ПЗ (Разработка системы управления асинхронным тяговым приводом)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электропривод абсолютного большинства систем может быть выполнен на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя с тиристорным преобразователем частоты. Развитие силовой полупроводниковой техники, в частности, разработки технологий изготовления силовых запираемых тиристоров (GTO - тиристоров) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT - транзисторов), сделало возможным создание мощных энергетических систем с асинхронным приводом и управлением практически любой степени сложности. По сравнению с электроприводом постоянного тока достоинствами системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» являются простота в эксплуатации и относительно низкая стоимость электродвигателя; недостатками – сложность и высокая стоимость силовой части преобразователя частоты.

Цель данного проекта – смоделировать работу системы управления асинхронным двигателем в пакете Simulink операционной среды MATLAB для изучения схемы управления приводом и процессов протекающих в нем.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

На современном подвижном составе в качестве тягового привода применяют асинхронный двигатель. Электрические схемы таких подвижных единиц принципиально друг от друга не отличаются. Для управления асинхронным тяговым двигателем и другими вспомогательными машинами служит тяговый преобразователь. Преобразователь питания управляет потоком энергии между питанием и тяговым электродвигателем, обеспечивая регулирование крутящего момента и оборотов электродвигателя. Для выполнения данной задачи ток и частота на обмотках электродвигателя регулируются по сигналу электроники преобразователя питания. Система управления тяговым преобразователем состоит из силовой и управляющей частей.

1.1 Силовая часть

Автономным инвертором называется устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное с изменением величины частоты и напряжения при помощи электронных ключей. В качестве таких ключей используются силовые полупроводниковые ключи на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), способные эффективно управлять сложными режимами работы преобразователей.

На IGBT-модулях строятся двухуровневые и трехуровневые инверторы. Последние появились позже, устроены сложнее, не так просты в применении, но при этом имеют ряд преимуществ. Вместе с тем двухуровневые инверторы, по сравнению с трехуровневым инвертором, обеспечивают меньшие массогабаритные показатели, а также повышенная надежность за счет меньшего числа компонентов.

На рисунке 1.1 приведена схема двухуровневого инвертора и схемы замещения, диаграммы работы приведены на рисунке 1.2. Из диаграмм видно, что преобразователь может находиться в шести различных состояниях, что также отражено на схемах замещения. Характерно, что каждое состояние отличается от предыдущего переключением только одной фазы нагрузки в противоположную полярность напряжения.

Рисунок 1.1 – Двухуровневый инвертор (а) и схемы замещения (б)

Рисунок 1.2 – Диаграммы работы двухуровневого инвертора

Схема двухуровневого трехфазного мостового инвертора получается простым объединением по общему источнику входного напряжения трех полумостовых однофазных инверторов, в этом случае при соединении фаз трехфазной нагрузки в звезду или в треугольник не требуется наличие средней точки у источника входного напряжения, как показано на схеме. Характерной особенностью автономного инвертора напряжения является то, что параллельно источнику напряжения на входе автономного инвертора напряжения включается конденсатор большой емкости. В результате работы инвертора на его выходе (фазы A, B и C) формируется трёхфазная симметричная система напряжений нагрузки.

В режиме 180-градусного управления сигналы на верхний и нижний транзисторы каждого плеча моста поступают в течение полупериода выходного напряжения с соответствующими фазовыми сдвигами для получения трехфазной системы, как показано на первых шести временных диаграммах.

На следующих трех диаграммах изображены зависимости фазных напряжений трехфазной нагрузки. Шести ступенчатый характер диаграмм фазных напряжений инвертора свидетельствует о шести различных состояниях силовой схемы инвертора, интервалы существования которых обозначены цифрами от 1 до 6. Шесть схем замещения инвертора, соответствующие этим шести состояниям силовой схемы, указанные на рисунке 1.1, б.

В первом состоянии включены транзисторы , и . Фазы и нагрузки подключены к положительной шине контактной сети, а фаза нагрузки подключена к отрицательной шине контактной сети. При одинаковых сопротивлениях фаз нагрузки на две параллельно соединенные фазы и будет приложена в положительном направлении треть напряжения источника, а на последовательно соединенную с ними фазу – две трети напряжения источника питания отрицательной полярности, что отражено соответствующей величиной ступеней фазных напряжений инвертора на первом интервале диаграммы. Аналогично по схемам замещения определяются величины ступеней в фазных напряжениях инвертора и на всех остальных интервалах.

По построенным фазным напряжениям легко определить и межфазное (линейное) напряжение, как это показано для линейного напряжения на последней диаграмме [1].

В настоящее время для питания асинхронных двигателей от контактных сетей 3 кВ постоянного тока наибольшее распространение получила схема трехуровневого автономного инвертора представленная на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Трехуровневый инвертор (а) и схемы замещения (б)

Возможны две схемотехнические реализации – со связью со средней точкой через диоды и с Т-образным мостом – показаны на рисунках 1.4, 1.5.

Принципиальное отличие трехуровневых инверторов на IGBT-модулях состоит в том, что при широтно-импульсной модуляции для формирования выходного напряжения используются все три входных уровня. Другими словами, выход модуля поочередно соединяется с каждым из трех входных напряжений. Очевидно, что трехуровневый инвертор позволяет использовать полупроводники с максимальной эффективностью, практически с полной загрузкой по напряжению. Благодаря этому, возможно применение полупроводников, рассчитанных на меньшее номинальное напряжение. Это важное преимущество перед двухуровневым инвертором, причем данное свойство относится и к транзисторам, и к диодам, используемым в модуле. Кроме того, полупроводники с меньшим рабочим напряжением имеют преимущества по всем остальным параметрам, важнейшие из которых – время переключения и падение напряжения в открытом состоянии. Трехуровневые инверторы имеют больший коэффициент полезного действия, а в выходном синусоидальном сигнале содержится меньше неосновных гармоник, что позволяет сократить размеры фильтров.