Классификация способов управления силовым преобразователем для управления 3-х фазным АД с короткозамкнутым ротором

Применение цифровых электроприводов (ЦЭП) во многих отраслях техники обусловлено рядом причин, в частности требованиями высокой статической точности и оптимизации режимов работы электрооборудования. Но главной причиной широкого применения ЦЭП следует считать совершающийся в настоящее время массовый переход от частичной автоматизации отдельных объектов к комплексной автоматизации производства в целом и к автоматизированным системам управления.

Очевидно, что увеличивающийся объем и непрерывно повышающаяся сложность задач комплексной автоматизации требуют для их решения современных технических средств, к которым прежде всего следует отнести цифровые управляющие вычислительные машины и ЦЭП. Из представленной на рис. 1 обобщенной схемы комплексной автоматизации сложного объекта ясна особая роль ЦЭП, технико-экономические и эксплуатационные показатели которых самым непосредственным образом влияют на качественные показатели комплекса в целом.

При комплексной автоматизации производства с применением управляющих ЦВМ цифровые электроприводы, являясь неотъемлемой частью комплекса в целом, предназначены выполнять функции систем сопряжения ЦВМ с объектом управления и с другими устройствами комплекса либо силовых исполнительных устройств (выводных устройств), непосредственно воздействующих на объект управления.

Системы сопряжения, представляющие собой цифровые следящие электроприводы либо цифровые электроприводы регулируемой скорости двигателя, служат для ввода в ЦВМ информации о состоянии объекта, для связи с системами контроля и устройствами представления информации оператору, а также могут использоваться в качестве промежуточных средств связи ЦВМ с исполнительными органами объекта управления. Цифровые следящие электроприводы систем сопряжения могут использоваться как преобразователи цифра - вал. Цифровые электроприводы регулируемой скорости двигателя в системах сопряжения могут использоваться как электромеханические интеграторы. Отличительными особенностями ЦЭП, применяемых в качестве систем сопряжения, являются высокое быстродействие и точность работы, большая надежность, малое потребление энергии. В качестве исполнительных двигателей в системах сопряжения предпочтительны управляемые асинхронные двухфазные двигатели переменного тока либо двигатели постоянного тока малой мощности (доли ватта, единицы и десятки ватт), а в 'качестве усилительно-преобразовательных устройств - транзисторные устройства.

Рисунок 1. Обобщенная схема комплексной автоматизации

ЦЭП, используемые автономно либо в качестве силовых исполнительных элементов систем комплексной автоматизации, можно применять в любых промышленных электроприводах. постоянного или переменного тока.

2. Классификация цифровых электроприводов для управления АД

электропривод полупроводниковый преобразователь

Классификацию ЦЭП можно выполнить с различных точек зрения, что обусловлено их сложной структурой, назначением, местом включения вычислительного устройства, областью применения, различной физической сущностью и т. д.

По виду представляемой и обрабатываемой информации дискретные электроприводы подразделяются на цифровые и импульсные, а по принципу управления - на разомкнутые, замкнутые и комбинированные. Разомкнутые электроприводы находят ограниченное применение вследствие их существенного недостатка - отсутствия на входе привода информации об исполнении заданных команд (применение в разомкнутых электроприводах шаговых двигателей, непосредственно преобразующих дискретную информацию в угол поворота или линейное перемещение, в некоторой мере может компенсировать этот недостаток). Наиболее широкое применение находят замкнутые электроприводы с главной обратной связью по скорости (электроприводы регулируемой скорости) и по положению (следящие электроприводы). К комбинированным электроприводам следует отнести электроприводы, использующие принципы инвариантности, самонастройки и адаптации.

С точки зрения математического описания ЦЭП можно подразделить на линейные приводы (с сосредоточенными и распределенными параметрами, стационарные и нестационарные) и нелинейные.

По способу связи с цифровой вычислительной машиной ЦЭП могут быть подразделены на два больших класса: автономные и неавтономные (рисунок 2). В свою очередь, по принципу управления исполнительным электродвигателем автономные и неавтономные ЦЭП подразделяются на два типа: с пропорциональным и релейным управлением. По способу суммирования входных величин автономные ЦЭП можно подразделить на приводы последовательного и параллельного действия.

Рисунок 2 - Функциональные схемы автономного (а) и неавтономного (б) цифрового электропривода.

По виду импульсной модуляции дискретные приводы подразделяются на амплитудно-импульсные (АИМ), широтно-импульсные (ШИМ), время-импульсные (ВИМ), частотно-импульсные, фазо-импульсные и комбинированные. Амплитудно-импульсная модуляция представляет собой линейное преобразование непрерывных величин, приводы же с широтно- и время-импульсной модуляцией, а также ЦЭП по своей природе нелинейны.

Представляет интерес классификация автономных ЦЭП по способам и средствам коррекции. Так, в частности, средства коррекции ЦЭП могут быть дискретными и непрерывными, линейными и нелинейными (причем последние могут быть со статическими и динамическими нелинейностями), а также комбинированными. В ЦЭП находят применение структуры с параллельной и последовательной коррекцией.

Создание в последние годы практически безынерционных транзисторных и тиристорных преобразователей с малой мощностью управления и унифицированных операционных усилителей постоянного тока (регуляторов), применяемых в качестве активных корректирующих звеньев, обусловило разработку и широкое внедрение в практику автоматизированных электроприводов постоянного тока систем с последовательной коррекцией и подчиненными контурами регулирования.

Существенные достоинства приводов с подчиненными контурами регулирования в отношении проектирования, наладки и эксплуатации обусловили широкое использование этого принципа при создании практических систем электроприводов. Управление подобными электроприводами от ЦВМ и применение в них цифровых средств коррекции (в частности, цифровых регуляторов) предопределяет дальнейшее расширение их возможностей.

3. Классификация преобразователей частоты

Преобразователи частоты предназначены для регулирования скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. По способу преобразования частоты, преобразователи подразделяются на непосредственные преобразователи частоты, состоящие из инвертора, преобразующего непосредственно синусоидальное напряжение промышленной частоты в переменное напряжение требуемой более низкой частоты, и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧПТ). В последних, синусоидальное напряжение промышленной частоты, с помощью управляемого или неуправляемого выпрямителя, сначала преобразуется в постоянное напряжение, затем инвертируется в переменное требуемой частоты (как, выше так и ниже от частоты сети) и амплитуды.

Благодаря простоте силовых цепей и цепей управления наибольшее распространение нашли преобразователи со звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем. Блок схема силовой части преобразователи со звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем, работающего на двигательную нагрузку показана на рис. 3.

Рисунок 3. Блок схема силовой части частотного преобразователя

Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя, собранного по трехфазной мостовой схеме, сглаживающего конденсатора, и инвертора.

Формирование величины выходного напряжения и его частоты производится инвертором, блок- схема которого показана на рис. 4.

Рисунок 4 - Блок-схема инвертора

Благодаря сравнительной простоте системы управления, переменное напряжение требуемой величины и частоты, близкое по форме к синусоидальной формируется применением метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). На рис 3. показано формирование выходного напряжения одной фазы инвертора Uf, при частоте управляющего сигнала Uу 50 Гц и частоте пилообразного опорного сигнала Uо 2000 Гц. Достижение гладкой синусоидальной формы применением метода ШИМ не возможно. Не синусоидальность в форме выходного напряжения является причиной не синусоидальности формы кривых токов и как следствие пульсаций момента на валу. При низкой выходной частоте (малых скоростях вращения ротора), и малой инерционности нагрузки, эти пульсации могут привести к прерывистому характеру вращения ротора и повышенному шуму. Особенно резко эти пульсации проявляются при низких значения несущей частоты менее 3 кГц. С увеличением значения несущей частоты до 16 кГц, формы кривых напряжений и токов сильнее приближаются к синусоидальной, величины пульсаций момента уменьшаются, улучшаются шумовые характеристики.

Рисунок 5 - Напряжение одной фазы инвертора

Возможность установки различных значений несущей частоты является одним из критериев выбора преобразователя. Однако при высоких значениях несущей частоты проявляется ряд отрицательных эффектов. В первую очередь это связано с тем, что транзисторы обычно типа IGBT (биполярные с изолированным затвором), обладают односторонней проводимостью, что приводит к необходимости шунтирования их диодами Д, для обеспечения нормального протекания токов фаз. В определенные моменты времени ток фазы может протекать через диод Д при открытом транзисторе Т, что приводит к кратковременному образованию короткозамкнутых контуров и как следствие возникновение:

перенапряжений в обмотках двигателя, ухудшающих условия работы изоляции;

электромагнитного излучения высокой частоты, что может резко сказаться на работе радиотехнических устройств, установленных вблизи от преобразователя;

дополнительных источников тепла, что приводит к необходимости установки дополнительных теплоотводящих элементов.

Формы входных напряжений и токов также отличаются от синусоидальной. Искажения формы входного напряжения определяются мощностью цепи, и резко проявляются при работе преобразователя на маломощную сеть. Искажения формы кривой тока, являются следствием принципа работы выпрямителя, и связаны с периодической перезарядкой конденсатора.

Ослабление отрицательного влияния данных факторов достигается применением входных фильтров и выходных дросселей. Наличие фильтров, дросселей, встроенных в преобразователь, или поставляемых совместно с преобразователем, второй критерий выбора преобразователя.

Наличие высших гармонических в кривых токов и напряжений предопределяет использование развитых средств измерений, мониторинга и защиты преобразователя. Наиболее точные измерения в преобразователях предполагают многократное измерение мгновенных значений токов и напряжений и следовательно точную регистрацию бросков токов и напряжений, что обеспечивает наиболее полную защиту преобразователя от перенапряжений и сверхтоков.

Развитые средства измерений и контроль, как измеряемых, так и рассчитанных на их основе величин обеспечивают своевременное вмешательство в работу преобразователя и исключение выхода из строя как преобразователя, так и привода в целом, что также является критерием выбора преобразователя.

Вывод