МІКРОПРОЦЕСОРНЕ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ ЗМІННОГО СТРУМУ Тема лекції

МІКРОПРОЦЕСОРНЕ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ ЗМІННОГО СТРУМУ

Тема лекції: МІКРОПРОЦЕСОРНЕ КЕРУВАННЯ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ ЧАСТОТИ З АІН

Перетворювачі частоти з автономними інверторами напруги. Регулювання вихідної частоти АІН відбувається зміною тривалості циклу роботи ключів інвертора напруги. Сам інвертор виконується за трифазною мостовою схемою. Використання одноопераційного тиристора як ключа потребує застосування додаткових кіл для примусового запирання тиристора. Такий інвертор найчастіше працює за законом пофазної комутації (закон ), формуючи на виході знакозмінну ступінчасту напругу, амплітуда якої визначається вхідною напругою інвертора. Тому для регулювання амплітуди вихідної напруги потрібно змінювати вхідну напругу. У першій структурній схемі ПЧ (рис. а) цю функцію виконує вхідний тиристорний перетворювач ТП. Друга схема (рис. б) для випрямлення струму використовує діодний випрямляч В, тому для регулювання вхідної напруги інвертора між ним та випрямлячем розміщений широтно імпульсний перетворювач ШІП.

• • • Технологічна революція в силовій електроніці у 80 х роках XX ст. привела до появи швидкодіючих, повністю керованих напівпровід никових ключів — тиристорів GTO, тиристорів IGCT та силових транзисторів IGBT. Це дало змогу створити принципо во новий тип автономного інвертора, де використовується принцип широтно імпульсної модуляції (ШІМ) вхідної постійної напруги. Залишаючи той самий закон керування (закон ), ключі примушують переривати коло багато разів протягом періоду, що відповідає заданій вихідній частоті. Частота комутації досягає значень 12. . . 16 к. Гц. Використання в автономному інверторі принципу широтно імпульсної модуляції дозволяє формувати вихідну напругу, основна гармоніка якої має задану амплітуду і частоту (рис. ). За допомогою сучасних систем автоматичного керування (САК) електроприводів змінного струму з використанням перетворювачів частоти з АІН із ШІМ можна одержати діапазон регулювання швидкості, який має значення до 1 000 та більше.

Якщо ПЧ має керований або некерований випрямлячі, що не можуть пропускати струм у зворотному напрямі через вентильні властивості тиристорів і діодів, то для передавання енергії в мережу потрібно підімкнути до випрямляча за антипаралельною схемою керований ТП. Більшість виробників ПЧ з АІН і використанням ШІМ прагнуть уникнути такого ускладнення вхідного кола, залишаючи на вході лише діодний випрямляч. Вони пропонують два рішення для ре алізації рекуперативного режиму роботи електричної машини. У першому випадку рекуперована активна потужність акумулюється в буферному конденсаторі. Такий спосіб можливий для короткочасного режиму гальмування електричної машини, оскільки він спричинює зростання напруги на конденсаторі, яка може досяг ти небезпечних значень як для конденсатора, так і для напівпровідникових приладів. У другому випадку, коли потрібно рекуперувати велику кількість енергії, до вхідного кола інвертора через напівпровідниковий ключ підмикається опір, на якому ця енергія і розсіюється. Ключ К, працюючи в режимі ШІМ, регулює струм в опорі R, тобто, фактично, гальмівний момент машини. Нарешті, не можна не згадати так звану симетричну схему силового кола ПЧ, котра забезпечує перетікання потужностей в обох напрямах: від мережі до двигуна, і навпаки

Импульсное (частотное) управление. Для управления асинхронными двигателями используется частотное управление, при котором изменяется частота питания. Схема устройства, реализующего этот тип управления для трехфазного двигателя, показана на рис. Силовая часть системы управления состоит из выпрямителя (как правило, управляемого), и автономного инвертора на транзисторных ключах K 1 K 6. Автономный инвертор преобразует напряжение UПИТ в трехфазное напряжение переменного тока изменяемой частоты f=var. Для правильной работы двигателя необходимо, чтобы одновременно с частотой изменялась и амплитуда напряжения, так, чтобы отношение амплитуды и частоты оставалось постоянным. Это может быть достигнуто введением в систему либо управляемого выпрямителя, у которого изменяется выходное напряжение Uп=var, либо введением ШИМ с частотой, более высокой, чем частота питания двигателя (f. ШИМ>>f), что позволяет, изменяя скважность ШИМ, изменять амплитуду выходного напряжения инвертора.

На рис. показана одна из возможных реализаций второго варианта. Для создания переменного трехфазного напряжения весь период питания Т делится на шесть тактов (фаз) путем коммутации ключей К 1 К 6 таким образом, что в каждый такт включены три ключа: один "верхний" (К 1 К 3) и два "нижних" (К 4 К 6), либо один "нижний" и два "верхних". Для изменения амплитуды напряжения в каждый такт на последовательный ключ "верхний" или "нижний" (тот, который работает один), подается ШИМ задаваемой скважности.

• Как показано на рис. , скважность ШИМ задается таймером Т 0, а частота выходного напряжения инвертора таймером Т 1, который через промежуток времени, равный 1/6 Т, запускает программу драйвера АД посредством воздействия на контроллер прерываний. Драйвер выдает управляющие сигналы через порт на логическую схему, которая смешивает импульсы основного переключения с ШИМ и синтезирует управляющие импульсы ключей U 1 -U 6 согласно временной диаграмме, приведенной на рис. 6.

Принцип пространственно-векторной модуляции. На рисунке показана типичная структура трехфазного асинхронного электродвигателя, подключенного к инвертору напряжения. • Поскольку электродвигатель рассматривается как равномерная нагрузка с изолированной нейтралью, то Un=(Ua+Ub+Uc)/3, Uan=Ua Un=(Uab Uca)/3, Ubn=Ub Un=(Ubc Uab)/3, а Ucn=Uc Un=(Uca Ubc)/3. Верхние силовые ключи могут находиться только во включенном или отключенном состоянии и, при этом, соответствующие нижние ключи могут находиться только в противоположном состоянии (паузами неперекрытия в данном случае пренебрегаем), то всего возможно восемь состояний силовой схемы управления, как показано на рисунке

Шесть из них приводят к формированию ненулевых фазных напряжений сдвинутых между собой на 600, а два смениваемых состояния приводят к формированию нулевых фазных напряжений. Благодаря чему можно воспроизвести любой требуемый вектор выходного напряжения путем переключения на периоде ШИМ между двумя базовыми векторами текущего сектора Ux и Ux+60 и нулевыми векторами О(0, 0, 0) и О(1, 1, 1). Амплитуда и фаза результирующего вектора напряжения зависят исключительно от скважности включения базовых векторов. Как показано на рис. в предельном случае, когда нулевые вектора не используются, годограф вектора результирующего напряжения представляет собой шестиугольник, описанный вокруг базовых векторов. В комплексной форме данные ненулевые фазные напряжения могут быть записаны в виде Uk=Eej(k 1) /3, где k = 1. . 6 и U 0= U 7=0 В

Таблица Схемы включения и векторные диаграммы для инвентора в режиме ШИМ-модуляции базовых векторов Базовый вектор Фазные напряжения Uф/E Код Линейные напряжения U Схема включения и векторная диаграмма U Ui Название Sc+ O(0, 0, 0) S 0 U 0(0, 0, 1) S 4 U 60 (011) S 6 U 120 (010) S 2 Sb+ Sa+ Uc Ub Ua Uab Ubc Uca 0 0 0 U 0 1 0 0 1/3 2/3 E 0 E E 0 U 1 0 1 1 2/3 1/3 0 E E E/2 U 2 0 1 0 1/3 2/3 1/3 E E 0 E/2 U 3

Базовый вектор Фазные напряжения Uф/E Код Линейные напряжения U Схема включения и векторная диаграмма Название U Ui 0 U 4 Sc+ Sb+ Sa+ Uc Ub Ua Uab Ubc Uca 1 1 0 1/3 2/3 E 0 E E 1 0 0 2/3 1/3 0 E E E/2 U 5 S 5 1 0 1 1/3 2/3 1/3 E/2 U 6 O(111) 1 1 1 0 0 0 U 180 (110) S 3 U 240 (100) S 1 U 300 (101) E E 0 0 0 U 7

Любое статорное напряжение Us=Ua +j·Ub = Usm cos( )+j·Usm sin( ) попадает вовнутрь одного из секторов шестиугольника и может быть выражено как линейное сочетание двух ненулевых фазных напряжений, которые определяют границы данного сектора: Us=dk·Uk+dk+1·Uk+1. Приравнивая dk·Uk+dk+1·Uk+1 к Usm cos( )+j·Usm sin( ) получаем выражения коэффициентов заполнения импульсов для каждого сектора, которые представлены в таблице

Поскольку инвертор не может мгновенно генерировать напряжение Us, то принцип векторного ШИМ управления заключается в генерации напряжения с периодичностью Ts, среднее значение которого равно Us, что достигается путем генерации напряжения Uk в течение Tk= dk·Ts и Uk+1 в течение Tk+1=dk+1·Ts. Поскольку dk+1<=1 данные напряжения должны завершиться в течение периода коммутации Ts напряжением U 0 и/или U 7. Возможно несколько вариантов решений, у которых минимизация общих гармонических искажений статорного тока выполняется за счет приложения напряжений U 0 и U 7 одинаковой длительности T 0= T 7= (1 dk+1)Ts/2. Напряжение U 0 эквивалентно приложенному напряжению в начале и в конце периода коммутации, а U 7 прикладывается по середине периода коммутации. В верхней части рисунка приведены осциллограммы для сектора 1.

В таблице показано, что выражения для коэффициентов заполнения импульсов имеют различный вид в каждом секторе. При внимательном изучении данных выражений можно прийти к выводу, что, т. к. sin(x)= sin( x), то все коэффициенты заполнения импульсов могут быть записаны унифицированным способом: где "= /3 ' , а '= (k 1) /3. Поскольку данные выражения не зависят от номера сектора, то их можно обозначить da и db. Поскольку область значений ' всегда находится в пределах 0… /3, то при вычислении da и db необходима таблица синусов только для указанного интервала. Это существенно снижает объем памяти, требуемый для хранения таблицы синусов. Счетчики выполняют счет от нуля до значения, соответствующего половине периода коммутации (как показано в нижней части рисунка), а затем считает обратно до 0. Значения, которые необходимо сохранить в трех регистрах сравнения, показаны в таблице

Для определения сектора, к которому относится заданное напряжение статора Us, в литературе предлагаются различные алгоритмы. Они, как правило, требуют множества арифметических операций и основаны на координатах напряжения Us на плоскости Concordia или фазовом пространстве a b c. Когда данные значения определяются по принципу управления U/f модули напряжений статора Usm вычисляются по правилу постоянства U/f, а фаза этих напряжений определяется s с помощью дискретно временного интегратора. Для эффективной реализации данного алгоритма определения сектора необходимо манипулировать ' и k, вместо , в специальном интеграторе, как показано на рисунке. Номер сектора k является выходом счетчика по модулю 6, который активизируется при каждом достижении ' значения /3. При этом также выполняется ограничение области значений ' в диапазоне между 0 и /3 (см. рисунок).

Результирующая блок схема, представленная на рисунке, может использоваться для построения контура управления (рисунок), в котором разность между желаемой и измеренной скоростью поступает на вход ПИ регулятора, в котором определяется частота статорного напряжения. Для снижения сложности контроллера в качестве исходных данных для вычисления правила U/f и алгоритма векторного ШИМ управления используются абсолютные значения частоты статорного напряжения. Если на выходе ПИ регулятора присутствует отрицательное значение, то содержимое двух переменных управления силовыми транзисторами инвертора обмениваются местами

U/f управление с датчиком скорости. Управление с внешней обратной связью по скорости для одного асинхронного двигателя, применяется в случаях когда компенсация скольжения не обеспечивает необходимой точности поддержания скорости. Данные с аналогового датчика скорости могут быть заведены через аналоговый вход, а сигналы с цифрового датчика с двумя дорожками заводятся на входы импульсного декодера.

U/f управление для обычных задач Разомкнутая система с компенсацией скольжения для одного или нескольких двигателей в системах без повышенных требований к динамике, таких как насосы, вентиляторы, простые конвейерные привода.

векторное управление без датчика скорости Обычно используется для однодвигательных приводов с асинхронными двигателями, при требуемом диапазоне регулирования 1: 10, т. е. для многих промышленных применений, таких как прессы и вентиляторы с большой потребляемой мощностью, а также транспортных, подъемных механизмов и центрифуг.

векторное управление с датчиком скорости. Применяется для однодвигательных асинхронных приводов с повышенными требованиями к динамике даже на низких скоростях, плюс высокая точность управления, т. е. для подъемных механизмов, приводов кранов с точным позиционированием, и т. п. Для этого типа управления необходим импульсный датчик скорости, например инкрементальный датчик с 1024 мя импульсами на оборот. Тахогенератор постоянного тока в этом случае не подходит по требованиям точности.

• Датчик скорости необходим если необходима наивысшая точность регулирования скорости, необходимо удовлетворить повышенным требованиям к динамике, требуется управление моментом в диапазоне >1: 10 требуется точное управление моментом при скорости меньше 10% он номинальной скорости двигателя.