Математические модели и программные средства для исследования электромагнитной совместимости регулируемых асинхронных электроприводов

Актуальность темы

Широкое внедрение в промышленность регулируемых асинхронных электроприводов [1−25] с преобразователями частоты связано с проблемой электромагнитной совместимости (ЭМС) [26,27].

Преобразователи частоты таких электроприводов работают в режиме широт-но-импульсной модуляции с частотой переключений транзисторов в диапазоне от 3 кГц до 16 кГц в зависимости от мощности преобразователя [28,29]. При этом мощность современных преобразователей, выпускаемых промышленностью, находится в пределах от единиц киловатт до сотен киловатт. Каждое переключение транзисторов в преобразователях вызывает мощный импульс кондуктивных помех в двигательном и сетевом кабелях. Поскольку современные транзисторы, применяемые в преобразователях частоты, обладают способностью переключаться за время порядка 0,1мкс[30], то спектр частот, возникающих в результате каждого переключения, составляет от сотен до десятков тысяч и более килогерц. При этом электрические кабели, соединяющие преобразователь с сетью переменного тока и с двигателем, становятся как бы антеннами, излучающими в пространство электромагнитную энергию (индуктивные помехи) значительной мощности.

Таким образом, каждый работающий преобразователь представляет собой источник кондуктивных и индуктивных помех. Эти помехи оказывают значительное воздействие на собственную нагрузку преобразователя (двигатель и двигательный кабель) и на другое электрооборудование. Поэтому действующие стандарты МЭК и Российские стандарты [31−42] регламентируют достаточно жесткие требования к уровню кондуктивных и индуктивных помех. В частности, по этим стандартам синфазные помехи в электроприводах переменного тока с преобразователями частоты должны быть снижены от уровня в сотни вольт (в системах без фильтров) до уровня в несколько десятков милливольт (в системах с применением фильтров).

Для защиты электрооборудования от электромагнитных помех применяют устройства, работающие на принципах фильтров пассивного типа, содержащих реакторы, конденсаторы и резисторы (фильтры ЭМС) [43−45]. Однако структура и параметры такого типа фильтров в значительной степени зависят от конфигурации и параметров промышленной сети, обусловленной другими потребителями электрической энергии, подключенными к данной сети, а также от характера нагрузки преобразователя (двигательный кабель, двигатель). В целом возникает достаточно сложная задача определения структуры и параметров пассивных фильтров, обеспечивающих ЭМС в заданной промышленной сети.

Применение только экспериментального метода в решении указанной задачи приводит к значительным финансовым затратам. В таком случае хорошим дополнением к экспериментальному методу являются математические модели. Поэтому задача разработки математических моделей и соответствующих программных средств для решения задач ЭМС представляется актуальной, поскольку сочетание эксперимента и расчета дает значительные дополнительные возможности при определении структуры и параметров фильтров ЭМС.

Цель работы. Разработка комплекса математических моделей и программных средств для исследования процессов распространения кондуктивных помех в сложных электротехнических системах типа «Промышленная сеть переменного тока — сетевые фильтры — преобразователь частоты — двигательные фильтрыдвигательный кабель — двигатель переменного тока» .

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

1. Разработать и проанализировать математические модели системы «Промышленная сеть переменного тока — сетевые фильтры — преобразователь частоты — двигательные фильтры — двигательный кабель — двигатель переменного тока» .

2. Разработать программные средства для исследования переходных процессов, вызываемых высокочастотными коммутациями полупроводниковых ключей преобразователей частоты, работающих в режиме широтно-импульсной модуляции.

3. Разработать математическое описание и программные средства для расчета гармонического состава тока, потребляемого преобразователем из промышленной сети.

4. Рассчитать переходные процессы и сопоставить с теорией для проверки математических моделей и программных средств.

Методы исследования. В работе применяются следующие методы: метод разбиения длинной линии с распределенными параметрами на участки конечной длины с сосредоточенными параметрами, тензорный анализ [46−48], методы расчета электрических цепей, метод численного интегрирования систем дифференциальных уравнений [49,50], натурный эксперимент.

Научная новизна. К новым научным результатам относятся:

— комплекс математических моделей системы «Промышленная сеть переменного тока — сетевые фильтры — преобразователь частоты — двигательные фильтры — двигательный кабель — двигатель переменного тока», позволяющий создать необходимые для исследований ЭМС программные средства;

— результаты исследования переходных процессов, вызываемых высокочастотными коммутациями полупроводниковых ключей преобразователей частоты, показывающие соответствие разработанных математических моделей теории и доказывающие эффективность разработанного подхода;

— результаты расчетов гармонического состава тока, потребляемого преобразователем из промышленной сети, позволяющие осуществить целенаправленный выбор параметров линейных реакторов.

Практическая значимость. Наибольшую практическую значимость имеет комплекс математических моделей и программных средств для исследования переходных процессов в сети и в двигательном кабеле, вызываемых высокочастотными коммутациями полупроводниковых ключей преобразователей частоты, позволяющий целенаправленно осуществлять выбор и расчет параметров фильтров ЭМС в современных системах регулируемых электроприводов с преобразователями частоты.

Достоверность полученных результатов. Достоверность разработанных математических моделей и программных средств подтверждена значительным количеством модельных экспериментов, результаты которых согласуются с ожидаемыми по теории длинных линий, а также с натурным экспериментом.

Автор защищает:

— комплекс математических моделей системы «Промышленная сеть переменного тока — сетевые фильтры — преобразователь частоты — двигательные фильтры — двигательный кабель — двигатель переменного тока» ;

— комплекс программных средств для исследования переходных процессов, вызываемых высокочастотными коммутациями полупроводниковых ключей преобразователей частоты;

— математическое описание и программные средства для расчета гармонического состава тока, потребляемого преобразователем из промышленной сети.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы, имеющие практическую значимость, применяются в ОАО НИИ Электропривод (г. Иваново). Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки магистрантов в Ивановском государственном энергетический университете.

Апробация работ ы. Основные положения работы и ее результаты были доложены и обсуждены на двух международных научно-технических конференциях (XII и XIII Бенардосовские чтения, 2005 — 2006 г. г.), на научно-технических семинарах кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок ИГЭУ, в ОАО НИИ Электропривод.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 1 монография, I статья, 3 тезисов докладов на Международных научно-технических конференциях, 3 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта. Общий объем опубликованного материала составляет 20,5 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 73 наименования и приложения. Работа изложена на 134 листах машинописного текста, содержит 70 рисунков.

4.4. Выводы по главе 4.

1. В главе 4 проведен анализ типов, спектра и контуров распространения электромагнитных помех в сети, разработаны расчетные схемы и математическая модель для расчета переходных процессов в сети переменного тока.

2. Показано, что уменьшение амплитуды напряжения помех не гарантирует уменьшение амплитуды тока через паразитные емкости.

3. Установлено, что с ростом частоты гармоник в некотором частотном диапазоне можно наблюдать возрастание амплитуды емкостного тока.

4. В процессе разработки схем фильтров ЭМС и определения их параметров следует ориентироваться на тот факт, что практически имеют значение только два типа помех: синфазные и дифференциальные;

5. Синфазные и дифференциальные помехи разделены по частотному диапазону их заметного, с точки зрения ЭМС, действиядифференциальные помехи оказывают влияние на потребители в диапазоне до 1 МГц, свыше 1 МГц действие на потребители оказывают синфазные помехи;

6. Если частотный спектр помех лежит в пределах до 1 МГц, то нужно ориентироваться на применение фильтра только для подавления дифференциальных помех;

7. При частотном спектре помех свыше 1 МГц нужно ориентироваться на применение фильтра для подавления только синфазных помех;

8. Для эффективного подавления помех в радиодиапазоне (от 150 кГц до десятков и сотен мегагерц) фильтр ЭМС должен содержать в явном или неявном виде два блока: фильтр синфазных помех и фильтр дифференциальных помех;

9. Для подавления сравнительно высокочастотных синфазных помех элементы синфазного фильтра (катушки индуктивности и конденсаторы) будут иметь меньшие массо-габаритные показатели по сравнению с фильтром для подавления сравнительно низкочастотных дифференциальных помех.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Модельные эксперименты подтверждают, что по условию ЭМС электроприводов с IGBT-инверторами необходимо наличие двигательного фильтра. Такой фильтр способен снизить скорость нарастания выходного напряжения инвертора до уровня, допустимого стандартами. Этот фильтр является определяющим в структуре фильтров, обеспечивающих ЭМС.

2. В результате исследования показано что структура двигательного фильтра должна быть Г-образной: дроссели, включенные последовательно с жилами двигательного кабеля, и цепи из последовательно включенных конденсаторов и активных сопротивлений (LCR фильтры). Исключение активного сопротивления из структуры двигательного фильтра приводит к недопустимому по стандарту ухудшению ЭМС.

3. При соблюдении рекомендаций для выбора параметров двигательного LCR фильтра изменение длины двигательного кабеля в пределах от 10 м до 200 м не ухудшает ЭМС электропривода со стороны двигательного кабеля. То есть крутизна фронта напряжения на выходе LCR фильтра лежит в пределах, допустимых по стандартам ЭМС для электроприводов с IGBT-инверторами.

4. Увеличение длины сетевого кабеля в пределах от 10 м до 200 м в системе с LCR фильтром увеличивает амплитуду высокочастотных колебаний в сетевом кабеле в несколько раз что ухудшает электромагнитную совместимость. Вместе с тем без фильтра радиопомех амплитуда колебаний увеличивается в сотни раз.

5. Установлено значительное взаимное влияние электромагнитных процессов в сетевом и двигательном кабелях через преобразователь частоты и паразитные емкости между жилами кабелей и экраном (или землей). В частности, скачки напряжения в двигательном кабеле в процессе переключений IGBT инвертора вызывают перенапряжения на входе преобразователя частоты в сотни вольт в системе без фильтров.

6. Эффективным мероприятием, обеспечивающим ЭМС асинхронных электроприводов с ПЧ, является установка и фильтров радиопомех, и двигательных фильтров. Только их сочетание позволяет снизить уровень кондуктивных помех в кабелях и индуктивных помех (электромагнитного излучения) до допустимого стандартами уровня. При этом входные линейные реакторы сетевого фильтра можно рассматривать как составную часть сетевого фильтра ЭМС.

7. Важнейшей причиной, ухудшающей ЭМС систем электроприводов с ПЧ, является увеличение длины сетевого и двигательного кабелей. При этом в зависимости от длины кабелей — по условию ЭМС — необходимо изменять параметры фильтров по определенным правилам.

8. С увеличением мощности электропривода, из-за ограничения по стандарту падения напряжения на реакторах фильтров, требуется снижение величины индуктивности реакторов против требуемого значения, и, как следствие, это снижение величины индуктивности приводит к ухудшению ЭМС более мощных электроприводов по сравнению с электроприводами малой мощности при прочих равных условиях.