03 марта 2016г.
Современные замкнутые системы (ЗС) электропривода проектируются на базе двух подсистем: энергетической и информационной. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и осуществляет двухсторонний обмен энергией между первичным источником питания и электрической машиной посредством коммутации силовых ключей. Информационная подсистема включает в себя систему управления полупроводниковым преобразователем с информационно-измерительной частью и осуществляет реализацию заданного алгоритма регулирования координат электропривода. Структуры замкнутых систем электропривода с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП), определяющие построение информационной подсистемы, отличаются большим разнообразием, предельные же динамические возможности электропривода определяются параметрами энергетической подсистемы. Информационная подсистема не может обеспечить требуемые моменты, скорости и ускорения двигателя, если они не заложены в энергетической подсистеме.
Широкое использование ЗС электропривода малой и средней мощности на базе ШИП и двигателей постоянного тока (ДПТ), коллекторных или бесконтактных, заставляет обратить особое внимание на вопросы выбора состава оборудования и определения электромагнитных нагрузок на элементах их ЭП.
Наиболее массовое практическое применение в ЗС электропривода получили ЭП, построенные на базе двухзвенных преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока (ЗПТ), которые включают: силовые цепи сети переменного тока, выпрямитель (диодный или на управляемых ключах), ЗПТ с силовым фильтром (СФ), ШИП, исполнительный двигатель (ИД).
При построении ЭП ЗС электропривода, реализующих эффективные тормозные режимы, одной из наиболее важных становится задача приема энергии рекуперации. При торможении электропривода кинетическая энергия, которой обладают вращающиеся массы привода в начальный момент торможения, превращается в электрическую энергию и возвращается в ЗПТ посредством ШИП, заряжая конденсатор СФ. Поэтому другой важной становится задача определения величин возможных перенапряжений на конденсаторе СФ в типовых режимах работы электропривода и зависимости их от параметров режима работы.
Наиболее тяжелым режимом работы ЗС электропривода, при котором возможны максимальные электромагнитные нагрузки на СФ, является режим с ограничением тока якоря и выходом на границу предельной механической характеристики ДПТ. Работа на предельной механической характеристике ДПТ не рассматривается, так как электропривод в этом случае уже не может обеспечить требуемые ускорения при реверсировании.
При работе с токоограничением контур регулирования тока замкнутой системы подчиненного регулирования на этапах разгона и торможения ДПТ обеспечивает ток якоря прямоугольной формы на заданном уровне I0 . При этом скорость ДПТ будет периодически изменяться по линейному закону от значения -wУ до wУ и обратно, последовательно проходя участки торможения и разгона. Электромагнитные и энергетические
процессы в ЗС электропривода на базе ШИП-ДПТ при работе с токоограничением подробно исследованы и проанализированы в работах [1 - 3]. Мощность, расходуемая в ЗС электропривода, идет на:
- преодоление нагрузки - в рассматриваемом случае статический момент нагрузки на валу MСТ ;
- создание запаса кинетической энергии вращающихся масс электропривода, определяемой динамическим моментом;
- покрытие потерь в электродвигателе.
Кинетическая энергия вращающихся частей ДПТ на интервале рекуперации рассеивается в якорной цепи машины и заряжает конденсатор СФ. Энергия, заряжающая конденсатор СФ, связана с параметрами режима работы следующим соотношением [1]:
электропривода будут оптимально соотнесены с электромагнитными нагрузками на элементы
энергоподсистемы.
Если для рассматриваемого режима работы выполняется условие на базе ШИП-ДПТ
отсутствует.
I 0 ≥ 0,5 , то рекуперация в ЗС электропривода
Очевидно, что снизить перенапряжения на конденсаторе СФ возможно увеличением его емкости CФ , что также следует из формул (3) и (5). На практике,
как правило, увеличение емкости
батареи конденсаторов СФ осуществляется подбором
необходимого количества параллельно соединенных одиночных однотипных конденсаторов. В СФ транзисторных ШИП наибольшее применение в настоящее время нашли электролитические конденсаторы
(ЭК). Чаще всего на
практике в силовых устройствах применяются алюминиевые электролитические конденсаторы (АЭК).
Выпускаемые серийно ЭК имеют стандартные ряды номинальных рабочих
напряжений и емкостей, что будем учитывать в предлагаемой процедуре выбора
батареи конденсаторов СФ. Собирая батарею
требуемой емкости следует учесть,
что реально допустимое отклонение
емкости ЭК, как правило, составляет ±20%, поэтому будем использовать в расчетах 80% от значения
номинальной емкости одиночного конденсатора выбранного типа. Таким образом, в предлагаемой процедуре увеличение емкости CФ батареи конденсаторов СФ будем производить дискретно и кратно
80% емкости одиночного конденсатора выбранного типа. При ограничении максимальных напряжений на батарее
конденсаторов СФ будем также исходить
из стандартного ряда номинальных рабочих
напряжений ЭК.
Процедура выбора батареи конденсаторов СФ ЗС электропривода на базе ШИП и ДПТ сводится
к последовательному увеличению количества единичных
конденсаторов, входящих в батарею, при этом максимальное напряжение ограничивается значением из стандартного ряда номинальных рабочих
напряжений ЭК и, исходя из напряжения, выбирается тип и задаются
объем и масса единичного конденсатора. На каждом шаге процедуры, зная количество конденсаторов и их тип, объем и массу (исходя
из напряжений), вычисляют объем и массу всей батареи конденсаторов СФ и необходимые удельные показатели. Окончательно определяют наилучшие из возможных массогабаритные и стоимостные показатели батареи конденсаторов СФ.
В качестве
примера
рассмотрим
ЗС
электропривода
на базе ШИП и ДПТ серии
ДПУ240-1100-3
со следующими техническими данными:
номинальный электромагнитный момент M Н = 4,34 Н·м, номинальная частота вращения n = 3000 об/мин,
номинальное напряжение U Н = 120 В, номинальный ток IН = 12А, сопротивление обмотки якоря rЯ = 0,53 Ом, электромеханическая постоянная времени TM = 0,25 с. Базовые величины для ДПУ240-1100-3: wБ = 331,7 рад/с, IБ = 226,4 А, Wmax = 3400 Дж. Отношение тока
IН к базовому току
IБ для данной
машины составляет 0,053. Как правило,
в
зависимости
от
режима
работы ограничивают ток ИД на уровне 2…6 I 0 от 0,1 до 0,3. IН , что для ДПУ240-1100-3 соответствует диапазону
токоограничения
Используя выражение (5)
отобразим для рассматриваемой ЗС электропривода зависимость максимального 
относительного напряжения U C max на батарее
конденсаторов
СФ от ее емкости
CФ для значений токоограничения I 0 от 0,1 до 0,3 (Рисунок
1).
На Рисунке 2 отражены зависимости максимального напряжения UC max на батарее конденсаторов СФ
от ее емкости CФ для значений токоограничения I 0
= 0,15 и 0,3 и ограничительные кривые по напряжению с значениями уровней из стандартного ряда номинальных рабочих
напряжений ЭК – 200 В, 250 В, 350 В, 400 В, 450 В, 500 В, 550 В, 600 В. При построении ограничительных кривых по напряжению (Рисунок 2) к зависимостям максимального напряжения UC max был выбран 200 В.
Будем набирать батарею конденсаторов СФ из параллельно соединенных одиночных однотипных АЭК. Пусть их номинальная емкость
составляет 270 мкФ при любом рабочем напряжении, тогда в предлагаемой процедуре увеличение емкости CФ батареи конденсаторов СФ будем производить дискретно и кратно 80% емкости одиночного АЭК выбранного типа, т.е. 216 мкФ. Определим габариты и вес одиночного АЭК номинальной емкостью
270 мкФ для каждого уровня напряжения из стандартного ряда номинальных рабочих напряжений ЭК. Выбранные
АЭК имеют габариты - диаметр D и высоту L и вес m для напряжений: 200 В – D = 22 мм, L = 25 мм, m = 10 гр; 250 В – D = 25 мм, L = 25 мм, m = 13 гр; 350 В – D =
25 мм, L
= 45 мм, m = 25 гр;
400 В – D = 25 мм, L = 50 мм, m = 29 гр; 450 В –
D = 25 мм, L = 55 мм, m = 32 гр; 500 В – D = 30 мм, L = 45 мм, m = 41 гр; 550 В – D = 30 мм, L = 55 мм, m = 53 гр; 600 В – D = 35
мм, L = 50 мм,
m = 70 гр.
При вычислении объема всей батареи
конденсаторов СФ учитывались площадь квадратной площадки занимаемой цилиндрическим конденсатором и что между установленными рядом конденсаторами имеются зазоры 2 мм. На Рисунке 3 отражены
полученные зависимости объема V батареи конденсаторов СФ от ее емкости CФ для значений токоограничения I 0
= 0,15 и 0,3.
На Рисунке 4 отражены полученные зависимости массы M батареи конденсаторов СФ от ее емкости
CФ для значений токоограничения
I 0 = 0,15 и
0,3.
Для режима с токоограничением I 0 = 0,15 локальные
минимумы для объема
V и массы
M батареи конденсаторов СФ не совпадают. Минимальный объем батареи
СФ составляет 0,0028 м3 при емкости CФ @0,0117 Ф и количестве ЭК - 54 штуки, при этом масса батареи СФ равна 2,81 кг. Минимальная масса батареи СФ получается 2,59 кг при емкости CФ @ 0,0177 Ф и количестве ЭК - 82 штуки, при этом объем батареи СФсоставляет 0,003 м3 .
Для режима с токоограничением I 0 = 0,3 локальные минимумы для объема V и массы M батареи конденсаторов СФ совпадают. Минимальный объем батареи СФ составляет 0,00143 м при минимальной массе 1,15 кг, когда емкость CФ 0,0102 Ф и количество ЭК - 47 штук.
Таким образом, при некотором значении
емкости CФ и в зависимости от токоограничения I 0 можно получать локальные минимумы для объема V и массы M батареи конденсаторов СФ. Используя выражение
(5) и предложенную
процедуру выбора батареи конденсаторов СФ, при заданных
требованиях к динамике, массогабаритным и эксплуатационным
характеристикам ЗС электропривода на базе ШИП и ДПТ, представляется возможным выбрать
оптимальную емкость и тип конденсаторов СФ, улучшить массогабаритные показатели СФ и соответственно всей энергетической подсистемы.
Список литературы
1. Борисов П.А., Томасов В.С. Методики
анализа и синтеза
энергоподсистем электротехнических комплексов с высокими энергетическими показателями // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009 г., № 1(59), c. 5-13.
2.
Borisov P., Poliakov
N. Evaluation method and modelling
of electromagnethic processes in the power stage of closed loop DC drive system in condition of periodic speed reverse with current
limitation // World Scientific
and Engineering Academy and Society (WSEAS).
2014. Iss. Advances
in Automatic Control.
P. 51-59.
3.
Борисов П.А. Расчет
и моделирование режима
периодического реверса скорости
с токоограничением в электроприводе постоянного тока с ШИП // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. Саранск: Издательство Мордовского Университета, 2014. Т. 1, c. 155-160.
