Название: силовая электроника ( Г. С. Зиновьев А. С. Васильковский)

Жанр: Информатика

Просмотров: 1214


Лабораторная работа №3

Исследование трехфазного непосредственного преобразователя частоты

Цель работы: Исследовать модель трехфазного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) с циклическим управлением при частотном регулировании для двух частот, при работе на асинхронный двигатель. Сравнить качество выходного тока при использовании широтно-импульсного регулирования (ШИР) и без него.

Принципиальная схема преобразователя изображена на рис. 9.

Система управления для этого преобразователя обеспечивает циклическое подключение фазы нагрузки к фазам питающего напряжения. Выходная частота при этом формируется как разность частоты питающего напряжения и задающей частоты системы управления, т.е. определяется разностными биениями. Для каждой фазы нагрузки кривая напряжения формируется аналогично но со сдвигом на 120о по задающей частоте системы управления.

 

Рис. 9. Схема непосредственного преобразователя частоты.

При использовании ШИР и для регулировании амплитуды выходного напряжения необходимо организовать подключение нагрузки к питающему напряжению с использованием нулевого уровня, при этом длительность подключения к “нулю” определяется требуемой глубиной регулирования, которое задается уровнем генератора постоянного напряжения (блок GСa). “Зануления” или “закоротки” нагрузки создаются путем одновременного подключения всех фаз нагрузки к одной из фаз питающего напряжения. Т.е. на момент работы пары ключей  Kа1 – Kа4,  импульсы сформированные на выходе блока iaa должны быть поданы на пары ключей: Kb1 – Kb4  и  Kc1 – Kc4.

Временные диаграммы, демонстрирующие работу системы управления с реализацией ШИР для НПЧ, представлены на рис.10.

Рис.10. Временные диаграммы работы системы управления для НПЧ с реализацией ШИР

Временные диаграммы работы непосредственного преобразователя частоты с реализацией ШИР представлены на рис.11.

Исследуемая модель схемы НПЧ с системой управления изображена на рис.12.

Исходные данные:

Напряжение сети: f=50 Гц, U=220 В, асинхронный двигатель (см. приложение).

Рис.11. Временные диаграммы работы НПЧ с реализацией ШИР

Программа работы:

Задать параметры элементов схемы.

Задать параметры выводимой графической информации.

Получить мгновенные значения напряжений и токов для характерных элементов схемы. Распечатать графики на принтере.

С помощью моделирования с варьированием  параметров, получить внешнюю характеристику. Распечатать табличные значения.

Рассчитать значения коэффициента гармоник (Кг) выходного тока при различных частотах,  получив необходимые данные с помощью меню «интегральные значения» и «спектральный анализ».

Пункты 1-5 выполнить для двух выходных частот f=50 Гц (вырожденное 120-градусное управление), и  f=5 Гц (управление с ШИР по задающей частоте).

Построить зависимость выходного напряжения от глубины модуляции в системе управления (регулировочная характеристика).

Получить временные диаграммы функционирования основных элементов системы управления реализующей ШИР на выходной частоте f=5 Гц.

 

Рис. 12. Модель схемы непосредственного преобразователя частоты

Контрольные вопросы:

Основные типы непосредственных преобразователей частоты, классификация НПЧ, принцип действия.

Пояснить общий принцип управления НПЧ.

Каким образом определить частоту управляющих сигналов, если известна частота питающей сети и требуемая частота на выходе преобразователя? Пояснить на временных диаграммах?

Чем определяется частота пульсаций выходного напряжения (тока) преобразователя без использования ШИР, и чем, при использовании ШИР?

В чем преимущество использования в циклоинверторах управляемых ключей по сравнению с полууправляемыми ключами?

Какие проблемы возникают при использовании запираемых тиристоров при наличие согласующего трансформатора на входе преобразователя. Каким образом они решаются?

Поясните алгоритм реализации ШИР в НПЧ на примере системы управления к схеме, рассматриваемой в данной лабораторной работе.

Какие преимущества и недостатки имеет НПЧ по сравнению с преобразователями частоты на базе инверторов напряжения и тока?

Нарисовать схему непосредственного преобразователя частоты, осуществляющего преобразование из переменного трехфазного напряжения в переменное двухфазное. Пояснить, в общем, принцип действия и управления.

Какую форму имеет ток во входной цепи преобразователя? Почему?

Какие еще существуют способы формирования кривой напряжения на нагрузке кроме ШИР? Пояснить принцип действия.

 

Приложение 1

составление модели нагрузки – асинхронного двигателя

В данном курсе лабораторных работ используется модель типового асинхронного двигателя двигатель серии 4А марки  4А160S6У3, имеющий следующие электротехнические параметры:

Р2ном                  =       11 кВт         Номинальная мощность машины;

КПД           =       86 \%           Номинальный КПД машины;

cos(j)         =       0.86             Номинальный коэффициент нагрузки;

U1ф.ном     =       220 В          Номинальная фазное напряжение статора;

Sном           =       3.7 \%          Номинальное скольжение

 

При моделировании используется Г-образная схема замещения двигателя для одной фазы. (рис.10)

 

                

 

Рис. 10. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

В номинальном режиме работы двигателя (Uф=220 В,  f=50 Гц) данная схема замещения имеет следующие параметры:

Xm              =       29.289    Ом

R11             =       0.712      Ом

X11             =       1.074      Ом

R211           =       0.293      Ом

X211           =       1.464      Ом

R1               =       1.5494     Ом

X1               =       1.0283     Ом

 

С целью отражения корректности использования схемы замещения для высших частот, привычная Г-образная схема преобразована в подобную, но с введением в неё источника переменного напряжения, имитирующего противо-ЭДС двигателя, учитывающую преобразование электрической мощности в механическую. Видоизмененная схема замещения представлена на рис. 13.

 

                

Рис. 13.  Г-образная схема замещения асинхронного двигателя с введением в нее противо-ЭДС машины

Величина противо-ЭДС двигателя, как видно из сравнения представленных выше схем замещения, определяется произведением тока ротора на фиктивное сопротивление   на заданной частоте, а фаза её определяется фазой комплексного сопротивления, в цепи ротора двигателя. Расчет проводится по первой гармонической составляющей.

Изображенная на рис.11 схема разбивается на два независимых контура: контур намагничивания и контур цепи ротора – рис. 12.

                                         

 

Рис. 14. Независимые расчетные контуры намагничивания и цепи ротора в схеме замещения асинхронного двигателя

Где     RR = R11 +R211

XR = X11 +X211

 

Приведем пример расчета параметров модели нагрузки для электропривода, построенного на базе инвертора напряжения в режиме работы на частоте 50 Гц

В номинальном режиме действующее значение фазного напряжения двигателя равно 220В при частоте питающей сети 50Гц.

Именно эту величину и положим (в качестве первого приближения) как действующее значение первой гармоники фазного напряжения асинхронного двигателя. Тогда определим действующее значение первой гармоники противо-ЭДС двигателя:

 

тогда фаза этой противо-ЭДС и соответственно фаза тока в цепи ротора определяется фазой комплексного сопротивления цепи ротора:

Определяем токи и их фазы для контура намагничивания и цепи ротора:

соответственно, его фаза:

ток цепи ротора:

Ток  фазы двигателя в номинальном режиме:

                       

Теперь определим комплексное значение для напряжения фазы двигателя при уменьшении частоты до 25Гц, предварительно пересчитав величины комплексных сопротивлений от изменения частоты питающего напряжения:

Аналогично рассмотренному выше случаю определим противо-ЭДС двигателя

и фаза этой противо-ЭДС будет определяться фазой пересчитанного, для данной частоты, комплексного сопротивления цепи ротора:

 

Таким образом имеем параметры нагрузки для двух рабочих частот: 50Гц и 5Гц:

Lm     =       0.098   Гн  ;          Rm     =       1.028  Ом

LR     =       1.0081 Гн  ;           RR    =       1.006  Ом

Еоm   =       263.688  В   ;         j       =       16.393 о                (на  50 Гц)

Еоm   =       117.789  В   ;         j       =       15.202 о                (на  5 Гц)

 

В расчете следует учитывать, что при изменении частоты вращения электрического поля, изменяется так же и частота вращения ротора двигателя, но разность частот на выбранном участке механической характеристики двигателя должна оставаться постоянной. Зависимость скольжения от частоты имеет вид:

,

где w1 – частота электрического поля;

w2 – частота вращения ротора.

При Dw = const (на рабочем участке характеристики) видим, что величина скольжения напрямую зависит от частоты вращения электрического поля, иными словами обратно пропорциональна частоте питающего двигатель напряжения.

Приложение 2

Расчет коэффициента искажения выходного тока в электроприводе на базе инвертора Напряжения и непосредственного преобразователя частоты

Важным параметром, определяющим качество выходного сигнала преобразователя, является коэффициент искажения формы кривой выходного сигнала. В рассматриваемом нами случае под выходным сигналом будем понимать выходной ток инвертора (входной ток асинхронного двигателя).

Итак, определим коэффициент искажения выходного тока расчетным методом. Для этого воспользуемся методом АДУ2 [1], суть которого заключается в разделении искомого сигнала на первую гармоническую составляющую и составляющую высших гармоник. Соответственно расчет тогда проводится по каждой составляющей отдельно. Для понимания метода подробно рассмотрим его применение для системы электропривода на базе инвертора напряжения (сводится к цепи 1-го порядка) и на базе инвертора тока (сводится к цепи 2-го порядка).

Определение основных соотношений методом АДУ2 для электропривода на базе инвертора напряжения:

Представим схему в виде контура (рис. 15) с источником напряжения известной формы и величины, работающим на активно-индуктивную нагрузку, представляющую собой схему замещения асинхронного двигателя. В данной схеме Ха  и  Rа  это обобщенные активное и  индуктивное  сопротивления асинхронного двигателя, которые определяются приведением соответствующих сопротивлений цепей ротора и статора в, рассмотренной ранее, схеме замещения двигателя к виду Rа + Lа.

 

Рис. 15. Упрощенный расчетный контур по высшим гармоникам в

электроприводе на базе инвертора напряжения и НПЧ

 

Составляем для данного контура дифференциальное уравнение:

Далее для ухода от дифференциалов проинтегрируем данное выражение, и получим:    

где «знак черты» над переменной означает её заинтегрированность. Теперь производим операцию среднеквадратичного усреднения значений функций, что в физическом смысле означает определение их действующих значений. Итак, возводим в квадрат и усредняем за период:

,

считая операцию интегрирования аналогичной операции фильтрования [1], имеем возможность, при рассмотрении реакции данной цепи только для высших гармоник пренебречь заинтегрированными искомыми величинами (в нашем случае - ток). Тогда уравнение примет вид:

,

 

дополним полученное уравнение однозначной связью действующего значения напряжения по высшим гармоникам с интегральным действующим значением этого напряжения по его первой гармонике:

 ,

где  - интегральный коэффициент гармоник, определяющийся по формуле:

,

ряд значений высших гармонических составляющих выходного напряжения трехфазного инвертора напряжения представлен в [6].

Необходимо также отметить, что в общем случае данное соотношение справедливо и для токов.

Отсюда получим выражение, определяющее действующее значение высших гармоник входного тока асинхронного двигателя, при питании его от инвертора напряжения:

Имея в распоряжении полученные выше данные и зная величину первой гармоники выходного напряжения инвертора можем рассчитать коэффициент искажения формы кривой выходного тока преобразователя:

,

где I – полное действующее значение искомого тока, определяемое соотношением:

.

 

Приложение 3

Расчет коэффициента искажения выходного тока  в электроприводе на базе инвертора тока

Аналогичной, рассмотренной выше, методикой воспользуемся при определении коэффициента искажения кривой выходного тока в электроприводе на базе инвертора тока.

В инверторе тока существенное влияние на форму выходного тока оказывает выходная емкость, по этой причине при составлении дифференциального уравнения, описывающего цепь, эта емкость обязательно должна быть учтена (рис. 16):

 

Рис. 16. Упрощенный расчетный контур по высшим гармоникам в

электроприводе на базе инвертора тока

 

Соответственное уравнение, составленное для этой схемы в операторном вид выглядит следующим образом:

 ,

где IИ – выходной ток преобразователя (входной ток двигателя). Как и было описано в примере с инвертором напряжения, переходим от операторной формы к дифференциальной:

 ,

после этого интегрируем данное выражение, возводим в квадрат и усредняем за период (см. выше). В результате имеем следующее выражение:

переходя к высшим гармоникам, пренебрегаем (считая операцию интегрирования аналогичной операции фильтрования) всеми интегралами от тока. В итоге получаем:

теперь, способом описанным выше, получим выражение для действующего значения высших гармоник выходного тока преобразователя:

 ,

после чего можем определить коэффициент искажения формы кривой тока, питающего двигатель:

 

Другие, интересующие нас, энергетические параметры асинхронного двигателя и всего преобразователя в целом, можно определить, воспользовавшись аналогичным алгоритмом, основанном на методах АДУ1 или  АДУ2.