Порівняльний аналіз роботи тиристорів та IGBT-транзисторів, заснований на плавному пуску
У цій роботі оцінюється продуктивність двигуна з розщепленою фазою та приводів трифазного асинхронного двигуна для плавного пуску. У роботі систематично досліджуються та порівнюються характеристики змінної напруги приводу подачі асинхронного двигуна для двох різних типів ненаголошених пускачів; один на основі біполярного транзистора із ізольованим затвором, а інший на основі тиристора. Експериментальне обґрунтування виконано за допомогою аналогової контурної системи, розробленої у лабораторії. Новизна роботи полягає у розробці простих та гнучких імітаційних моделей та експериментального обґрунтування.
Ключові слова:Електропривод змінної швидкості, Ненаголошений пускач, Тиристор, Біполярний транзистор з ізольованим затвором.
1. Введення
Безпосередній неавтономний запуск великих асинхронних двигунів представляє значну проблему як для мережі, так і для самого двигуна через раптові падіння напруги і великі коливання моменту обертання, що розглядалося в роботах Вільямса і Гріффіта (1978), Брюса та ін. (1984), а також Невелстина та Арагона (1989). Іноді через реле відключення при зниженні напруги та перевантаженні двигун може не запускатися. Натомість використовується пуск при зниженій напрузі спеціально для запуску великих асинхронних машин з використанням автотрансформатора. Однак обсяг та вартість автотрансформаторів обмежує їх використання. Пускачі асинхронних двигунів на основі силового електронного перетворювача, частіше звані ненаголошеним пускачем, набувають популярності і швидко замінюють традиційні пускачі при зниженій напрузі з використанням автотрансформаторів, як вказується в роботах Шефарда (1976), Mazda (1973), Мошидера і Бозеда(1993), Рована та Меррісона (1991), Ліпо (1971a) та Ліпо (1971b). Як правило, використовуються дві конфігурації ненаголошених пускачів
- Ненаголошені пускачі з зустрічно-паралельно включеним тиристором, також звані регуляторами змінної напруги.
- Перетворювач постійного струму на основі біполярного транзистора з ізольованим затвором (IGBT) та двоопераційний тиристор з комутованим затвором (GTO).
Ненаголошені пускачі на основі тиристора економічні, прості в роботі та надійні. Їх можна економічно використовувати під час запуску великих асинхронних двигунів середньої напруги, у яких низька вимога пускового моменту. При використанні пускача на основі силового електронного перетворювача початковий пусковий струм двигуна може бути значно знижений. Крім того, вони забезпечують плавне прискорення, полегшують здійснення регулювання струму, а також при частковому навантаженні сприяють економії енергії. Тиристори спочатку запускаються з більшим кутом запалення (при зниженій напрузі) з м'яким пуском, що супроводжується зменшенням кута запалювання і згодом підвищенням напруги, що додається до двигуна. Початковий пусковий момент після простою асинхронного двигуна пропорційний квадрату прикладеної напруги. Таким чином, це, безумовно, впливає на запуск асинхронного двигуна під навантаженням. Крім того, якість вихідної напруги низька з сильним спотворенням і низьким коефіцієнтом потужності. Проблема вищого сумарного значення коефіцієнта нелінійних спотворень найбільш очевидна при великому куті запалювання. Даний метод дуже ефективний, якщо двигун працює в умовах незначного навантаження, що продемонстровано в роботах Ельтамалі та ін. (2007a), Ельтамалі та ін. (2007b), Васкеса таін (2008) та Хамеда та Челмерза (1990).
У всьому світі робилися численні спроби підвищити продуктивність ненаголошених пускачів, і було реалізовано кілька різних варіантів: Хьюн і Чоу (1998), Делерої та ін. (1989), Зенгінобуз та ін. (2004), Гастлі та Ахмед (2005), і Кашиф та Сакіб (2007). Хьюн і Чоу (1998) пропонують застосовувати регулятор ступінчастого підвищення/зниження змінної напруги з використанням трансформатора з перемикачем вихідних обмоток та ШІМ-переривником. Запропонована конфігурація регулятора може підвищувати або знижувати вихідну напругу перемикачем вихідних обмоток трансформатора і дозволяє відрегулювати точне навантаження вихідної напруги за допомогою ШИМ-переривника. Головним поліпшенням даної схеми є безперервний вхідний змінний струм, на відміну традиційного регулятора змінного струму, у якому вхідний струм може перериватися. У роботі Делерої та ін. (1989) перемикальна функція визначається на основі кута відмикання тиристора та реалізована в регуляторі. Перехідні характеристики значно покращуються під час використання такої методики. Продуктивність пускача асинхронного двигуна із застосуванням ненаголошеного пускача значно підвищена в роботах Зенгінобуз (2004), де запуск оптимізований таким чином, щоб усунути пульсацію моменту частоти мережі. Гастлі та Ахмед (2005), а також Кашиф та Сакіб (2007) для покращення пускових характеристик застосовували методи, що базуються на штучному інтелекті. Пізніше Джонг та ін. (2009) адаптували схему плавного пуску керування насосом для покращення режиму запуску асинхронної машини. ШИМ-сигнали виробляються блоком управління, який запускає тиристори підтримки струму в нормативних межах. Управління насосом є методом контролю за крутниммоменту, в якому використовується ПІД-регулятор для налаштування крутного моменту. З іншого боку, Бернатт та ін. (2009), запропонували особливу конструкцію роторної клітини великої асинхронної машини для покращення пускових характеристик. Ельтамалі та ін. (2009) запропонували цифрову пускову схему двонаправлених тиристорів на основі форми входу, що використовується. Датчик визначає режим роботи, і відповідно формуються симисторні селекторні імпульси. Чарльз та Бхувамешварі (2009) застосували шунтовий активний фільтр між регулятором напруги змінного струму та вхідним джерелом живлення, щоб усунути проблему якості електроенергії, що виникає при самостійній роботі регулятора напруги змінного струму.
У цій роботі ми зупинилися на класичній конфігурації ненаголошеного пускача з тиристором і перемикачами потужності з біполярним транзистором з ізольованим затвором як однофазних, так і трифазних асинхронних двигунів. Повна імітаційна модель виходить при використанні програмного забезпечення Matlab/Simulink для запропонованих конфігурацій. Потім у лабораторії було розроблено ненаголошений пускач на основі прототипної аналогової схеми, а результати моделювання були перевірені під час його експериментального впровадження. Таким чином, основні завдання даної роботи включають розробку простої та гнучкої імітаційної моделі для ненаголошених пускачів асинхронних машин. Режим роботи пускачів можна перевірити за допомогою запропонованих імітаційних моделей. Робота підрозділяється п'ять глав; у першому розділі розглядається однофазна система, у другій детально описано впровадження трифазної приводної системи, у третій представлено докладний опис експериментального дослідження з наступними Висновками та Бібліографією.
2.Розробка моделі Matlab®/Simulink®
На сьогоднішній день майже всі процеси та методи спочатку моделюються, до їх фактичної реалізації. Це значно знижує кількість спроб та витрати на фактичну реалізацію. Експлуатаційні характеристики системи/процесу/методу можна точно оцінити за допомогою відповідних імітаційних моделей. Таким чином, моделі мають бути гнучкими та точними, а також враховувати проблеми фактичної реалізації. В даний момент завдяки стрімкому розвитку апаратного та програмного забезпечення доступні нові більш швидкі та зручні для використання пакети програм для моделювання. У цьому обговорюється використання однієї з таких пакетів програм SIMULINK від MATLAB. Головна перевага SIMULINK у порівнянні з іншими програмними засобами полягає в тому, що замість компіляції імітаційна модель будується систематично за допомогою блоків функцій. Набір машинних диференціальних рівнянь можна моделювати шляхом поєднання відповідних блоків, кожен із яких виконує певну математичну операцію. Трудомісткість програмування максимально знижена, і значно спрощено усунення помилок. Якщо використовується SIMULINK як програма для моделювання, імітаційну модель можна легко розширити за допомогою додавання нових допоміжних моделей, щоб врахувати різні функції керування. Асинхронний двигун може бути включений до повної приводної системи електродвигуна від Simulink Library. Моделювання однофазного та трифазного регуляторів напруги від Simulink будуються у двох варіантах, тобто. з тиристором та біполярним транзистором із ізольованим затвором, а результати оцінюються в наступних розділах.
2.1Модель однофазного ненаголошеного пускача з тиристором від Matlab®/Simulink®
Повна імітаційна модель однофазного регулятора напруги для м'якого пуску асинхронної машини з використанням тиристорів показана на Рисунку 1. Однофазна синусоїдальна напруга виробляється із застосуванням блоку джерела напруги від Simulink Library. Селекторні імпульси, що виробляються підсистемою (див. рис. 2) передаються на зустрічно-паралельні тиристори. Сигнали перемикання мають значення 0 (вимкнути), або 1 (включити). За навантаження взято просте співвідношення індуктивності та опору та конденсаторний пуск із розщепленою фазою. Модель, зображена на Мал. 1, зображує співвідношення навантаження індуктивності та опору, у той час як двигун просто витісняє це навантаження, а результати окремо опрацьовані як для співвідношення навантаження індуктивності та опору, так і для навантаження двигуна. Імітація виконується для визначення сумарного коефіцієнта гармонійних спотворень вихідного струму.
Регульовані межі кута відмикання (α) становлять від α = 0 до α = π/2. Сумарне значення коефіцієнта нелінійних спотворень зростає до більших значень?, що означає зростання гармонії в лінійному струмі і напрузі. Слід зазначити, що сумарне значення коефіцієнта нелінійних спотворень значно нижче навантаження двигуна проти співвідношенням індуктивності і опору. Реакція частоти обертання двигуна на різні кути проходження струму зображена на малюнку 3. Тут чітко видно, що реакція швидше для меншого кута проходження струму, а повільніше вона стає для кута, що поступово зростає. Очевидною причиноюцього є нижча середня вихідна напруга.
У відповідь моменту, що крутить, і статора і форми сигналу потоку ротора двигуна розщепленої фази для кута провідності з 60 ° показані на малюнках 4-5. Типовою реакцією двигуна немає, струм статора і крутний момент мають постійне значення. Після того, двигун досягає своєї постійної швидкості. З іншого боку, слід зазначити, що швидкодія містить брижі.
