Модернизация системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода

Современный частотно-регулируемый асин­хронный электропривод (ЧРАП) широко при­меняется в изделиях военной техники (ВТ) и конверсионной гражданской техники (ГТ). Для изделий первой категории предъявляют жесткие требования к условиям эксплуатации (согласно комплексам государственных во­енных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7»). В изделиях ВТ электропривод часто функци­онирует в условиях термонагруженного отсе­ка, что усложняет задачу снижения тепловы­деления и рассеивания теплоты. Требования по обеспечению гарантийной работоспособ­ности приводного/рабочего механизма связа­ны в том числе и с повышением энергоэффек­тивности ЧРАП. Такая задача в первую оче­редь зависит от степени минимизации потерь в компонентах электропривода, приводящих к снижению КПД и повышенному энергопо­треблению. Исходя из этого задача повыше­ния энергоэффективности ЧРАП в таких ус­ловиях является актуальной.

Объект данного исследования - частот­но-регулируемый электропривод переменно­го тока, в силовой цепи которого использует­ся трехфазный асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, получающим питание от преобразователя частоты (ПЧ) - силового контроллера с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Цель работы - исследование возможно­стей повышения энергоэффективности ЧРАП электрогидравлической трансмиссии самоход­ного грузоподъемного агрегата. Статья являет­ся продолжением работ [1, 2].

Один из вариантов решения данной за­дачи - совершенствование существующих и разработка новых типов электродвигателей и полупроводниковых преобразователей с улуч­шенными энергетическими характеристиками.

В области электромашиностроения оте­чественная промышленность освоила произ­водство нескольких серий асинхронных дви­гателей общего назначения (АИ, 5А), которые имеют более высокие КПД и коэффициент мощности. Например, в ОАО «РУСЭЛПРОМ» разработаны специальные крановые двигатели серий 5МТК и 7МТК для частотно-регулиру­емого электропривода. Усовершенствованные технологии изготовления обмотки статора и конструкция магнитопровода обеспечивают надежную эксплуатацию электродвигателей при питании от автономных инверторов на­пряжения (АИН) и возможность регулирова­ния частоты вращения в широком диапазоне.

Сегодня успехи в развитии микропроцес­сорных средств управления позволяют решать практические задачи повышенной сложно­сти: идентификация параметров, оценка пере­менных состояния, адаптивное и оптимальное управление. Одним из важных направлений в теории и практике регулируемого электроприво­да остается разработка электроприводов, кото­рые обеспечивали бы технологические процес­сы при минимальных энергетических затратах.

Практически допустимые области функ­ционирования ЧРАП определяются в том числе и законом частотного управления , а также каче­ством его реализации в системе регулирования.

В настоящее время существуют разные типы управления АД, реализуемые в ПЧ на основе скалярных и векторных систем управления. В свою очередь векторное управление под­разделяется на два основных вида: с прямой ориентацией по полю ротора (с датчиком по­ложения ротора, датчиком скорости, датчиком магнитного потока в воздушном зазоре) и с косвенной ориентацией по полю ротора (без- датчиковое/бессенсорное).

Соответственно векторное управление с косвенной ориентацией по полю ротора по­зволяет исключить использование датчика ско­рости (и датчиков других типов), но данный вариант имеет следующие неблагоприятные особенности:

• в режиме малого скольжения, т. е. при работе электродвигателя на низких скоростях, снижается качество регулирования скорости [3];
• усложняется и удорожается програм­мно-аппаратная часть электропривода.

Использование датчика скорости в опре­деленной степени снижает надежность ЧРАП ввиду влияния комплекса физико-химических и климатических факторов широкого диа­пазона, например в условиях ограниченного термонагруженного пространства с вибро-, те­пловыделяющим оборудованием. Кроме того, датчики скорости (энкодеры) в крановом элек­троприводе являются наименее надежными элементами, выход их из строя происходит достаточно часто [4]. С учетом всего этого в системе управления ЧРАП реализован скаляр­ный принцип частотного управления.

Одновременно с этим выбор АД для ра­боты в регулируемом электроприводе является важным фактором, влияющим на надежность эксплуатации приводного/рабочего механиз­ма. В данной статье рассматривается новый тяговый АД (получен патент РФ на полезную модель № 184734) с характеристиками: номи­нальная мощность P_N = 15 кВт; номинальное фазное напряжение U_N = 127 В; номинальный фазный ток I_N = 50,38 А; частота питающего напряжения f_N = 400 Гц; КПД η_Ν = 0,8651; коэффициент мощности cos φ _N = 0,8351; чис­ло пар полюсов z _p = 4; относительное сколь­жение s = 0,0269; скорость вращения ротора Ω₂ = 611,42 рад/c. Электродвигатель изготов­лен для работы в жестких условиях при вли­янии различных негативных факторов. Для повышения надежности электродвигателя его конструктивная часть включает в том числе охлаждающий контур с охлаждающими канала­ми, проходящими через ротор в осевом направ­лении. Принятые решения позволяют улучшить циркуляцию внутреннего воздуха и тем самым усовершенствовать схему теплопередачи.

Питание АД от ПЧ не улучшает энерге­тические показатели системы ЧРАП непосред­ственно. Наоборот, потери электродвигателя, питаемого от инвертора с ШИМ напряжением, выше, чем у электродвигателя, питаемого от сети. Это обусловлено как снижением действу­ющего напряжения в номинальном режиме, так и увеличенными электрическими и маг­нитными потерями из-за влияния коммутаци­онной составляющей тока и высших гармоник поля статора [5].

Таким образом, эксплуатация ЧРАП со­провождается рядом негативных факторов: возникновение высших гармоник питающего напряжения, вызывающих импульсные пере­напряжения в обмотке статора; повышенные потери, снижающие КПД, полезную мощность АД и увеличивающие нагрев; дополнитель­ные инерционные моменты, увеличивающие вибрацию и шум.

В связи с этим для количественной оцен­ки предлагается проведение сравнительного математического моделирования конкретно­го АД при питании от сети и от ПЧ. Модели­руется режим прямого пуска АД до скорости идеального холостого хода (Ω_0N = 628,3 рад/с) с последующим набросом активной нагрузки M_c = 24,6 Н-м, при этом скорость снижается до Ω₂ = 611,4 рад/с (относительное значение номи­нальной скорости ротора ω ₂ = 1 - s = 0,9731).

Проведен ряд экспериментов на мате­матической модели АД при питании от сети (рис. 1), в которых снимались значения ско­рости вращения вала, действующие значения токов и электрических потерь в обмотках ста­тора и ротора. Результаты приведены в табл. 1.

Для предоставления количественной оценки значений электрических потерь в об­мотках статора и ротора, а также установления причин и их удельного веса влияния на потери мощности в двигателе проведено математиче­ское моделирование режимов частотного пуска с последующим набросом нагрузки на валу АД при питании от источника импульсного широтно-модулированного напряжения.

В табл. 2 приведены действующие зна­чения тока статора, полученные эксперимен­тально и с использованием математической модели двигателя при питании от ПЧ, снятые при определенных условиях.

Данные, приведенные в табл. 2, подтверж­дают соответствие математической модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором результатам эксперимента.

При математическом моделировании были использованы значения активных сопротивлений обмоток АД для температуры 150 °С (статора R₁ = 0,0412 Ом; ротора R₂ = 0,0743 Ом), предоставленные заводом-изготовителем (ОАО «СЭГЗ»). В системе ПЧ - АД управле­ния реализован закон скалярного частотного управления (изображен в виде красной линии на рис. 2). Синей линией обозначен закон пропор­ционального частотного управления. Минималь­ное напряжение на низких частотах U_boost = 29 В (= 0,16 U₆). Несущая частота ШИМ - 4 кГц.

Проведен ряд экспериментов на мате­матической модели АД при питании от ПЧ со скалярной системой управления (рис. 3), в ко­торых снимались значения скорости вращения вала, действующие значения токов и электри­ческих потерь в обмотках статора и ротора. Ре­зультаты моделирования приведены в табл. 3.

Для удобства сравнения результатов ма­тематического моделирования режимов ра­боты двигателя от различных источников на­пряжения на рис. 4 представлены зависимости токов обмоток статора I₁ и ротора I₂, элек­трических потерь в обмотках статора ΔΡ_3]ΐ1 и ротора ΔΡ_3ΐα от момента нагрузки на валу АД при питании от сети (сплошные линии) и от автономного инвертора напряжения - АИН (прерывистые линии).

При питании АД от источника ШИМ и номинальной нагрузке ток статора увеличился на 6,3 %, ротора — на 8,1 % (см. рис. 4). Уве­личение токов обмоток двигателя приводит к соответствующему повышению электрических потерь обмотки статора на 12,7 %, ротора на 16,5 % по сравнению с результатами моделиро­вания режимов АД при питании от источника синусоидального напряжения.

Увеличение потерь мощности в АД при питании от источника импульсного широт- но-модулированного напряжения может быть объяснено наличием высших гармоник в при­кладываемом к обмоткам статора напряжении, падением напряжения на силовых полупровод­никовых приборах ПЧ и снижением напряжения на двигателе, обусловленного использо­ванием ШИМ. Рассмотрим данные факторы.

Вследствие наличия высших гармоник напряжения действующее значение тока стато­ра (Ι_Σ ) оказывается завышенным, что можно описать следующей формулой:

где I₍₁₎ - действующее значение основной гармоники;

K_ВГТ - коэффициент высших гармоник тока статора.

В частности, для номинальной нагрузки и несущей частоты ШИМ, равной 4 кГц, коэф­фициент высших гармоник тока статора K_ВГТ = 0,254 (вычислено в пакете MATLAB Simulink по методике [1]), следовательно, коэффициент увеличения тока оказывается небольшим, так как I + K_ВГТ² = 1,0645. Данная оценка достаточно точная, так как при номинальной нагрузке (M_c = = 24,6 Н-м) действующее значение тока статора равно I₁ = 52,3 А (см. табл. 3), а при питании от источника синусоидального напряжения действующее значение тока статора I₁ = 49,2 А (см. табл. 1). Фактическое значение тока ста­тора в номинальном режиме при питании от импульсного источника широтно-модулированного напряжения в 1,064 раза (по результа­там экспериментальных работ - в 1,102 раза) больше, чем при питании от источника сину­соидального напряжения.

Гораздо большее влияние высшие гар­моники тока оказывают на значение потерь в двигателе. По отношению к синусоидально­му питанию электрические потери в двига­теле увеличиваются на 15 %, а суммарные - на 4,6 %.

Кроме того, несинусоидальное питание приводит к увеличению потерь не только в меди, но и в стали. В частности, увеличение потерь от вихревых токов можно приближен­но оценить с помощью аналогичной формулы:

U_Σ = U₍₁₎  (1+ K_ВГТ²)                                              (2)

где U₍₁₎ - действующее значение основной гармоники;

K_ВГТ = 0,701 - коэффициент высших гар­моник напряжения статора при номиналь­ной нагрузке (вычислено в пакете MATLAB Simulink по методике [1]).

В детализированной математической мо­дели ЧРАП MATLAB Simulink [1] учитываются в том числе потери в стали статора и ротора. Соответственно коэффициент высших гармоник напряжения статора K_ВГТ получен исходя из этой модели на основе спектрального анали­за напряжения посредством блока Powergui - FFTAnalysis (БПФ - быстрое преобразование Фурье).

Отсюда следует, что коэффициент уве­личения потерь от вихревых токов составляет 1 + K_ВГТ² = 1+ 0,701² = 1,491. Таким образом, в отличие от электрических потерь, потери в стали от вихревых токов увеличиваются при­мерно в 1,5 раза, что приведет к повышению суммарных потерь ориентировочно на 7,5 %.

Суммируя увеличение электрических по­терь и потерь в стали, а также учитывая увели­чение добавочных потерь, можно ориентиро­вочно оценить степень увеличения суммарных потерь при номинальной нагрузке на валу АД как 12 % по отношению к потерям при синусои­дальном питании, т. е. к номинальным потерям.

Для установления количественной оценки влияния уровня напряжения в звене постоянного тока на значения токов обмоток статора и ро­тора и, как следствие, значений электрических потерь в обмотках двигателя проведен ряд опы­тов на математической модели, состоящей из источника постоянного напряжения, АИН и АД.

Ввиду наличия отрицательных эффектов АИН - «мертвого» времени и падения напря­жения на силовых ключах в прямом и обрат­ном направлении и неидеальности программ­ной компенсации этих эффектов, требуемый уровень напряжения зачастую получить не уда­ется. Поэтому при номинальной частоте уровни формируемых АИН фазных задающих напря­жений будут на 5...10 % меньше номинального значения.

Напряжение звена постоянного тока под­держивается на постоянном уровне U_d = 311 В от источника постоянного напряжения боль­шой мощности. Такой уровень напряжения в звене постоянного тока соответствует уровню напряжения на зажимах батареи конденсато­ров фильтра после трехфазного выпрямителя по схеме Ларионова, на вход которого подано трехфазное действующее линейное напряже­ние 220 В. Частота основной (первой) гармо­ники выходного напряжения - 400 Гц.

Результаты математического моделирова­ния режимов работы ЧРАП при вариации значе­ний нагрузки на валу двигателя и различном на­пряжении в звене постоянного тока обобщены в виде графиков и представлены на рис. 5 и 6.

Графики токов обмоток статора I₁ и ро­тора I₂ (см. рис. 5) имеют нелинейный ха­рактер, причем значение токов увеличивается с повышением нагрузки на валу АД. Кроме того, значения токов обмоток статора и ротора увеличиваются с уменьшением напряжения в звене постоянного тока ПЧ.

Увеличение токов приводит к увеличе­нию соответствующих электрических потерь, что показано на семействах графиков элек­трических потерь в обмотке статора ∆P_эл1 и в обмотке ротора ∆P_эл2. которые представлены на рис. 6.

Графики электрических потерь имеют нелинейный, параболический характер. С уве­личением момента нагрузки на валу АД элек­трические потери возрастают. Кроме того, значения электрических потерь в обмотках статора и ротора увеличиваются с уменьшени­ем напряжения звена постоянного тока.

Снижение напряжения на двигателе, об­условленного использованием ШИМ, связано с естественным (физическим) ограничением напряжения, которое можно получить на выхо­де ПЧ, питающего двигатель. Дополнительно предельно допустимое значение напряжения может также лимитировать и электрическая прочность изоляции обмотки двигателя. Кро­ме того, со снижением частоты питающего напряжения пропорционально уменьшаются значения всех реактивных сопротивлений схе­мы замещения АД, а значения активных со­противлений остаются неизменными. Поэто­му в области малых частот возрастает доля активного сопротивления обмотки статора в полном сопротивлении двигателя. Соответ­ственно возрастают доля падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора и его влияние на напряжение намагничивающего контура при фиксированном напряжении ста­тора и изменении нагрузки на валу АД.

Таким образом, анализ электрических потерь в обмотках статора и ротора АД для случаев использования источников синусои­дального напряжения и импульсного широтно-модулированного напряжения в качестве источника питания двигателя показал целе­сообразность переключения источника пита­ния двигателя с ШИМ питания на источник синусоидального напряжения в номинальном режиме работы.

В связи с этим предлагается изменить схему подключения двигателя с преобразова­теля частоты к питающей сети с использовани­ем «байпас», т. е. предусмотреть возможность переключения питания двигателя с источника импульсного широтно-модулированного на­пряжения на источник синусоидального на­пряжения. На рис. 7 представлены два вари­анта принципиальных схем подключения ПЧ с асинхронным двигателем к питающей сети.

Традиционная схема подключения (см. рис. 7, а) не предполагает возможности под­ключения асинхронного двигателя напрямую к питающей сети. На схеме условно изображены ПЧ и контакторы К1 и К2 без соответствующих управляющих обмоток. После подачи питания на ПЧ контроллер подает команду замыкания на контактор К2, чтобы произвести предзаряд батареи конденсаторов. После этого контактор К2 размыкается, а контактор К1 замыкается, тем самым подключая ПЧ к питающей сети.

Один из возможных вариантов принци­пиальной схемы подключения ПЧ с асинхрон­ным двигателем к питающей сети с возмож­ностью переключения источника напряжения, питающего двигатель, представлен на рис. 7, б. По сравнению с традиционной данная схема подключения ПЧ с асинхронным двигателем к питающей сети дополняется двумя трехфаз­ными контакторами, которые производят пере­ключение источника напряжения, питающего двигатель, с импульсного широтно-модулированного на синусоидальное согласно состоя­нию управляющего сигнала (т. е. дополняется дублирующая/обходная схема питания, так называемый «байпас»).

Также на рис. 7 а, б показан токоограни­чивающий резистор R, который необходим для процедуры предзаряда батареи конденсаторов.

Рассмотрим алгоритм переключения источника, питающего АД, с импульсного широтно-модулированного напряжения на сину­соидальное и обратно при реализации режи­мов разгона и торможения электродвигателя.

Начальное состояние - все контакторы разомкнуты, в звене постоянного тока ПЧ ну­левое напряжение. После подачи питания на ПЧ контроллер подает команду замыкания на контактор К2, чтобы произвести предзаряд ба­тареи конденсаторов. После этого контактор К2 размыкается, а контактор К1 замыкается, тем самым подключая ПЧ к питающей сети. В таком состоянии производится разгон дви­гателя до номинальной частоты в заданном темпе. По достижении электродвигателем но­минальной частоты производятся размыкание контактора К3 и замыкание контактора К4. После этого двигатель работает при питании от источника синусоидального напряжения.

Перед режимом электрического тормо­жения размыкается контактор К4 и замыкается контактор К3. Далее производится торможение АД в заданном темпе. По достижении нулевой частоты контроллер переходит в режим ожи­дания пуска.

Важно отметить, что применение рас­сматриваемого варианта реализует наряду с улучшением энергоэффективности привода повышение его надежности, так как обеспечи­вает работоспособность привода при выходе из строя ПЧ.

Таким образом, в соответствии с полити­кой производственно-технологического разви­тия интегрированной структуры АО «Концерн ВКО «Алмаз - Антей» на период до 2026 г. од­ной из важнейших задач является внедрение результатов интеллектуальной деятельности и освоение производства инновационной про­мышленной продукции, что определяет акту­альность вышеперечисленных научно-иссле­довательских работ.

По результатам проведения математиче­ского моделирования в пакете MATLAB Simulink осуществляется модернизация силового кон­троллера для повышения энергоэффективности ЧРАП и всего приводного механизма в целом.