Многозонный преобразователь переменного напряжения. Ч. 2. Синтез системы управления устройства плавного пуска асинхронного двигателя

  • Евгений Андреевич Косых
  • Сергей Викторович Брованов
  • Сергей Александрович Харитонов
  • Алексей Вячеславович Удовиченко
  • Евгений Валерьевич Гришанов
Ключевые слова: синтез системы управления, ПИ-регулятор, релейный регулятор, устройство плавного пуска, асинхронный двигатель, регулятор переменного напряжения, силовая электроника

Аннотация

Статья посвящена исследованию системы управления многозонного преобразователя переменного напряжения, используемого в качестве устройства плавного пуска асинхронного двигателя (АД). Проведён анализ достоинств, недостатков и особенностей современных устройств для плавного пуска АД. Представлены результаты синтеза различных структур регулятора. С помощью метода алгебраизации дифференциальных уравнений проведен математический расчёт схемы однофазного трехзонного регулятора переменного напряжения. С помощью имитационного моделирования в среде Matlab/Simulink получены осциллограммы переходных процессов при разгоне однофазного асинхронного двигателя. Исследованы одноконтурные системы автоматического регулирования пускового тока с использованием релейного регулятора и ПИ-регулятора. Разработана двухконтурная система автоматического управления, которая позволяет двигателю разгоняться до номинальных оборотов как с линейным, так и с сигмоидальным ускорением, ограничивая при этом пусковой ток. Полученные результаты верифицированы с помощью экспериментального стенда. Статья является продолжением исследования многозонного преобразователя переменного напряжения [1].

Биографии авторов

Евгений Андреевич Косых

аспирант, ассистент кафедры электроники и электротехники, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; kosykh@corp.nstu.ru

Сергей Викторович Брованов

доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры электроники и электротехники, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; brovanov@corp.nstu.ru

Сергей Александрович Харитонов

доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и электротехники, директор института силовой электроники, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; kharitonov@corp.nstu.ru

Алексей Вячеславович Удовиченко

кандидат техн. наук, доцент, доцент кафедры электроники и электротехники, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; udovichenko@corp.nstu.ru

Евгений Валерьевич Гришанов

кандидат техн. наук, доцент, доцент кафедры вычислительной техники, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; e.grishanov@corp.nstu.ru

Литература

1. Косых Е.А., Харитонов С.А., Удовиченко А.В. Многозонный преобразователь переменного напряжения. Ч. 1. Анализ регулировочных характеристик. – Электричество, 2023, № 12, с. 43–53.
2. Bhuvaneswari G., Charles S., Nair M.G. Power Quality Studies on a Soft-Start for an Induction Motor. – IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008, DOI:10.1109/TDC.2008.4517215.
3. Кралин А.А., Крюков Е.В., Асабин А.А. Принципы работы тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения для распределительных сетей. – Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2019, № 2(125), с. 112–118.
4. Sosnina E.N. et al. Medium-Voltage Distribution Network Parameter Optimization Using a Thyristor Voltage Regulator. – Energies, 2022, vol. 15, No. 15, 5756, DOI 10.3390/en15155756.
5. Соснина Е.Н. и др. Исследование установившихся режимов работы распределительной электрической сети с тиристорным регулятором напряжения. – Промышленная энергетика, 2021, № 12, с. 2–15.
6. Guangqiang L. et al. Energy Conservation of a Novel Soft Starter Controlled by IGBT for Induction Motors with Minimum Current. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2004, vol. 2; pp. 1351–1356, DOI:10.1109/ISIE.2004.1572009.
7. Subhani N. et al. Analysis of Steady-State Characteristics for a Newly Designed High Voltage Gain Switched Inductor Z-Source Inverter. – Electronics, 2019, 8(9), DOI:10.3390/electronics8090940.
8. Баховцев И.А., Зиновьев Г.С. Обобщенный анализ выходной энергии многофазных многоуровневых инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией. – Электричество, 2016, № 4, с. 26–33.
9. Nannen H., Zatocil H., Griepentrog G. Predictive Braking Algorithm for Soft Starter Driven Induction Motors. – The 24th European Conf. on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), 2022, 22211914.
10. Brescia E. et al. Optimal Tooth Tips Design for Cogging Torque Suppression of Permanent Magnet Machines with a Segmented Stator Core. – Int. Conf. on Electrical Machines (ICEM), 2020, pp. 1930–1936, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270968.
11. Brescia E. et al. Automated Multistep Parameter Identification of SPMSMs in Large-Scale Applications Using Cloud Computing Resources. – Sensors, 2021, 21(14), DOI: 10.3390/s21144699.
12. Brescia E. et al. Automated Parameter Identification of SPMSMs Based on Two Steady States Using Cloud Computing Resources. – The Int. Conf. on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), 2021, DOI: 10.1109/ICECET52533.2021.9698606.
13. Menaem A.A. et al. A Proposed ANN-Based Acceleration Control Scheme for Soft Starting Induction Motor. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 4253–4265, DOI: 10.1109/ ACCESS.2020.3046848.
14. Pasqualotto D. et al. Fault Detection in Soft-started Induction Motors using Convolutional Neural Network Enhanced by Data Augmentation Techniques. – The 47th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2021, DOI: 10.1109/IECON48115.2021.9589439.
15. Bernard P et al. A Novel Observer for Induction Motors, with an Application to Soft Starters. – The Int. Conf. on Electrical Machines (ICEM), 2022, pp. 592–598, DOI: 10.1109/ICEM51905.2022.9910680.
16. Yang J. et al. A study of Fuzzy Control Algorithm Applying to Induction Motor Soft-Starter. – The Int. Conf. on Systems and Informatics (ICSAI2012), 2012, pp. 347–350, DOI:10.1109/ICSAI.2012.6223631.
17. Kosykh E.A., Udovichenko A.V. Development of Energy Efficient Regulators-Compensators for AC Systems. – The 22nd International Conference of Young Professional in Electron Devices and Materials (EDM), 2021, pp. 315–319, DOI: 10.1109/EDM52169. 2021.9507599.
18. Kosykh E.A. AC Voltage Stabilizer for Overload and Overvoltage in Low-Voltage Networks. – The 15th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), 2021, pp. 125–129, DOI: 10.1109/APEIE52976.2021.9647655.
19. Kosykh E.A., Udovichenko A.V. Soft-Starter for High-Voltage IM Based on a Multi-Zone AC Voltage Regulator with Improved EMC.– The 1st International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), 2020, pp. 108–112, DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153510.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10055, https://rscf.ru/project/23-29-10055/, за счет финансовой поддержки от Правительства Новосибирской области, соглашение № р-67
#
1. Kosyh E.A., Haritonov S.A., Udovichenko A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 12, pp. 43–53.
2. Bhuvaneswari G., Charles S., Nair M.G. Power Quality Stu-dies on a Soft-Start for an Induction Motor. – IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008, DOI:10.1109/TDC.2008.4517215.
3. Kralin A.A., Kryukov E.V., Asabin А.А. Trudy NGTU im.R.E. Alekseeva – in Russ. (Proceedings of the NSTU n.a. R.E. Alekseev), 2019, No. 2(125), pp. 112–118.
4. Sosnina E.N. et al. Medium-Voltage Distribution Network Parameter Optimization Using a Thyristor Voltage Regulator. – Energies, 2022, vol. 15, No. 15, 5756, DOI 10.3390/en15155756.
5. Sosnina E.N. et al. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2021, No. 12, pp. 2–15.
6. Guangqiang L. et al. Energy Conservation of a Novel Soft Starter Controlled by IGBT for Induction Motors with Minimum Current. – IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2004, vol. 2; pp. 1351–1356, DOI:10.1109/ISIE.2004.1572009.
7. Subhani N. et al. Analysis of Steady-State Characteristics for a Newly Designed High Voltage Gain Switched Inductor Z-Source Inverter. – Electronics, 2019, 8(9), DOI:10.3390/electronics8090940.
8. Bahovtsev I.A., Zinov'ev G.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2016, No. 4, pp. 26–33.
9. Nannen H., Zatocil H., Griepentrog G. Predictive Braking Algorithm for Soft Starter Driven Induction Motors. – The 24th European Conf. on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), 2022, 22211914.
10. Brescia E. et al. Optimal Tooth Tips Design for Cogging Torque Suppression of Permanent Magnet Machines with a Segmented Stator Core. – Int. Conf. on Electrical Machines (ICEM), 2020, pp. 1930–1936, DOI:10.1109/ICEM49940.2020.9270968.
11. Brescia E. et al. Automated Multistep Parameter Identification of SPMSMs in Large-Scale Applications Using Cloud Computing Resources. – Sensors, 2021, 21(14), DOI: 10.3390/s21144699.
12. Brescia E. et al. Automated Parameter Identification of SPMSMs Based on Two Steady States Using Cloud Computing Resources. – The Int. Conf. on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), 2021, DOI: 10.1109/ICECET52533.2021.9698606.
13. Menaem A.A. et al. A Proposed ANN-Based Acceleration Control Scheme for Soft Starting Induction Motor. – IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 4253–4265, DOI: 10.1109/ ACCESS.2020.3046848.
14. Pasqualotto D. et al. Fault Detection in Soft-started Induction Motors using Convolutional Neural Network Enhanced by Data Augmentation Techniques. – The 47th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2021, DOI: 10.1109/IECON48115.2021.9589439.
15.  Bernard P et al. A Novel Observer for Induction Motors, with an Application to Soft Starters. – The Int. Conf. on Electrical Machines (ICEM), 2022, pp. 592–598, DOI: 10.1109/ICEM51905.2022.9910680.
16. Yang J. et al. A study of Fuzzy Control Algorithm Applying to Induction Motor Soft-Starter. – The Int. Conf. on Systems and Informatics (ICSAI2012), 2012, pp. 347–350, DOI:10.1109/ICSAI.2012.6223631.
17. Kosykh E.A., Udovichenko A.V. Development of Energy Efficient Regulators-Compensators for AC Systems. – The 22nd International Conference of Young Professional in Electron De-vices and Materials (EDM), 2021, pp. 315–319, DOI: 10.1109/EDM52169.2021.9507599.
18. Kosykh E.A. AC Voltage Stabilizer for Overload and Overvoltage in Low-Voltage Networks. – The 15th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), 2021, pp. 125–129, DOI: 10.1109/APEIE52976.2021.9647655.
19. Kosykh E.A., Udovichenko A.V. Soft-Starter for High-Voltage IM Based on a Multi-Zone AC Voltage Regulator with Improved EMC. – The 1ST International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), 2020, pp. 108–112, DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153510
---
The study was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-29-10055, https://rscf.ru/project/23-29-10055/, with financial support from the Government of the Novosibirsk Region, agreement No. r-67
Опубликован
2023-11-30
Раздел
Статьи