УДК 62-83:621.314:621.382
Е. М. Чехет, докт. техн. наук, І. А. Шаповал, канд. техн. наук
КЕРУВАННЯ МОМЕНТОМ І РЕАКТИВНОЮ ПОТУЖНІСТЮ МАШИНИ ПОДВІЙНОГО ЖИВЛЕННЯ З МАТРИЧНИМ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ
Сучасні асинхронні електроприводи є найбільш розповсюдженими промисловими електромеханічними системами. Впродовж останнього десятиріччя основні дослідження були сконцентровані на розробці керування для електроприводів з асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором. Значно менша увага приділяється розробці керування для так званої машини подвійного живлення (МПЖ). Статорні обмотки МПЖ з’єднуються напряму з мережею, а до ротора підключається перетворювач частоти з можливістю керування напрямком потоку енергії. МПЖ з векторним керуванням є привабливим рішенням для високоефективних електроприводів з обмеженим діапазоном швидкості, а також при генеруванні електроенергії. Для обмеженої зміни швидкості по відношенню до синхронної швидкості асинхронного двигуна потужність перетворювача, який знаходиться в роторі, є невеликою частиною від загальної перетвореної потужності.
Під час роботи в режимі двигуна в електроприводах змінної швидкості енергія ковзання в роторі регенерується роторним джерелом живлення в мережу, що призводить до ефективного перетворення енергії. Під час роботи в режимі генерування електроенергії МПЖ дає змогу генерувати електроенергію постійної частоти від первинного двигуна, швидкість якого змінюється в діапазоні ковзання (нижче і вище) синхронної швидкості МПЖ. Системи генерування енергії змінної швидкості мають декілька переваг у порівнянні з синхронним і асинхронним генеруванням постійної частоти. У вітроенергетичних системах генерування регулювання швидкості вала як функції швидкості вітру дозволяє збільшити відбір енергії при максимальній ефективності турбіни. І в режимі двигуна, і в режимі генератора МПЖ має можливість генерування моменту разом з контрольованим коефіцієнтом потужності статорної ланки.
Існують два підходи для живлення роторної ланки МПЖ: стандартний силовий перетворювач з проміжною ланкою постійного струму, що має вхідний випрямляч з векторним керуванням, і матричний перетворювач (МП). Деякі результати застосування МП для керування МПЖ наведені в літературі, але були представлені тільки результати моделювання без експериментальних досліджень.
У рамках фундаментальної науково-дослідної роботи "Сигнал-2" досліджено електромагнітні процеси в системі генерування електроенергії на основі МПЖ з векторним алгоритмом відпрацювання заданого моменту при одночасній стабілізації коефіцієнта потужності системи. Вирішено задачу відпрацювання моменту і стабілізації одиничного коефіцієнта потужності статорної ланки МПЖ. На відміну від існуючих рішень, реалізовано принцип орієнтації за полем статора з використанням системи координат, орієнтованої за вектором напруги мережі живлення, яка може бути визначена з будь-якою точністю і не залежить від параметрів асинхронного двигуна. Алгоритм керування базується тільки на вимірюванні швидкості/положення і струмів ротора.
Головна мета керування МПЖ у режимі генератора полягає у формуванні бажаного моменту незалежно від кутової швидкості вала первинного рушія.
Застосування представленого алгоритму керування МПЖ було розширено для векторного керування в системі генерування електричної енергії з постійною частотою і напругою при змінній швидкості приводного вала. На основі розробленого векторного алгоритму керування було виконано моделювання роботи автономного генератора на основі АМ з фазним ротором за допомогою програмного пакету MATLAB/Simulink. Моделювання проводилося з урахуванням математичної моделі реального матричного перетворювача. Вихідна напруга автономного генератора вимагає фільтрації, щоб уникнути перенапруг у період, коли навантаження статора ще не підключене. Частота напруги, що генерується, ідеально збігається із заданою частотою синхронної системи координат (d-q). Аналіз форми напруги і струму статора свідчить, що якість енергії, що генерується, задовольняє вимогам промислового використання.
Запропонований алгоритм керування МПЖ був експериментально досліджений, використовуючи машину подвійного живлення потужністю 7,5 кВт, за допомогою експериментального лабораторного стенду, який містить: асинхронний двигун з фазним ротором потужністю 7,5 кВт; прототип матричного перетворювача з частотою комутації 12,5 кГц; машину постійного струму, яка може працювати як у режимі регулювання моменту, так і швидкості, що використовується для стабілізації швидкості обертання ротора МПЖ при роботі її як генератора; контролер реального часу на базі цифрового сигнального процесора (TMS320C6711), підключеного до шини персонального комп’ютера; персональний комп’ютер для програмування, налагодження і реалізації функцій автоматизації, віртуального осцилографа; для вимірювання аналогових сигналів використані датчики струму та напруги LEM.
Всі алгоритми керування (МП і МПЖ) виконувались у реальному часі з використанням цифрового сигнального контролера. Експериментальні дослідження виконано за допомогою сконструйованого і виготовленого експериментального стенду. Експериментально продемонстровано: м’яке майже без перехідного процесу включення МПЖ до мережі живлення досягається за допомогою дії запропонованого алгоритму керування на етапі збудження-синхронізації; гарантується точне слідкування за моментом за умови одиничного коефіцієнта потужності статорної ланки; досягаються задовільні форми кривих вхідних струмів у ланці МПЖ і в ланці МП. Основний висновок після виконаних експериментальних досліджень такий, що запропоновані технічні рішення з керування для розробки МПЖ і цифрового сигнального контролера придатні до практичного застосування у високоефективних електромеханічних системах на основі МПЖ.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблено алгоритм керування машиною подвійного живлення, який дає можливість досягти істотного поліпшення якості електроенергії, що генерується, в таких системах генерування електроенергії, як вітрогенератори, малі гідроелектростанції тощо; розроблено програмне забезпечення, яке дає змогу здійснити практичну реалізацію алгоритмів керування МПЖ з МП на базі цифрового сигнального контролера.