Размещено на http://www.allbest.ru

Двухрежимное управление автономным инвертором напряжения частотного привода производственного механизма в зоне малой скорости

Филимонов М.Н., Карнаухов Н. Ф., Смяцкий Д.А.

(Донской государственный технический

университет - ДГТУ. Россия)

Аннотация

Применение частотно-управляемого электропривода (ЧУЭП) для производственных механизмов (ПМ) широкого назначения в настоящее время несколько сдерживается из-за неудовлетворительной работы трехфазного асинхронного двигателя (АД) в зоне «малой и ползучей» скорости. Такой режим работы ЧУЭП возможен в процессе «пуска-торможения» АД, когда наблюдается неравномерность движения выходного вала ПМ, обусловленная наличием пульсирующих моментов и «шаговым» режимом работы трехфазного короткозамкнутого АД [1, 2]. Указанные факторы часто не позволяют использовать частотный электропривод для формирования индивидуальных механических характеристик ПМ в зоне малой скорости, а к параметрам движения выходного звена предъявляются повышенные требования по равномерности, обеспечению точности останова (заданного позиционирования), например, рабочего органа РО промышленного робота (ПР) при программном выполнении технологического процесса [3, 4]. Формирование такого движения РО наблюдается в зоне «малой и ползучей» скорости из-за колебаний выходного вала АД, обусловленных протеканием «несинусоидальных» токов низкой частоты 0,5-20 Гц по обмоткам фаз статора и нестабильностью сил трения в направляющих ПМ [5, 6]. Появление переменных составляющих электромагнитного момента двигателя приводит к изменению частоты вращения ротора АД, ограничению диапазона регулирования частоты вращения двигателя, формированию пульсирующих моментов на валу. Причем частота вращения, при которой неравномерность движения ПМ становится значительной, зависит от энергетических характеристик и свойств трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН), а также от момента инерции привода. Для уменьшения колебаний выходного звена ПМ и снижения влияния рассмотренных негативных факторов на качество его движения необходимо решить достаточно сложную и случайную по условиям задачу, которая постоянно наблюдается при реализации динамических режимов «пуск-торможение» АД в зоне малой скорости [7].

Для снижения влияния фактора «несинусоидальности» тока статора АД на равномерность движения ПМ авторами предложено двухрежимное программное управление АИН в зависимости от выбора уровня целесообразного коэффициента К_г, условий формирования режимов «пуска-торможения» АД в системе «АИН-АД». Такое управление позволяет обеспечить: согласование индивидуальных механических характеристик АД и ПМ, формирование «пуско-тормозных» режимов работы АД без дополнительных электрических потерь при использовании «квазисинусоидального» напряжения для питания АД, сохранить заданные нормативы и требования к качеству выполнения технологического процесса при работе ПМ. синусоидальный напряжение автономный инвертор

Ключевые слова: звено подвижности ПМ, двухрежимное управление, пульсирующий момент, ступенчатое изменение несущей частоты (НЧ), «m -подмодуляция», момент «трогания» АД.

Постановка задачи исследования

Для решения задачи по обеспечению соответствия работы ЧУЭП требованиям технологического процесса необходимо разработать метод формирования синусоидального выходного напряжения АИН, найти алгоритм формирования последовательности состояний АИН, определяемых положением ключевых элементов (ключей) S1…S3 во всех трех фазах, и длительностей их включенного состояния (рисунок 1). Успешная разработка такого метода обеспечит искомое формирование «квазисинусоидального» выходного напряжения АИН в диапазоне изменения частоты 0,5…20 Гц с суммарным коэффициентом гармонических составляющих К_г ? 8% при минимальном количестве переключений ключей S1…S3 за период модуляции [8-10]. В настоящее время используют наиболее сложные методы формирования выходного напряжения Uв, базируемые на понятии результирующего (пространственного) вектора напряжения на выходе АИН. При этом число возможных состояний ключей (IGBT - транзисторов) равно числу комбинаций по три ключа в каждой, относящихся к разным фазам, т.е. восьми состояниям транзисторов АИН, характеризующих пространственно-векторную широтно-импульсную модуляцию (ПВШИМ) [11-13].

Рисунок 1. - Дискретная структура модели АИН

Решение задачи исследования

Для обеспечения суммарного коэффициента К_г (гармонических составляющих) выходного напряжения АИН в процессе работы ЧУЭП в зоне «малой и ползучей» скорости движения ПМ авторами предложено: ступенчатое изменение несущей частоты (НЧ) в зависимости от числа поддиапазонов линейной скорости выходного звена ПМ при реализации программируемого индивидуального закона его движения; а также m - кратная «подмодуляция» несущей частоты (НЧ) в процессе формирования выходного напряжения Uв для питания АД.

При этом в алгоритме ПВШИМ необходимо соблюдать, как длительность реализации комбинации состояний ключей фаз, так и последовательность переходов между состояниями АИН на периоде модуляции НЧ [9]. Программно задаваемое ступенчатое значение НЧ изменяется (из диапазона 1,5…30 кГц) и рассчитывается в обратно пропорциональной зависимости от скорости движения ПМ, технологических требований к ЧУЭП, а также необходимости обеспечения индивидуальных механических характеристик и режимов работы АД [14,15]. Такой подход к формированию напряжения АИН позволит для каждого из поддиапазонов скорости движения ПМ подобрать такое значение НЧ, которое обеспечит значение суммарного коэффициента гармонических составляющих К_г ? 8%.

В этом случае для выбранной частоты модуляции при формировании произвольного вектора U_D напряжения АИН предварительно определяются «временные» составляющие T₀, T₁, T₂ периода модуляции Т_С, в течение которых возможна реализация каждого из трех состояний АИН [11]. С учетом минимального числа коммутаций ключей АИН и принятой последовательности чередования базовых векторов формирование произвольного вектора напряжения АИН (например, вектора U_D в симплексе I на рисунке 2,а) можно представить в виде последовательности базовых комбинаций включения IGBT - транзисторов (силовых полупроводниковых приборов СПП) и длительности времени указанной комбинации T_i: 001 (T₁) > 101 (T₂) > 000 (T₀). При этом период модуляции определяется выражением:

T_C = Т₁+ Т₂ + Т₀, (1)

где длительности формирования (базовых и нулевого векторов T₁, T₂, T₀) для каждой комбинации соответственно составят:

, ,

T₀ = Т_С - (Т₁ + Т₂),

где ц- текущий угол формируемого вектора напряжения, = U/U_Н- коэффициент напряжения, равный отношению действующего значения изменяемого напряжения U на выходе АИН к номинальному значению U_Н.

Рисунок 2. - Дробление времени состояния комбинации ключей инвертора на шаги (в режиме «подмодуляции»)

Последовательность формирования вектора напряжения U_D для нечетных симплексов определяется выражением:

U₁ (T₁/2) >U₂ (T₂/2) >U₀ (T₀) >U₂ (T₂/2) >U₁ (T₁/2), (2)

а для четных:

U₂ (T₂/2) >U₁ (T₁/2) >U₀ (T₀) >U₁ (T₁/2) >U₂ (T₂/2), (3)

где U₁, U₂ - базовые и U₀ - нулевой векторы симплекса.

Для уменьшения коэффициента К_Г формируемого U_АИН при T_C = const и пересчета длительностей времени T₁, T₂, T₀ предложено использовать режим «подмодуляции» с кратностью m=1,2,3,4 составляющих (компонентов) векторов напряжения U_D. Если m=1, то последовательности базовых комбинаций включения СПП (по 1) и формирование напряжения U_D для нечетных симплексов (по 2) соответственно составят:

001 (T₁/2)> 101 (T₂/2)> 000 (T₀) > 101 (T₂/2)> 001 (T₁/2), (4)

U₁'/2+U₂'/2+U₀+U₂'/2+U₁'/2, (5)

где U₁', U₂'- компоненты базовых векторов U₁ и U₂, соответствующие формируемому вектору напряжения U_D (рисунок 2,а). Тогда, при «m-подмодуляции» время включения базовой комбинации составит:

T_iD = T_i / N_D, T_0D = T₀ / m, (6)

где N_D = 2m - применяемая кратность «подмодуляции».

На рисунке 2 приведены векторные диаграммы формирования произвольного вектора U_D выходного напряжения U_АИН соответственно: без «подмодуляции» (рисунок 2,а), m=1 (рисунок 2,б); m=2 (рисунок 2,в). Если в качестве критерия для оценки величины отклонения формируемого вектора (v) напряжения U_D на выходе АИН (из последовательности векторов U₁', U₂' и U₀) принять площадь треугольника, образованного векторами U_D, U₁', U₂' и U₀, то при m=2 площадь треугольников в 2 раза меньше в сравнении с m=1, а при m=2 - в четыре раза, что обеспечивает соответствующее уменьшение коэффициента К_Г при введении режима «m-подмодуляции». Для реализации описанного метода формирования U_АИН с К_г ? 8% разработаны также алгоритм функционирования и структурная схема аппаратно-программного комплекса (АПК), включенные в информационный канал и программно взаимодействующие в системе управления ЧУЭП ПМ. Следует также отметить, что минимальные значения длительностей времени реализации состояний АИН (Т_{01 МИН} = Т_{02 МИН} = T_{0 МИН} = Т_{1 МИН} = Т_{2 МИН} ? 2 - 4 мкс для упрощенного цикла переключений с учетом «мертвого времени» [11] для управления верхними и нижними ключами АИН) накладывают повышенные требования к быстродействию применяемых вычислительных средств и драйверов управления ключевыми элементами. Без учета указанных минимальных значений времён реализаций использование силовых полупроводниковых приборов (СПП), например, IGBT, MCT, GTO и их разновидностей затруднительно из-за ограничения технических возможностей микропроцессорных систем управления (МСУ) по исполнению фактического алгоритма управления ЧУЭП [14]. При таком подходе к формированию «квазисинусоидального» напряжения с К_г ? 8% во всем применяемом диапазоне частот (0,5…70 Гц) для ЧУЭП позволит уменьшить пульсации электромагнитного момента на валу АД, включая зону «малой и ползучей» скорости движения ПМ. При этом продолжительность «тяжелого» и «среднего» режимов работы ключевых элементов АИН (при частотах выходного напряжения 0,5 - 20 Гц) является кратковременной и составляет не более 5% от времени разгона или торможения АД [9].

Развернутое описание процесса формирования вектора напряжения U_D согласно методу ПВШИМ предполагает использование определенной последовательности перебора базовых векторов прямой и обратной последовательностей с указанием времени нахождения ключей в конкретной комбинации в процессе формирования реверса АД [9, 11]. Так, для сохранения указанного минимально возможного числа переключений между состояниями АИН при формировании нулевого вектора U₀ должна использоваться комбинация ключей 111, так как «перед и после» вектора U₀ формируется базовый вектор U2, которому соответствует комбинация 101.

Подробное описание переходов из одного частотного поддиапазона формируемых напряжений U_в в другой при ступенчатой смене НЧ с изменением количества векторов формируемого напряжения в пределах симплекса приведено в [9]. Введение частотной «m - подмодуляции» составляющих векторов позволяет уменьшить коэффициент гармоник выходного напряжения АИН. При этом произвольный вектор U_D (рисунок 2.3,а) в режиме без «подмодуляции» формируется составляющими компонентами U?₁ и U?₂ двух базовых векторов U₁ и U₂ соответственно и нулевого вектора U₀ по последовательности переключения ключей (СПП) согласно выражению:

U₀(000) > U₁(001) > U₂(101) (6)

с длительностями включения каждой из составляющих Т₀₁, Т₁, Т₂ соответственно и периодом модуляции:

T_C = Т₀₁ + Т₁+ Т₂. (7)

На рисунке 2.3,а двойной штриховкой отмечена область, сформированная векторами U?₁ и U?₂ соответственно последовательности переключений (5).

В этом случае изменение площади характеризует условное отклонение геометрической суммы векторов U₁, U₂ и U₀ от желаемого вектора U_D на выходе АИН. Аналогично можно проследить за формированием новой целесообразной последовательности включения состояний АИН, например, для N_D = 2 (рисунок 2.3,б) в виде:

U₁(001) > U₂(101) > U₀(111) > U₂ (101) > U₁(001), (8)

которой соответствует последовательности длительностей включения временных состояний:

T₁/2 > T₂/2 > T₀ > T₂/2 > T₁/2. (9)

Таким образом, результирующий вектор напряжения U_D на выходе АИН формируется по (8) в виде геометрической суммы векторов U?₁/2+U?₂/2+U?₂/2+U?₁/2 (рисунке 2.3,б). При этом площадь заштрихованной области, характеризующая условно отклонение геометрической суммы векторов U₁, U₂ и U₀ от желаемого вектора U_D на выходе АИН, в два раза меньше, чем площадь заштрихованной области на рисунке 2.3,а. Аналогично можно получить последовательность переключений для 2-кратной «подмодуляции»:

U₁(001) > U₂(101) > U₀(111) > U₂ (101) > U₁(001) >

> U₁(001) > U₂(101) > U₀(111) > U₂ (101) > U₁(001), (10)

или для длительностей включения состояний:

T₁/4 > T₂/4 > T₀/2 > T₂/4 > T₁/4 > T₁/4 > T₂/4 > T₀/2 > T₂/4 > T₁/4. (11)

Результирующий вектор напряжения U_D (рисунок 2.3,в) на выходе АИН также можно представить в виде геометрической суммы векторов:

U?₁/4+U?₂/4+U?₂/4+U?₁/4+U?₁/4+U?₂/4+U?₂/4+U?₁/4. (12)

В этом случае площадь заштрихованной фигуры на рисунке 2.3,в меньше в 2 раза в сравнении с аналогичной на рисунке 2.3,б при реализации последовательности переключений (10) и в 4 раза - в сопоставлении с фигурой на рисунке 2.3,а при реализации последовательности (12).

Поскольку вектор выходного напряжения U_D формируется как геометрическая сумма малых по амплитуде векторов напряжений при дроблении шага, то можно ожидать уменьшение амплитуд гармонических составляющих результирующего напряжения АИН с ростом кратности «подмодуляции» m и уменьшение К_г. Аналогично можно получить и другие последовательности переключения состояний АИН с увеличением кратности «подмодуляции» при формировании выходного напряжения Uв для питания АД, которое будет характеризоваться малой величиной «отклонений» от напряжения синусоидальной формы, т.е. не превышать значений К_г ? 8% .

Разработанный АИН ЧУЭП может работать в режиме управления и с повышенными значениями К_г > (8….67%), когда в зоне «малой и ползучей» скорости движения ПМ могут создаваться программно управляемые по амплитуде вибрации выходного звена (например, РО промышленного робота). Такой режим работы ЧУЭП авторами также исследован на стенде с целью использования «микровибрации» вала для снижения уровня напряжения «трогания" АД и влияния трения на качество движения выходного звена ПМ [16].

Результаты решения поставленной задачи и подтверждение теоретических положений были апробированы на экспериментальном стенде (рисунок 3), оснащенном датчиками и электронными устройствами специального назначения, позволяющими программно реализовать разработанный алгоритм и аппаратно-программный комплекс (АПК) по формированию «квазисинусоидального» напряжения АИН, осуществить формирование необходимых сигналов в цепях отрицательных обратных связей (ООС), а также реализовать задаваемые «пуско-тормозные» режимы работы ЧУЭП ПМ на базе АД мощностью до 90 Вт [17,18].

Рисунок 3. - Общий вид экспериментального стенда:

1-захватное устройство (ЗУ) ПР, 2- направляющая вертикального звена подвижности; 3-неподвижное основание; 4 - подвижное звено горизонтального перемещения; 5-электронное устройство для измерения параметров колебаний и трения; 6 - асинхронный двигатель; 7 - автономный инвертор напряжения (АИН); 8 - монитор регистрирующего устройства с персональным компьютером (ПК)

Исследуемые режимы работы достаточны важны для приводов РТС (РТК), поскольку реализация технологических процессов обычно осуществляется в повторно-кратковременных режимах S3 (с ПВ из диапазона 15….60% [18]), включая «пуск-торможение» АД звена подвижности ПМ в зоне малой скорости.

Выводы

Выполненные разработка и исследование алгоритма управления автономным инвертором напряжения для питания асинхронного двигателя частотного привода производственного механизма позволяют заключить:

1. Ступенчатое изменение несущей частоты АИН с m кратной подмодуляцией» обеспечивают формирование выходного напряжения с суммарным коэффициентом гармонических составляющих Кг ? 8% в диапазоне регулируемой частоты 0,5….70 Гц, что позволяет реализовать зону «малой и ползучей» скорости при качественном движении звена производственного механизма.

2. Возможность управления значением Кг создает возможность реализации энергоэффективных «пуско-тормозных» режимов работы АД в полном диапазоне расчетных скоростей движения ПМ.

Литература

1. Браславский И.Я, Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод / Под ред. И.Я. Браславского - Москва, ACADEMA, 2004. - 256 с.

2. Филимонов М.Н., Карнаухов Н.Ф. Улучшение динамики торможения асинхронного двигателя станочной системы с частотным управлением // Современные проблемы машиностроения и высоких технологий: мат. Междунар. Нау. ч.-техн. конф. / Дон. гос. техн. ун-та. - Ростов н/Д, 2005. - Т.1. - С. 236 - 242.

3. Сбалансированные манипуляторы / И.Л. Владов, В.Н. Данилевский, П.Б. Ионов и др.; Под ред. П.Н. Белянина. - М.: Машиностроение, 1988.- 264 c.

4. Лукинов, А.П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств: Учеб. пособие. - СПб.: Издательство «Лань», 2012. - 608 с.

5. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1998. - 172 с.

6. Перельмутер В.М. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока./ Перельмутер В.М. - Х.: Основа, 2004 - 210 с. - Мова рос.

7. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Пудова Ю. В. Моделирование колебаний звена технологической машины в режиме динамического торможения асинхронного двигателя при частотном управлении // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 10, № 4 (47). - С.569-574.

8. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н.,. Погорелов И.В. Особенности управления ключами инвертора частотно-регулируемого привода в зоне низких скоростей // Проектирование технологических машин: сб. науч. тр./ МГТУ «Станкин». - М., 2001. - Вып. 21. - С. 70 - 75.

9. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Изюмов А. И. Особенности формирования циклических режимов частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма. // Вестник ДГТУ. -2012. - № 6 (67) - С. 76- 86.

10. ГОСТ-Р54149-2010, ГОСТ32144-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»;

11. Изосимов Д.Б., Козаченко В.Ф. Алгоритмы и системы цифрового управления электроприводами переменного тока // Электротехника, 1999, № 4. - С. 41 - 51.

12. Колпахчьян П.Г. Адаптивное управление асинхронным тяговым приводом магистральных электровозов. Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. Вузов. Сев.- Кавк. Регион», 2006. - 131 с.

13. X. Zheng, L. Song, and P. Hongying, «Study of Five-level diodes-clamped Inverter Modulation Technology Based on Three-harmonic Injection Method», EMEIT-2012., pp.1973 - 1976.

14. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Ушаков С.А. Установка для демонстрации рекламно-информационного материала и устройство управления перемещением носителя информации. Патент на полезную модель № 36914 РФ. Опубл.27.03.2004 г. Бюл. № 9.

15. Карнаухов Н.Ф., Прус В.А., Филимонов М.Н. Энергетические показатели электропривода при частотном способе управления асинхронным двигателем. - «Динамика технологических систем». Труды VIII Международной научно-технической конференции (ДГТУ, Ростов-на-Дону. 2007. Том III. - 219 с.

16. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М. Н., Статовой Д. А., Бонилья Ф. В. Моделирование режима торможения асинхронного двигателя частотного электропривода с использованием гармоник тока статора.- Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2016. - Т. 16, № 1 (84). - С. 87-98

17. Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Мироненко Р.С. Управляемая вибрация звеньев подвижности производственного механизма // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2017. - № 3(90). - Т. 17. - С.78 - 88.

18. Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.П., Юран С.И. Электропривод и электрооборудование. - М.: КолосС, 2006. - 328 с.

Сведения об авторах

Карнаухов Николай Федорович (р.1938). Профессор кафедры «Робототехника и мехатроника» ДГТУ. Кандидат технических наук (1983), доцент (1991). Окончил Уральский электромеханический институт (1963).

Область научных интересов: электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов, полупроводниковые преобразователи частоты промышленных установок и устройств целевого назначения.

Автор 118 публикаций, 5-и учебных пособий общим объемом более 48 п.л.

Имеет 7 авторских свидетельств (СССР) и 3 патента на изобретения (РФ).

Тел. 2782968.

Филимонов Максим Николаевич (р.1976). Заместитель декана факультета «Автоматизация, мехатроника и управление», старший преподаватель кафедры «Робототехника и мехатроника» ДГТУ. Окончил Донской государственный технический университет (1999).

Область научных интересов: частотно-регулируемый электропривод мехатронных систем и технологического оборудования.

Автор 26 публикаций.

Имеет 2 патента на изобретения (РФ).

Смяцкий Дмитрий Андреевич (р.1994) Аспирант кафедры «Робототехника и мехатроника» ДГТУ , инженер кафедры «Робототехника и мехатроника» ДГТУ . Окончил Донской государственный технический университет - бакалавриат (2015), магистратура (2017).

Область научных интересов: частотно-регулируемый электропривод мехатронных систем и технологического оборудования.

Автор 4 публикаций.

Email: aid219@mail.ru

Размещено на Allbest.ru