Файл: Электрический привод.pdf

124
В основе прямого управления моментом лежит математическое представ- ление этой величины через векторное произведение магнитных потоков статора и ротора
1 2
sin
m C
= Ψ ⋅ Ψ
ϑ где
1 2
,
,
Ψ Ψ ϑ – модули векторов и угол между ними.
Разделение единого магнитного поля машины на поля статора и ротора яв- ляется своего рода условностью, но воздействие на какую-либо часть поля вы- зывает соответствующую реакцию другой. Причём эта реакция, в силу инерци- онности процесса формирования магнитного поля, всегда замедленная. Поэто- му, если создать условия, при которых магнитное поле статора будет вращать- ся, то поле ротора будет следовать за ним с некоторым запаздыванием, выра- жающимся в смещении его оси на угол
ϑ (рис. 2.65, а). Если при этом потокос- цепление
1
const
Ψ =
, то модуль потокосцепления ротора также будет постоян- ной величиной
2
const
Ψ =
и электромагнитный момент будет функцией угла запаздывания
ϑ.
Поле статора формируется путём переключения его обмоток инвертором напряжения (ИН на рис. 2.65, б), который в зависимости от восьми возможных состояний шести своих ключей может создать на интервалах между коммута- циями семь выходных напряжений. Эти напряжения можно представить восе- мью пространственными векторами
(0)
(7)
u
u
…
, называемыми базовыми векто- рами и показанными на рис. 2.65, а. Если пренебречь величиной активного со- противления обмотки статора, то приращение потокосцепления статора между соседними коммутациями инвертора можно представить как
( )
1
k
u
t
ΔΨ =
⋅ Δ , где
( )
k
u
– один из восьми базовых векторов, t
Δ – длительность межкоммутаци- онного интервала.
Зная положение оси магнитного поля статора можно воздействовать на не- го, выбирая ту или иную комбинацию состояний ключей инвертора, т.е. базо- вый вектор так, чтобы величина потокосцепления статора и электромагнитного
Рис. 2.65

125
момента машины отклонялись от заданного значения не более, чем на величину допустимых ошибок. Например, для состояния векторов, показанного на рис.
2.65, а, выбор второго, третьего и четвёртого векторов приведёт к увеличению угла
ϑ, а первого, пятого и шестого – к уменьшению угла и, соответственно к уменьшению момента двигателя. В то же время, первый и второй векторы соз- дадут приращение
1
ΔΨ , увеличивающее модуль потокосцепления статора, а четвёртый и пятый векторы вызовут его уменьшение.
На рис. 2.65, б показана структурная схема системы прямого управления моментом. Она содержит два релейных регулятора момента (РМ) и потокосце- пления (РП), на вход которых подаются сигналы разности между заданными значениями момента и потокосцепления (
*
*
1
, |
|
m
Ψ ) и их текущими значениями
(
1
, |
|
m
Ψ ). Выходные сигналы регуляторов момента и потокосцепления в зави- симости от величины ошибок либо сохраняют своё состояние (1, 0, –1), либо изменяют его и тогда инвертор изменяет свое состояние в соответствии с теку- щим положением вектора и таблицей, называемой селектором векторов напря- жения (СВН). В этой таблице хранятся нужные комбинации состояний ключей инвертора для каждого из шести секторов
1 6
d
d
… , в которых может находиться вектор потокосцепления. Таким образом, электромагнитный момент и потокос- цепление статора поддерживаются в пределах допустимых отклонений от за- данных значений, задаваемых величинами гистерезиса регуляторов.
Механическая характеристика асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом на рис. 2.65, б абсолютно мягкая, поэтому для нормаль- ной работы привода необходима обратная связь по скорости вращения или по положению рабочего органа.
2.3.6.4. Преобразователи частоты асинхронного привода
Современный электропривод переменного тока немыслим без полупро- водниковых преобразователей частоты. Они серийно выпускаются на мощно- сти от единиц ватт до сотен мегаватт и обеспечивают практически все потреб- ности регулируемых приводов.
По принципу работы преобразователи частоты делятся на два типа: с оди- нарным и с двойным преобразованием энергии. К первому типу относятся т.н. непосредственные преобразователи частоты, представляющие собой широтно- импульсные преобразователи переменного тока. Они формируют выходное на- пряжение в виде последовательности импульсов в виде частей синусоид вход- ного многофазного напряжения. Достоинством этих преобразователей является высокий КПД и возможность обмена энергией с питающей сетью. Однако не- большой диапазон регулирования и широкий спектр гармоник выходного на- пряжения ограничивают использование этих преобразователей привода боль- шой мощности.
В подавляющем большинстве современных преобразователей частоты электрическая энергия преобразуется дважды. Сначала переменное напряжение и ток сети выпрямляются, а затем с помощью инвертора преобразуются в пере-

126
менный ток или напряжение регулируемой частоты и амплитуды. По признаку наличия в цепи преобразования электрической энергии постоянного тока эти преобразователи называются преобразователями со звеном постоянного тока.
В простейших случаях регулирование выходной амплитуды напряжения или тока (
*
*
1 1
,
U I
) осуществляется управляемым выпрямителем (УВ на рис. 2.66,
а
и б), а формирование выходных параметров заданной частоты
*
1
f
– автоном- ным инвертором напряжения или тока (ИН, ИТ на рис. 2.66, а и б).
В более совершенных преобразователях исполь- зуется принцип широтно- импульсной модуляции.
Сетевое напряжение вы- прямляется неуправляемым выпрямителем (В на рис.
2.66, в), а формирование выходного напряжения за- данной амплитуды и часто- ты осуществляется инвер- тором, работающим в ре- жиме широтно-импульсного регулятора.
В системах привода с такими преобразователями часто используются сиг- налы и обратные связи по напряжению и току статора двигателя, а также сиг- нал скорости вращения. Это позволяет реализовать не только частотное управ- ление с IR или IZ-компенсацией, но также любой тип векторного управления двигателем.
Основным недостатком большинства преобразователей частоты со звеном постоянного тока является невозможность возврата энергии в питающую сеть, что очень важно для приводов средней и большой мощности, т.к. при генера- торном торможении энергию приходится рассеивать на специальных тормоз- ных резисторах в звене постоянного тока.
Эта проблема решается использованием в качестве выпрямителя инверто- ра, ведомого сетью. В режиме потребления энергии машиной он работает как обычный выпрямитель, а при переходе в генераторный режим переводится в режим инвертирования постоянного напряжения и отдаёт энергию в сеть.
2.3.6.5 Современные преобразователи для электропривода широкого при-
менения
В настоящее время большинство технологических задач решается на осно- ве комплектных асинхронных электроприводов с частотным управлением. Се- годня все ведущие отечественные и зарубежные фирмы, работающие в области силовой электроники выпускают изделия, предназначенные для управления вентиляторами, насосами, подъемно-транспортным оборудованием, приводами промышленных роботов и т.д. Существует выраженная тенденция перехода к
Рис. 2.66

127
автоматизированному электроприводу в тех областях, где раньше использова- лись простейшие релейно-контакторные системы. Это позволяет существенно расширить функциональные возможности оборудования, уменьшить энергопо- требление.
Диапазон мощностей существующих серийных преобразователей частоты
(ПЧ) составляет от 0,3 кВт до 10000 кВт. Они обеспечивают плавное регулиро- вание скорости вращения с сохранением перегрузочной способности в диапа- зоне 1:20 и более.
Могут работать в разомкнутых и замкнутых систе- мах управления.
Позволяют фор- мировать режимы разгона и тормо- жения. Имеют це- лый ряд встроен- ных систем защи- ты преобразовате- ля и двигателя.
Силовая часть большинства ПЧ построена на основе инверторов с ШИМ.
Техническим стандартом являются два возможных режима работы – управле- ние с заданной функциональной связью
/
U f
и векторное управление. Для поддержания постоянства потокосцепления при управлении по закону
/
U f
в
ПЧ используется
IR -компенсация и коррекция напряжения на входе инвертора.
Режим с заданной
/
U f
-характеристикой используют для одиночных и многодвигательных приводов малой и средней мощности с вентиляторной на- грузкой. Жесткость статических характеристик примерно соответствует естест- венной. Диапазон регулирования обычно составляет 10:1 без применения дат- чика скорости. Если требуется повышение жесткости и расширение диапазона регулирования, то применяют различные аналоговые или цифровые (импульс- ные) датчики. Для этого в ПЧ имеются соответствующие управляющие входы и выходы.
Режим векторного управления в основном используют для приводов с тя- желыми условиями работы (вентиляторы большой мощности, экструдеры, подъемно-транспортное оборудование). Диапазон регулирования без датчика скорости здесь также составляет около 10:1, но векторное управление обеспе- чивает лучшую динамику привода за счет внутреннего отдельного канала управления моментом. В изделиях ряда фирм в режиме векторного управления возможен выбор типа нагрузки, т.е. работа с постоянным располагаемым мо- ментом, с переменным моментом, в режиме энергосбережения.
Вся внутренняя обработка информации в ПЧ обеспечивается микропроцес- сором. В высококачественных устройствах для повышения быстродействия ис-
Рис. 2.67

128
пользуется параллельная обработка несколькими процессорами. Преобразова- тели частоты имеют карты расширения функций, позволяющие управлять при- водом с помощью ПК, через Internet, создавать сложные взаимосвязанные сис- темы приводов с обменом информацией между ними.
Типичная комплектация ПЧ показана на рисунке 2.67. Она включает соб- ственно преобразователь (1.2); диалоговый терминал (1.3), который может ус- танавливаться на преобразователе или отдельно на крышке шкафа, а также на удалении в несколько метров, соединяясь с преобразователем телефонным ка- белем; комплект Power Suite для миникомпьютера (1.4); программное обеспе- чение Power Suite для ПК (1.5); различные карты расширения (5). Набор карт расширения позволяет индивидуализировать применение ПЧ. Это могут быть: карты входов-выходов, позволяющие увеличить их число и адаптировать к имеющемуся оборудованию; коммуникационные карты, позволяющие органи- зовать обмен информацией процессора ПЧ с внешними устройствами, имею- щими другие шины и протоколы; а также прикладные карты, в основном пред- назначенные для раздельного управления приводами в многодвигательном приводе.
Основная схема подключения ПЧ показана на рисунке 2.68. Преобразова- тель может питаться как от трехфазной, так и от однофазной сети. Для мощных
ПЧ допускается подключение только к трехфазной сети. В обоих случаях при- соединение осуществляется через быстродействующий автоматический вы- ключатель и контакты
1 3
L
L
…
. Время-токовая характеристика выключателя должна быть класса
B , т.е. с максимальным быстродействием. Некоторые изго- товители рекомендуют также последовательно с выключателем устанавливать быстродействующие плавкие вставки.
В приводах ответственных механизмов с редкими включениями после ав- томатического выключателя устанавливают контактор с цепью управления, пи- тающейся от одной из фаз сети.
Для ограничения токов на сетевом входе ПЧ устанавливают сетевые дрос- сели (СД). Мощные преобразователи (>10-15 кВт) имеют встроенные СД. Для остальных СД поставляются в качестве дополнительного оборудования в слу- чае необходимости.

129
Двигатель подключается к контактам , ,
U V W
непосредственно или через контактор. Контактор используют в основном в ответственных приводах с час- тыми включениями. Кроме того, если кабель подключения двигателя более 50 м, то для ограничения
/
du dt
и снижения уровня помех между преобразовате- лем и двигателем устанавливают выходные дроссели или LC фильтр.
Если в ПЧ не предусмотрен режим инвертирования во входном выпрями- теле, то для рассеяния энергии при торможении используют внешний тормоз- ной резистор, мощность которого определяют по длительности тормозного ре- жима, времени цикла и моменту, действующему на валу. Тормозные резисторы являются дополнительным оборудованием и обычно производятся фирмами из- готовителями ПЧ. Некоторые ПЧ допускают для машин малой мощности ре- жим торможения с моментом до 30% от номинального без подключения тор- мозного резистора.
Информационные контакты подключения функционально делятся на четы- ре группы: дискретные входы; дискретные выходы; аналоговые входы и анало- говый выход.
Дискретные или логические входы ( 1 4
LI
LI
…
- Logic Input) используют для дискретного управления ПЧ. Функции входов назначаются пользователем при настройке. Для повышения помехозащищенности в них используются ло- гические сигналы высокого уровня («0» – < 5В, «1» – > 11 В и напряжение пи- тания 24 В).
Дискретными выходами являются контакты реле 1
R , срабатывающего при всех аварийных режимах преобразователя, и реле 2
R , функция которого назна- чается пользователем. Чаще всего эти контакты используют для управления входным или выходным контактором преобразователя.
Рис. 2.68

130
Два аналоговых входа служат для управления выходной частотой преобра- зователя сигналами задания или обратной связи. Вход
1
AI (Analog Input) по- тенциальный с входным сопротивлением 30 кОм и уровнем сигнала 0-10 В.
Вход
2
AI токовый с входным сопротивлением 100 Ом и уровнем сигнала 1-20 мА. При управлении по этим входам ошибка составляет величину порядка
1%
±
, а нелинейность 0,5%
±
от максимальной выходной частоты.
Токовый аналоговый выход
1
AO
(Analog Output) используют для обмена информацией между ПЧ и внешней системой управления. Функция его назна- чается пользователем. В простейшем случае к этому выходу можно подклю- чить гальванометр и измерять выходную частоту преобразователя. Выходной ток от 0 до 20 мА, максимальное сопротивление нагрузки 500 Ом. Линейность выходной характеристики составляет величину порядка 0,1
± мА, а точность
0,2
±
мА.
Для обмена цифровой информацией с внешними устройствами (микропро- цессорами, ПК и т.п.) в ПЧ обычно используют последовательный интерфейс
RS 485
с протоколом Modbus.
Преобразователи частоты подключаются к промышленной сети частотой
50 Гц и напряжением 220/380 В. При этом они формируют на выходе напряже- ние частотой от 0,1 Гц до 500 Гц и максимальным значением равным амплиту- де напряжения сети.
Нагрузкой ПЧ может быть любой двигатель мощностью меньше или рав- ной мощности преобразователя. Обычно в справочных данных указывается не мощность, а выходной ток преобразователя. Соответственно и фазный ток дви- гателя в статическом режиме не должен превышать этого значения.
Они обеспечивают диапазон регулирования скорости вращения в пре- делах 10:1 при управлении по заданной частотной
/
U f
-характеристике и до
100:1 при векторном управлении. Статическая погрешность регулирова- ния составляет около 1%
±
без датчика скорости;
0,1%
±
в системе с анало- говым датчиком и 0,02%
±
с импульсным датчиком.
В ПЧ предусмотрена возможность выбора частоты коммутации из ряда дискретных значений от 0,5 до 20 кГц. При низких частотах коммутации, составляющих примерно треть диапазона, преобразователь может развивать полную выходную мощность. При
Рис. 2.69

131
высоких частотах возрастают коммутационные потери в транзисторах и в этом случае требуется увеличение мощности преобразователя на один типоразмер, кроме эксплуатации в повторно-кратковременном режиме, когда можно произ- водить выбор преобразователя по обычным критериям.
При разработке приводов с ПЧ необходимо учитывать изменение теплово- го режима двигателя. Разработчики преобразователей приводят рекомендуемые граничные механические характеристики вида рис. 2.69. Двигатели с естест- венной вентиляцией в длительном режиме должны работать с уменьшением момента нагрузки по мере снижения частоты. Примерно до половины номи- нальной частоты это снижение составляет около 5%, а далее увеличивается до
50%. Двигатели с принудительной вентиляцией могут работать в длительном режиме в заштрихованной области, если при этом ток статора не превышает допустимого выходного тока преобразователя. При этом возможны кратковре- менные перегрузки по моменту на 20-70% в течение 60 с и на 40-100% в тече- ние 2 с.
Если двигатель по условиям механической прочности допускает работу при повышенных скоростях вращения, то в ПЧ это легко реализуется при по- стоянной располагаемой мощности, т.е. со снижением момента обратно про- порционально частоте вращения (рис. 2.69).
В любом приводе существу- ет проблема переходных режи- мов, когда требуется обеспечить определенное ускорение по усло- виям работы механизма или дви- гателя. В приводах с ПЧ допол- нительно нужно учитывать су- ществующие ограничения по вы- ходному току и рассеиваемой мощности при торможении.
Обычно они составляют 150% от номинального тока. Преобразователь имеет встроенную защиту, ограничиваю- щую этот ток или отключающую нагрузку. Рациональным выбором кривых разгона и торможения можно полностью исключить режимы выхода на пре- дельные значения тока. Для этого пользователю предоставляется возможность независимого выбора этих кривых как по характеру (линейная, S -образная, U - образная) так и по времени (
1 2
,
t t
) в пределах от 0,05 до 1000 сек с разрешением
0,1 сек (рис.2.70).
Аналоговые входы ПЧ позволяют организовать непрерывное управление
АД с заданным ограничением диапазона. Для этого в ПЧ в диалоговом режиме можно выбрать верхнюю (GV ) и нижнюю ( PV ) границу диапазона (рис. 2.71), а также, если требуется, сформировать на регулировочной характеристике зону нечувствительности или режим ограничения.
Рис. 2.70

132
Пользователю предоставляется также возможность создания на регулиро- вочной характеристике от одного до трех «окон» шириной 5 Гц (рис. 2.71), с помощью которых можно исключить частоты, вызывающие механический ре- зонанс в приводе. Это особенно важно для приводов центробежных насосов и вентиляторов, в которых явление резонанса возни- кает особенно часто.
Дополни- тельные возмож- ности в управле- нии приводом предоставляют четыре логиче- ских входа ПЧ. С их помощью можно управлять направлением вращения, тор- можением, оста- новкой, пере- ключением до четырех предва- рительно вы- бранных скоростей вращения, формируя при этом сложные нагрузочные диа- граммы (рис. 2.72).
Преобразователи частоты легко включаются в замкнутые или разомкнутые системы управления с ручным заданием, т.к. в них имеется встроенный ПИ ре- гулятор с настраиваемыми коэффициентами и апериодический фильтр первого порядка.
Особую группу функций в каждом преобразователе частоты составляют разного рода защиты. К ним относятся защита от поражения электрическим то- ком, защита преобразователя и защита двигателя.
Для защиты оператора от элек- трического поражения предусмотре- на гальваническая развязка силовой цепи и цепей управления с сопротив- лением изоляции не менее 500 Мом и электрической прочностью изоляции
2830 В постоянного тока между кор- пусом и силовыми цепями и 2000 В переменного тока между цепями
Рис. 2.71
Рис. 2.72

133
управления и силовыми цепями. В цепях управления ПЧ используются только сигналы с безопасным для человека уровнем напряжения.
Полупроводниковые приборы ПЧ крайне чувствительны к различным пе- регрузкам. Поэтому преобразователь обязательно имеет несколько видов защи- ты от аварийных режимов. Это, прежде всего, защиты от коротких замыканий между выходными фазами, между выходными фазами и корпусом преобразова- теля, а также от замыканий внутренних источников питания. Эти защиты име- ют очень высокое быстродействие, исключающее выход полупроводниковых приборов за пределы областей безопасной работы. Кроме этого в ПЧ имеется защита от перепадов напряжения сети и от обрыва фазы сетевого напряжения.
Последний вид защиты предусмотрен в преобразователях предназначенных для работы только в трехфазных сетях. Помимо описанных быстродействующих защит преобразователь обязательно имеет тепловую защиту, обычно исполь- зующую в качестве датчика терморезистор. Она контролирует его тепловой ре- жим с учетом не только преобразуемой мощности, но и Ñ