Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. Учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла СанктПетербург 2006
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
u (3) u (4) u (5) u (6) u (1) u 0 (0) u (7) u (0) u (7) u (0) u (7) u +1 –1 (6) u (1) u (2) u (3) u (4) u (5) u +1 (3) u (4) u (5) u (6) u (1) u (2) u 0 (7) u (0) u (7) u (0) u (7) u (0) u –1 –1 Функциональная схема одной из реализаций системы DTC приведена на рис. 2.31. Она имеет два канала управления скоростью вращения * ω и модулем пото- косцепления статора На входе канала управления скоростью установлен задатчик интенсивности (ЗИ) ограничивающий ускорение при разгоне и снижении скорости. Ограничение ускорений необходимо для уменьшения нагрузок на автономный инвертор напряжения (АИН). При разгоне ЗИ ограничивает ток АИН, а при замедлении – рассеяние или возврат энергии в источник. Как ив системе трансвекторного управления для исключения значительного перерегулирования на выходе ЗИ целесообразно установить апериодический фильтр первого порядка (Ф. На выходе ПИ регулятора скорости (РС) формируется сигнал задания момента , ограниченный нелинейным звеном насыщения. Идентификации потокосцеплений статора и ротора производится адаптивным наблюдателем (НП), в котором используется информация о текущих значениях токов и напряжении статора. Фазные токи преобразуются (3-2 на рис. 2.31) в ортогональные проекции 1 1 , a b i i { } ( ) 1 1 1 ; i i αβ α β =i . Вектор напряжения статора ( ) 1 αβ u Прямое управление моментом Рис. 2.31. Функциональная схема системы прямого управления моментом АД определяется идентификатором напряжения (ИН) по номеру состояния ключей АИН (номеру базового вектора 0-7) и напряжению на входе инвертора Полученные векторы v N d U ( ) 1 αβ u и ( ) 1 αβ i служат основой для вычислений координат векторов , а также текущих значений момента и частоты вращения 1 , ψ ψ 2 m ω в соответствии с выражениями ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 ( ) 2 2 ; / 3 2 ; 2 3 | m p p r dt L L L r m m z i i z αβ αβ αβ αβ αβ αβ α β β α αβ = − = − σ = ψ − ψ ω = ω − ∫ u i i ψ ψ ψ ψ ; | 1 − (2,24) В уравнениях момента и скорости используются средние за интервал дискретности вычислений ( ∆ = ) значения, асинхронная частота вращения определяется методом конечных разностей как 2 t t t 2 2 2 2 1 1 ( ) ( ) d t dt t t φ φ − φ ω Сигналы задания момента и модуля потокосцепления статора * m * 1 | | ψ сравниваются с текущими оценками и m 1 | | ψ . После чего, с помощью релейных регуляторов РМ и РП с гистерезисной характеристикой формируются логические сигналы ошибок этих величин. Величина гистерезиса характеристик регуляторов определяет допустимое отклонение от заданного значения, а также частоту коммутации ключей АИН. Поэтому если требуется управление частотой коммутации при изменении частоты вращения магнитного поля или ее ограничение, то используют регуляторы момента и потока с управляемым гистерезисом. Сигналы ошибок и текущего угла потокосцепления статора 1 ψ φ поступают на вход селектора вектора напряжения (СВН), который осуществляет управление ключами АИН в соответствии, например, с приведенной выше таблицей. Из выражений (2.24) следует, что основной задачей, отрешения которой зависит работоспособность системы, является идентификация потокосцепления статора , т.к. эта величина используется во всех последующих вычислениях. Она определяется интегрированием, а эта операция в принципе приводит к нако- 1 ψ Прямое управление моментом плению ошибки. В данном случае источником появления ошибки является неточность определения активного сопротивления статора и его изменение под влиянием нагрева в процессе работы АД. Ошибка определения более чем 10% приводит к потере работоспособности системы . Поэтому в таких устройствах используют режим предварительной идентификации параметров двигателя и алгоритмы адаптации в процессе работы. Сопротивление ротора также изменяется, но чувствительность системы к ошибке его идентификации невелика и сказывается только на точности оценки частоты вращения в приводе без датчика скорости. Предварительная идентификация параметров АД производится припуске. Для этого используется режим возбуждения магнитного потока, при котором напряжение на двух фазах статора модулируется переключением векторов так, чтобы среднее значение тока ( ) (0) , k u u ср I не превышало допустимое. Тогда по средними значениям можно определить с погрешностью не более 1% как 1 r 1 ср ср / r Для определения полной индуктивности статора 1 L также используют режим предварительного возбуждения постоянным током. При этом АД сначала намагничивается током близким к номинальному значению, а затем система переводится в режим поддержания заданного потокосцепления . Так как до этого сопротивление уже было определено и ошибка интегрирования за время теста не успевает накопиться, то * 1 | | ψ 1 r * 1 1 ср | | / L I = Принимая предварительно 2 1 L L ≈ , можно определить полную взаимную индуктивность из зависимости m L 2 1 2 1 /( m ) L L L σ = Идентификация выполняется также в режиме намагничивания на основе линейной аппроксимации кривой намагничивания ротора 2 r 2 20 2 ср /( ) m r t I = −ψ , где – значение потокосцепления ротора в момент перехода в режим поддержания потокосцепления; – время намагничивания с ограничением тока 20 ψ m t 2ср I – среднее значение составляющей тока ротора за время . Погрешность идентификации индуктивностей и сопротивления ротора обычно не превышает 5%. Системы позволяют обеспечить отработку ступенчатого задания на номинальный момент за 1-2 мс астатическое регулирование момента на низких частотах вращения, включая нулевую скорость ошибку поддержания скорости вращения до 10% без использования датчика скорости и до 0,01% сдатчиком Основные типы преобразователей 71 2.3 Преобразователи частоты для асинхронного электропривода 2.3.1 Основные типы преобразователей Большая часть приводов переменного тока питается от промышленной трехфазной сети, поэтому силовая часть систем частотного управления обычно называется преобразователем частоты, т.к. она формирует в обмотках статора АД напряжения и токи с частотой отличной от частоты источника питания. Преобразователи частоты (ПЧ) по числу ступеней преобразования энергии делятся на ПЧ с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 2.32). Рис. 2.32. Основные типы преобразователей В настоящее время более распространены ПЧ со звеном постоянного тока. На входе энергетического канала этих ПЧ установлен управляемый (риса и били неуправляемый (рис 2.33 в) выпрямитель. После преобразования выпрямителем энергии переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты в энергию постоянного тока, она поступает на вход инвертора (И) и снова преобразуется в энергию трехфазного переменного тока, но уже с регулируемыми параметрами. Таким образом, в ПЧ этого типа происходит двойное преобразование энергии, что несколько снижает его КПД, однако другие существенные преимущества этих преобразователей обеспечивают им доминирующее положение в современном автоматизированном приводе. Для энергетической развязки выпрямителя и инвертора между ними обязательно устанавливают накопитель энергии. В зависимости от вида этого накопителя конденсатор или дроссель (рис. 2.33) – инвертор работает либо в режиме источника напряжения (ИН), либо источника тока (ИТ). Накопитель энергии необходим потому, что энергия постоянного тока чисто активная, а для формирования магнитных полей в двигателе нужен обмен реактивной энергией с источником питания, которую и обеспечивает накопитель. При переходе АД в генераторный режим изменяется знак активной составляющей тока статора, те. ее направление по отношению к напряжению. Этот токи напряжение примерно соответствуют величинам на входе И, поэтому при изменении режима АД должно изменяться взаимное направление тока и напряжения в звене постоянного тока. Нов ПЧИН изменить направление может только напряжение, а в ПЧИТ – ток. Основные типы преобразователей Изменение направления напряжения в ПЧИТ при сохранении направления тока приведет к тому, что УВ перейдет в режим инвертирования и избыточная энергия будет возвращена в сеть. В ПЧИН переход АД в генераторный режим приведет к изменению направления тока в инверторе. В этом случае избыточная энергия не может быть возвращена в сеть через выпрямитель, т.к. его ключи обладают односторонней проводимостью. Она может либо рекуперироваться ведомым сетью инвертором, включенным встречно-параллельно с УВ, либо быть рассеянной на тормозном резисторе, включаемом с этой целью на входе инвертора. Таким образом, ПЧИТ обеспечивает двухстороннее направление обмена энергией между АД и сетью без применения дополнительных устройств и, следовательно, работу двигателя в двух квадрантах механической характеристики, в то время как ПЧИН только водном квадранте (двигательном. Тем не менее, более распространенными на практике являются ПЧИН. Это связано стем, что большая часть задач привода не требует работы АД в генераторном режиме, а кратковременные выходы в эту область связаны су ренным ко- ством про- одимой энергии, которая может рассеиваться тормозным резистором. Кроме того, дроссель обладает существенно худшими массогабаритными показателями по сравнению с конденсатором. Рис. 2.33. Функциональные схемы преобразователей ме личе изв Сдвиг фаз между выходными напряжениями И обеспечивается алгоритмом работы ключей, а частота регулируется тактовой частотой коммутации 1 f , задаваемой устройством управления (УУ). Управление амплитудой напряжения или тока (сигналы на рис. 2.33) осуществляется с помощью УВ. Как правило, каналы управления частотой и амплитудой в УУ соединены между собой через функциональный преобразователь, обеспечивающий требуемый закон управления. Д Из рассмотренных особенностей ПЧ с инверторами, работающими с шестью коммутациями за период, можно сделать вывод, что ПЧИН следует применять для многодвигательных и одиночных приводов мощностью до 200 кВт, работающих водном квадранте с диапазоном регулирования до 20:1. При этом в УУ обычно используется функциональный преобразователь с законом управления ля одиночных приводов мощностью до 400 кВт, работающих в двух квадрантах примерно стем же диапазоном регулирования, применяют ПЧИТ. / con U f = Основные типы преобразователей Другой класс преобразователей со звеном постоянного тока составляют устройства, в которых функции регулирования обоих выходных параметров (амплитуды и частоты) возложены на инвертора в выпрямителе используются неуправляемые диоды. Такой тип ПЧ относят к широтно-импульсным преобразователям (ШИП рис. 2.33 в, а инвертор, работающий в режиме широтно- импульсной модуляции – к широтно-импульсным регуляторам (ШИР). В настоящее время, благодаря развитию силовой электроники и, прежде всего, появлению силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT – insulated gate bipolar transistor ), этот тип ПЧ стал наиболее распространенным. Поэтому мы остановимся на его устройстве более подробно в следующем разделе. Отдельный класс преобразователей составляют НПЧ. В них выходное напряжение формируется из участков синусоид напряжения сети питания, при этом двигатель в процессе работы преобразователя через открытые ключи в каждый момент времени оказывается подсоединенным непосредственно к источнику питания. Это позволяет без использования дополнительных устройств обеспечить двухсторонний обмен энергией между АД и питающей сетью, что, в свою очередь, создает возможность работы двигателя в двух квадрантах механической характеристики. НПЧ в принципе могут строиться на основе частично или полностью управляемых ключей. В первом случаев качестве ключей используют тиристоры (симисторы) с естественной коммутацией (ЕК); во втором – либо полностью управляемые тиристоры или тиристоры с искусственной коммутацией, либо транзисторы (рис. 2.32). Применение искусственной коммутации позволяет регулировать выходную частоту в области ниже и выше частоты сети. Однако коммутационные устройства тиристорных ключей существенно ухудшают массогаба- ритные показатели. Применение транзисторных ключей исключает этот недостаток, носам принцип работы НПЧ требует использования по крайней мере тройного количества ключевых элементов по сравнению с ПЧ с инверторами. Кроме того, для некоторых задач в НПЧ используют входные или выходные трансформаторы, что еще более снижает их конкурентоспособность. Поэтому в преобразователях этого типа чаще всего используют естественную коммутацию и применяют их в приводах, где отчетливо проявляются достоинства тиристорных ключей – в приводах большой мощности. С помощью трехфазно-трехфазных НПЧ ЕК можно формировать фазные токи АД с коэффициентом искажения порядка 0,99-0,9999, те. токи, содержащие практически только основную гармонику. Однако с повышением частоты основной гармоники искажения увеличиваются и при питании от сети 50 Гц предельной выходной частотой с удовлетворительным спектром тока считается 20 Гц. Повышение этой частоты в 1,5-2 раза возможно с помощью входных трансформаторов и дополнительных ключей, но такое решение существенно ухудшает массогабаритные показатели. В любом случае использование НПЧ для токового управления АД позволяет осуществить глубокое регулирование частоты вращения вплоть до работы на упор с номинальной перегрузочной способностью, а также обеспечить запуск двигателя в тяжелых условиях. Наличие относительно Основные типы преобразователей большого количества ключей является недостатком НПЧ, но надежность и мощность тиристорных коммутаторов определили область, в которой почти исключительно применяются НПЧ ЕК. Это приводы большой мощности с тяжелыми условиями пуска такие, как тяговый привод на транспорте, гребные валы судов, цементные мельницы и т.п. 2.3.2 Широтно-импульсные преобразователи Как уже отмечалось выше, ШИП практически полностью вытеснили другие типы ПЧ в массовом асинхронном приводе мощностью от 0,5 до 100000 кВт. Современные ШИП могут работать с частотами коммутации ключей 2–20 кГц, что позволяет обеспечить высокую динамику привода и сформировать в обмотках статора практически синусоидальные токи. Они могут формировать в обмотках заданное напряжение или ток, те. работать в режиме источника напряжения ив режиме источника тока. При этом все многообразие параметров и режимов ПЧ определяется только алгоритмом работы ключей ШИР. На практике используют ШИП с синусоидальной и пространственно- векторной модуляцией (ПВМ) * , а также сформированием токов нагрузки. 2.3.2.1 Широтно-импульсные преобразователи с синусоидальной модуляцией напряжения Простейшим режимом ШИР является режим формирования синусоидальных ШИМ напряжений в обмотках АД в соответствии с сигналами задания. На риса) показана функциональная схема инвертора ПЧ, к выходу которого подключен статор АД. Управление четными и нечетными ключами полумосто- вых пар производится парафазно, для чего в каналы управления четных ключей включены инверторы логических функций. Логический сигнал управления ключами формируется компараторами (К, на входы которых подаются синусоидальные сигналы заданных фазных напряжений и сигнал линейной развертки * * * 1 1 1 ; ; a b u u u c s u с выхода генератора пилообразного сигнала (ГПС). Компараторы на рисунке выполняют математическую функцию определения знака разности сигналов к u , где – сигнал на выходе компаратора. На выходах компараторов фазных сигналов показаны двухпозиционные реле с гистерезисом. Наличие гистерезиса необходимо для исключения дребезга при переключении компаратора, но обычно гистерезис вводится просто с помощью положительной обратной связи по напряжению охватывающей компаратор. к u Если мгновенное значение сигнала задания превышает значение сигнала развертки * 1 u s u , то выключается соответствующий нечетный ключи включается четный. При этом обмотка АД оказывается подсоединенной к отрицательному полюсу источника постоянного тока, питающего инвертор. В случае противоположного соотношения сигналов задания и развертки обмотка подключается к положительному полюсу источника. В результате фазное напряжение статора АД формируется из прямоугольных импульсов с частотой равной частоте сиг В некоторых источниках этот вид модуляции называют пространственной ШИМ. Широтно-импульсные преобразователи с синусоидальной модуляцией напряжения 75 нала развертки s u и средним значением, равным среднему значению сигнала задания в пределах периода развертки. При этом первая гармоника фазного напряжения совпадает по фазе и амплитуда ее пропорциональна амплитуде сигнала задания. Фазный ток в межкоммутационных интервалах формируется из участков экспонент. При этом вцепи фазной обмотки действует разность напряжения формируемого инвертором и ЭДС ротора u 1 i 1 u ψ (см. рис. 1.23). Если частота сигнала развертки на порядок и более превышает частоту сигнала задания то кривая тока имеет спектр, состоящий более чем на 99% из основной гармоники . Следует заметить, что рисунок б) поясняющий принцип работы ШИР, соответствует работе однофазной мостовой схемы инвертора. При работе трехфазного инвертора (риса) на каждом интервале коммутации две обмотки соединяются параллельно и подключаются последовательно с третьей обмоткой. Если же одновременно замыкаются три четных или нечетных ключа, то все три обмотки оказываются соединенн источника питания d U ,. Таким образом, в фазных напряжениях появляются интервалы с нулевым входным напряжением. Это усложняет картину процессов в ШИР, но практически не сказывается на спектре токов в обмотках, если, как уже отмечалось выше, частота коммутации более чем на порядок превышает частоту основной гармоники. В этом случае при анализе можно заменить ШИП линейным источником синусоидального напряжения, не внося при этом погрешности более 2-3%. Очевидно, что приведенная на рисунке стру ыми параллельно и отключенными от напряжения ктура устр Рис. 2.34. Функциональная схема инвертора с широтно- импульсной модуляцией (аи временные диаграммы работы (б. ойства управления ключами инвертора может быть реализована ив настоящее время чаще всего реализуется с помощью цифровой обработки информации микроконтроллером 76 |