноль происходят в заданный временной интервал.

Исследование разработанной системы при определении углового положения ротора в неподвижном состоянии

Функциональная схема системы векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами на основе бездатчикового способа определения углового положения ротора представлена на рисунке 2.1. Силовая часть схемы содержит два трехфазных трансформатора, понижающий (Тр1) и повышающий (Тр2), два трехфазных диодных моста VD1 – VD4 и VD5 – VD8 , а также два IGBT-транзистора VТ1 и VТ2, коммутирующих обмотки статора на стороне постоянного тока. Элементы VD9 -VD12 являются снабберной цепью для защиты транзисторов от бросков напряжения при коммутации.

Величины фазных напряжений Ua,Ub,Uc поступают в модуль определения положения обобщенного вектора напряжения, который идентичен обобщенному вектору потокосцепления статора.

Полосно-пропускающие фильтры (ППФ) позволяют выделить величину высокочастотной составляющей сигнала напряжения (Uaf, Ubf, Ucf) и сравнить их с переменной составляющей сигнала возбуждения (Uf), с целью дальнейшего получения величины вектора потокосцепления ротора, которое происходит в модуле определения положения углового положения ротора. Затем сигналы векторов потокосцепления статора и ротора, совместно с токами Ia и Ib поступают в модуль определения подключения статора к сети, где формируется сигнал срабатывания IGBT-транзисторов.

Подробное описание модулей определения обобщенного вектора напряжения и определения подключения статора к сети будет описано в главе 4. В данной главе проанализирован модуль определения углового положения ротора, в котором реализуется бездатчиковый способ определения углового положения ротора на основе высокочастотной инжекции.

Для рассмотрения взаимосвязи между угловым положением и переменными высокочастотными составляющими ЭДС фаз статора предположим, что ротор вращается по часовой стрелке (рисунок 2.2).

Проекции вектора потокосцепления ротора на оси обмоток фаз статора Основное отличие предлагаемого способа определения углового положения ротора от рассмотренных в главе 1 заключается в том, что высокочастотный сигнал небольшой амплитуды добавляется (инжектируется) не к току одной из обмоток статора, а к постоянному току возбуждения. В результате сигнал о положении формируется не за счет явнополюсности ротора, а непосредственно по наводимым высокочастотным ЭДС в обмотках статора. При этом ротор синхронного двигателя может быть неявнополюсным.

Угол поворота ротора отсчитывается от оси X (ось фазы А) в направлении вращения ротора. Переменная составляющая тока возбуждения ротора изменяется по синусоидальному закону.

В результате, она формирует в обмотках статора (даже при неподвижном роторе) переменные синусоидальные ЭДС. Их фазы либо совпадают с фазой переменной составляющей напряжения возбуждения, либо имеют фазовый сдвиг 180. Примерные диаграммы фазных ЭДС статора при нахождении ротора в секторе I (угол поворота ротора находится в диапазоне от 0 до 30) показаны на рисунке 2.3.

В зависимости от положения ротора меняются максимальные амплитуды этих составляющих и фазы. В таблице 2.1 приведены соотношения между амплитудами и фазами переменных высокочастотных составляющих ЭДС обмоток статора. В таблице знак «+» предполагает, что фаза ЭДС соответствующей обмотки статора совпадает по фазе с переменной составляющей напряжения возбуждения, а «-» означает, что фаза ЭДС обмотки статора сдвинута на 180 относительно переменной составляющей напряжения возбуждения.

Таким образом, анализируя фазы высокочастотных составляющих ЭДС обмоток статора (0 или 180) и соотношения модулей мгновенных значений можно реализовать простую логическую схему, позволяющую определить нахождение ротора в одном из двенадцати секторов. Часть этой схемы приведена на рисунке 2.4.

Логическая схема определения положения ротора Для реализации алгоритма векторно-импульсного пуска синхронного двигателя точности определения положения, которую обеспечивает данная схема (30), вполне достаточно. Если же положение ротора необходимо определять с более высокой точностью, то необходимо определить формулу вычисления углового положения.

Вывод данной формулы можно начать с описания уравнений синхронной машины, имеющей на роторе обмотку возбуждения, произвольное количество 0…nd эквивалентных короткозамкнутых контуров в оси d и произвольное количество 0…nq эквивалентных короткозамкнутых контуров в оси q [52].

Определение потерь в промежуточном трансформаторе при векторно-импульсном пуске двигателей переменного тока

Известно, что при векторно-импульсном пуске статор подключается к сети только в тот момент времени, когда угол между векторами потокосцеплений ротора и статора больше 0 , но меньше 180. В остальное время статор отключен. В связи с этим полученная несинусоидальная кривая (рисунок 3.6) будет иметь место только при выполнении данного условия. Для этого выведем формулу, которая вычисляет время включения электродвигателя на каждом его обороте, т.е. получим последовательность импульсов включения и выключения электродвигателя, которую затем совместим с формулой 3.5.

Предположим, что разгон двигателя происходит линейно, с постоянным угловым ускорением. Например, если номинальная скорость 3000 об/мин (314 рад/с) и разгон осуществляется за 10 с, то угловое ускорение 31,4 рад/с2. При этом, за один оборот магнитного поля статора (0,02 с) ротор будет увеличивать свою скорость на 0,628 рад/с.

Кроме того, магнитное поле статора вращается с постоянной скоростью, и время, когда угол между векторами потокосцеплений будет удовлетворять заданному условию, зависит от скорости ротора. При этом, на каждом обороте оно будет разным.

Учитывая, что за 1 секунду ротор изменяет свое положение на 0,628 рад. (360), то за один оборот статора (0,02 с.) он пройдет 0,01256 рад. (0044 ). В результате, ротор пройдет один полный оборот за время, когда статор совершит 500 оборотов

Исходя из данных рассуждений, следует, что с возрастанием времени разгона увеличивается время включения двигателя в работу и время паузы. Необходимо учесть, что первоначально двигатель подключается к сети в момент времени равный нулю, т.к. разница между векторами потокосцеплений ротора и статора удовлетворяет условию подключения. Первоначальное отключение двигателя от сети происходит в момент времени равный 0,01 с. (рисунок 3.7).

В результате, была получена формула времени включения электродвигателя в работу: N U(t) = Y[\(t-kВ КЛ)-\(t-(tВ КЛ+kВОЗ)-kВ КЛ] (3.14) где Твкл - период импульса включения; tвоз - время возрастания подключения статора к сети; tвкл - первоначальная продолжительность включения. к - номер импульса. Осуществим проверку, подставив в нее числа из представленных выше данных

Последовательность импульсов при включении двигателя в работу В полученную формулу (3.14) подставим уравнение (3.5), тогда общая формула приложенного к статору напряжения будет иметь вид: N U(t) = Umsm(w )-Umsm(w -і)- [Кї -к )-l(t И -к -Т)] [\(г-к-ТВКЛ)-\(і-(іВКЛ+к-іВОЗ)-к-ТВКЛ] (Зі5) В результате, несинусоидальная кривая напряжения при векторно-импульсном пуске будет иметь вид, представленный на рисунке 3.9.

Несинусоидальная кривая напряжения при векторно-импульсном пуске двигателя Из рисунка 3.9 очевидно, что первоначально подключение статора к сети при разгоне двигателя происходит только в моменты положительной полуволны напряжения. Анализируя выражение (3.15) и учитывая, что при разгоне двигателя происходит увеличение времени возрастания подключения статора к сети tвоз, времени пауз, как следствие, и периода включения Tвкл., можно придти к выводу, что величина напряжения будет принимать так же и отрицательные значения. Изменение продолжительности импульса подключения статора к сети, т.е. частоты скважности сигнала, имеет двойственную структуру. С одной стороны, при меньшей частоте модуляции обобщенный вектор напряжения, определение которого необходимо для векторно-импульсного пуска, будет иметь большие отклонения от идеального обобщенного вектора напряжения. С другой стороны, при уменьшении периода, т.е. увеличении частоты модуляции будет происходить рост потерь в стали. Выбранные параметры являются оптимальными, что и обосновано в п.3.3.

Рассмотрим влияние параметров несинусоидального сигнала, представленного формулой (3.15), на его гармонический состав. Для этого рассмотрим три спектрограммы, каждая из которых связана с началом, серединой и завершением разгона двигателя по принципу векторно-импульсного пуска (рисунок 3.10 – 3.12).

Из рисунков 3.10 – 3.12 следует, что основными составляющими несинусоидального сигнала являются 1, 3, 5, 7, 11 гармоники. При этом по мере разгона увеличивается величина амплитуд каждой из гармоник, но процентное соотношение каждой из них по отношению к первой остатся неизменным. Для объяснения увеличения амплитуды гармоник необходимо рассмотреть связанные с ними потери в стали промежуточного трансформатора.

При работе трансформатора с несинусоидальным напряжением увеличиваются потери в стали и обмотках. Потери в стали можно рассматривать, как потери на гистерезис и потери от вихревых токов. Такой подход обычно применяется в ситуации, когда необходимо осуществить вычисление потерь в стали при нестандартных частотах, а также при несинусоидальном напряжении, приложенном к зажимам трансформатора [59]. Удельные потери в стали в Вт/кг при синусоидальной форме кривой приложенного напряжения и отсутствии размагничивающего действия вихревых токов в стали могут быть вычислены по формуле Штейнмеца (3.16): рс =кг -f-B"m+k2-f2-B"m2, (3.16) где:/- частота приложенного напряжения; Вт– амплитуда магнитной индукции; t - толщина листов стали; кь к2 - коэффициенты свойств стали.

Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований системы векторно-импульсного пуска с промежуточными трансформаторами и без них

Полученные значения величин с и р сравниваются между собой. Затем осуществляется проверка условия подключения статора к сети: угол между векторами потокосцеплений ротора и статора не должен превышать 1800 .

В результате проверки этого условия формируется сигнал подключения к сети On.

Система векторно-импульсного пуска высоковольтного синхронного двигателя предполагает возможность ограничения пусковых токов. Принцип работы разработанного блока ограничений пусковых токов заключается в том, что статор будет отключаться от сети в случае превышения заданной величины фазного тока (Imax).

Согласно [50], условия для возникновения положительного момента при векторно-импульсном пуске создаются в течение достаточно продолжительного времени. Если подключить статор к сети на весь этот временной промежуток, токи статора значительно превысят номинальные значения. С другой стороны, однократное подключение статора к сети до срабатывания токового ограничения будет очень кратковременным, что приведет к значительному уменьшению среднего электромагнитного момента при пуске. Повышение средней величины момента может быть достигнуто при реализации алгоритма широтно-импульсной модуляции с ограничением тока статора, работа которого подробно описана в [50]. В результате, на выходе синхронного D-триггера формируется сигнал, осуществляющий управление IGBT-транзистором VT1.

Осциллограмма угловой скорости и момента (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов изображена на рисунке 4.7, а. Аналогичная осциллограмма с промежуточными трансформаторами - на рисунке 4.7, б.

Осциллограмма угловой скорости и момента (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов (а), с промежуточными трансформаторами (б) Проанализируем качественные показатели переходного процесса скорости по графикам 4.8. Для переходных процессов скорости, изображенных на рисунке 4.8, а и рисунке 4.8, б, получены качественные показатели, представленные в таблице 4.3.

Осциллограмма угловой скорости (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов (а), с промежуточными трансформаторами Параметр Без промежуточных трансформаторов С промежуточными трансформаторами Время регулирования, t , сРЕГ 1,5 2,2 Перерегулирование, о-,% 4,96 6,94 Время достижения максимума, tmax , с 1,41 2,02 Время нарастания, tH , с 1,38 1,99 Осциллограмма фазных токов статора (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов изображена на рисунке 4.9, а. Аналогичная осциллограмма с промежуточными трансформаторами - на рисунке 4.9, б.

Осциллограмма фазных токов статора (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов (б), с промежуточными трансформаторами (б) Опираясь на качественный анализ параметров переходного процесса угловой скорости при векторно-импульсном пуске синхронного двигателя можно заключить, что в системе с промежуточными трансформаторами время регулирования увеличилось на 0,7 с (31,8%), перерегулирование возросло на 1,98%, время достижении максимума и нарастания увеличились на 0,61 с (30,3%).

В настоящее время благодаря использованию программного обеспечения Matlab Simulink можно с достаточной простотой и высокой точностью осуществлять вычисление в системах электроприводов таких энергетических показателей, как активная и реактивная мощность. Схема, позволяющая измерить активную, реактивную мощность и cos в разработанной модели векторно-импульсного пуска высоковольтного синхронного двигателя с промежуточными трансформаторами или без них представлена на рисунке 4.10.

В качестве входных переменных в схеме выступают мгновенные значения фазных токов и напряжений синхронного двигателя. Выходными переменными являются величины активной и реактивной мощностей, представленные в относительных единицах, а также cos.

Важным фактором, позволяющим использовать данную схему, является возможность с ее помощью отследить изменение мощности в процессе пуска.

Графики активной, реактивной мощности и cos (в относительных единицах) синхронного двигателя при векторно-импульсном пуске без промежуточных трансформаторов изображены на рисунке 4.11, а, с промежуточными трансформаторами – на рисунке 4.11, б. 1.5

Точное определение потерь энергии в переходных процессах пуска синхронного двигателя с помощью полупроводниковых преобразователей, работающих в импульсном режиме, нельзя выполнять по статическим зависимостям, так как электромагнитные переходные процессы вносят существенные коррективы в динамические характеристики синхронных электроприводов и оказывают влияние на энергопотребление [50]. На основании этого для вычисления КПД и потерь энергии при пуске была применена модель, собранная в среде Matlab Simulink, изображенная на рисунке 4.12. У нее входными переменными выступают угловая скорость, момент и величина потребляемой активной мощности, которая находится согласно схеме, изображенной на рисунке 4.10.