ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

February 21, 2014 by admin Комментировать »

Частотное управление асинхронным электроприводом является самым рациональным способом создания его пусковых, регулировочных и тормозных свойств, сопоставимых с аналогичными свойствами регулируемого электропривода постоянного тока. С теорией частотного управления, его проблемами и реализацией можно ознакомиться, например, в [4, 6, 8]. Для реализации этого способа управления используются автономные инверторы напряжения (АШН), автономные инверторы тока (АИТ), непосредственные преобразователи частоты (циклоконверторы). Наибольшее применение в полиграфии нашли инверторы.

Инвертирование – процесс преобразования постоянного тока в переменный, который выполняется устройством под названием «инвертор». Таким образом, при существующей промышленной питающей сети переменного тока инверторы представляют собой устройства с двукратным преобразованием электрической энергии – сначала синусоидальное напряжение переменного тока неизменяющейся частоты преобразуется в постоянное напряжение (в звено постоянного тока), а затем оно преобразуется в переменное несинусоидальное напряжение регулируемой частоты. Следовательно, инвертор как устройство принципиально должен содержать выпрямитель, звено постоянного тока и сам инвертор. В силу того, что частотное управление есть взаимосвязанное управление частотой и амплитудой напряжения, подаваемого на нагрузку, то в нем должна быть часть, регулирующая амплитуду этого напряжения, и часть, изменяющая его частоту, или эти две функции должна выполнять одна часть. Принципиальная схема инвертора приведена на рис. 5.1. В ней имеются:

–   согласующий трансформатор, в задачу которого входит согласование параметров трехфазной питающей сети с параметрами нагрузки (в данном случае с номинальными данными асинхронного двигателя);

–   управляемый выпрямитель UZ, изменяющий напряжение на входе звена постоянного тока;

–   звено постоянного тока, которое сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и накапливает возвращаемую нагрузкой энергию, определяя входное напряжение инвертора, а тем самым амплитуду выходного напряжения инвертора;

–   инвертор, задающий частоту выходного несинусоидального напряжения путем определенного алгоритма переключения полупроводниковых вентилей VS1…VS6;

–   мост возвратного тока VD1… VD6, позволяющий нагрузке обмениваться энергией со звеном постоянного тока.

Рис. 5.1. Принципиальная схема инвертора

По виду нагрузки и соотношению мощностей инвертора и питающей сети инверторы подразделяются на независимые (автономные) и зависимые (ведомые сетью). Автономный инвертор работает на автономную нагрузку, не содержащую источников активной энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора. При этом частота, напряжение и его форма на выходе автономного инвертора определяются режимом работы инвертора. Ведомый сетью (зависимый) инвертор отдает энергию в сеть переменного напряжения, в которой уже существуют источники активной энергии со значительно большей мощностью по сравнению с отдаваемой инвертором и напряжением той же частоты, что и выходная частота инвертора. Режим работы такого инвертора не влияет на параметры выходного напряжения. По типу коммутации инверторы (автономные и зависимые) делятся на инверторы с естественной коммутацией и инверторы с принудительной коммутацией.

Автономный инвертор – это коммутатор, который поочередно с помощью полупроводниковых ключей подсоединяет фазы нагрузки (например, обмотки статора трехфазного асинхронного электродвигателя) к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока (к звену постоянного тока). Частота переключений определяет частоту выходного напряжения инвертора (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Эпюры напряжения при разной его частоте на выходе инвертора. Пунктирными линиями обозначены моменты переключения ключей

инвертора.

В зависимости от режима работы источника постоянного тока и особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы можно разделить на инверторы напряжения и инверторы тока. Автономный инвертор напряжения – это инвертор, форма напряжения на выходе которого определяется только порядком переключения вентилей инвертора, а форма тока зависит от характера нагрузки. Питание автономного инвертора осуществляется от источника напряжения. При работе такого инвертора на реактивную нагрузку должна быть обеспечена возможность обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного напряжения. Автономный инвертор тока – это инвертор, на выходе которого форма тока определяется только порядком переключения вентилей инвертора, а форма напряжения зависит от характера нагрузки. Питание инвертора этого типа должно выполняться от источника тока. Перевод выпрямителя в режим регулируемого источника тока при работе на инвертор тока достигается либо путем включения сглаживающего реактора большой индуктивности, либо посредством охвата выпрямителя сильной отрицательной обратной связью по току и использования сглаживающего реактора, индуктивность которого достаточна для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Первый способ увеличивает весогабаритные показатели и инерционность преобразователя, поэтому наиболее рациональным следует считать второй способ. Для автономного инвертора напряжения характерны однозначная зависимость выходного напряжения от входного и практическая независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и ее коэффициента мощности. Это обуславливает его предпочтительное использование для создания частотнорегулируемого электропривода. При использовании инвертора напряжения в генераторных режимах двигателя увеличивается напряжение в звене постоянного тока (на входе инвертора) по сравнению с выпрямленным напряжением ии > Ud, но не меняется его полярность. По этой причине оказывается невозможным передача энергии в питающую сеть через выпрямитель в силу его односторонней проводи-

мости, другими словами, автономный инвертор не прозрачен для обратного потока электрической энергии. Эта энергия будет накапливаться в звене постоянного тока и приведет к недопустимому повышению напряжения на конденсаторе фильтра. Для передачи энергии из звена постоянного тока в сеть необходимо ввести инвертор, ведомый сетью. Это все формирует недостатки автономного инвертора напряжения: большая установленная мощность и соответственно большая масса и габариты конденсаторного фильтра на входе инвертора; необходимость введения дополнительного инвертора, ведомого сетью; большое количество силовых вентилей; большая инерционность канала регулирования напряжением в случае установки большого фильтра в звене постоянного тока; возможность возникновения автоколебаний в системе преобразователь – двигатель за счет взаимного обмена ими энергией. Прием возврата энергии в питающую сеть инвертором, ведомым сетью, не нашел практического применения в полиграфии для частотно-регулируемых электроприводов. Указанная энергия обычно рассеивается в цепях с активным сопротивлением, организованных для тормозных режимов.

Все автономные инверторы классифицируются по способу коммутации тока на три группы:

–   инверторы на полностью управляемых ключах (транзисторы);

–   инверторы с искусственной коммутацией. Основным элементом блока коммутации является конденсатор, предварительно запасенная энергия которого используется для выключения вентилей;

–   инверторы с коммутацией вентилей за счет энергии дополнительных импульсных или высокочастотных источников.

Инверторы первой и второй групп самые распространенные. Инверторы второй группы по характеру и организации процесса коммутации могут быть разделены на инверторы с одноступенчатой коммутацией или инверторы с двухступенчатой коммутацией. Под одноступенчатой понимается коммутация, при которой ток, протекающий через тиристор, перед его выключением переводится на включающийся рабочий тиристор другой фазы или на включающийся тиристор собственной фазы, причем процессы выключения одного рабочего тиристора и включения другого происходят одновременно. Под двухступенчатой понимается коммутация, которая осуществляется с помощью вспомогательного коммутирующего тиристора. Рабочий тиристор выключается при включении коммутирующего тиристора. При этом образуется контур, изменяющий полярность напряжения на выключаемом тиристоре. Включение следующего рабочего тиристора производится и происходит независимо от процесса коммутации в выключаемом тиристоре, но обычно по окончании этого процесса.

Инверторы могут быть распределены по подгруппам:

–   инверторы с междуфазовой коммутацией имеют коммутационный блок, обеспечивающий попеременную коммутацию тиристоров двух фаз;

–   инверторы с пофазной коммутацией обеспечивают попеременное переключение тиристоров одной фазы, независимо от процессов в других фазах;

–   инверторы с групповой коммутацией содержат коммутационный узел для выключения всех тиристоров одной группы (анодной или катодной);

–   инверторы с общей коммутацией имеют один коммутационный блок, используемый для выключения всех тиристоров;

–   инверторы с индивидуальной коммутацией обеспечивают выключение каждого тиристора независимо от состояния других рабочих тиристоров;

–   инверторы, в которых в качестве силовых вентилей используются транзисторы или полностью управляемые тиристоры.

Существенное влияние на свойства инвертора оказывает алгоритм коммутации его тиристоров (транзисторов) или тип управления инвертором, определяющий длительность проводящего состояния вентелей:

–   длительность проводящего состояния, равная 2/3 полупериода выходной частоты напряжения (120-градусное управление);

–   длительность проводящего состояния, равная полупериоду выходной частоты напряжения (180-градусное управление);

–   с произвольной (в течение полупериода) длительностью проводящего состояния, фиксированной или многократной, изменяемой по какому-либо закону в течение полупериода выходной частоты напряжения.

В инверторах с междуфазной коммутацией возможно лишь 120-градусное управление, форма выходного напряжения при этом зависит от коэффициента мощности нагрузки. Достоинство инверторов с междуфазной коммутацией – простота силовой схемы и системы управления. Область применения – электропривод небольшой мощности и высокоскоростной электропривод, где коэффициент мощности нагрузки маленький. В инверторах с общей и групповой коммутацией возможен режим управления с произвольной, но фиксированной для полупериода выходной частоты, длительностью включенного состояния тиристоров. Это достигается из-за одновременного выключения тиристоров во всех фазах. Такой режим может быть использован для широтного регулирования выходного напряжения инвертора. Достоинством инвертора с данным видом коммутации является независимость формы выходного напряжения от коэффициента мощности нагрузки. Недостатками – ограниченность режимов управления, провалы в выходном напряжении (при коммутации тиристоров) и высокая частота коммутации общего блока коммутации. Область применения – это низкочастотные преобразователи для электроприводов малой и средней мощности. Наиболее универсальными по применению, регулировочным свойствам и режимам управления являются инверторы с фазной коммутацией. Они могут работать при любом алгоритме переключения тиристоров и позволяют реализовать широтно-импульсное регулирование, а также широтноимпульсную одно- и двухполярную модуляцию выходного напряжения. Усложнение силовых схем и систем управления можно считать недостатком инверторов такого типа. Очень важной характеристикой инвертора любого типа являются коммутационные потери. Они зависят от схемы инвертора, от организации процесса коммутации, от ее типа и используемых блоков. Потери на коммутацию определяют КПД преобразователя и его работоспособность. Качество процесса коммутации и коммутационные потери определяются в результате анализа электромагнитных процессов в инверторах [4]. Коммутационные потери в инверторах, в схемных решениях которых применяются транзисторы или полностью управляемые тиристоры, определяются динамическими свойствами используемых приборов.

Успехи технологии полупроводниковой техники привели к созданию ключей, обладающих качественной управляемостью с высокими динамическими свойствами и незначительными потерями в этих процессах (см. глава 1), поэтому в современных преобразователях различного назначения используются IGBT, запираемый тиристор GTO или интегрированный управляемый коммутирующий тиристор IGCT. Классическая схема автономного инвертора напряжения будет выглядеть так, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Схема автономного инвертора

В этой схеме как регулирующая напряжение в звене постоянного тока часть (управляемый выпрямитель), так и часть (инвертор), изменяющая частоту выходного напряжения, выполнены на IGBT. Из указанных выше алгоритмов коммутации ключей инвертора остановимся на 180-градусном управлении, поскольку оно одно из рациональных, при котором в каждую шестую часть периода выходного напряжения инвертора включены всегда три ключа. Это приводит к постоянному присоединению фаз нагрузки к источнику питания и постоянному протеканию по ним тока нагрузки. Связь нагрузки с источником питания выполняется или через включенный силовой транзистор (угол θιτ) или через диод возвратного тока (угол От, рис. 5.4). Длительность включенного состояния ключа при таком алгоритме Θ = π. Алгоритм их переключения в течение периода выходного напряжения имеет вид

В соответствии с приведенным алгоритмом на рис. 5.5 показано формирование напряжения и дана при этом конфигурация соединений обмоток статора двигателя.

Р и с. 5.4. Э пюры н апряж е ния и тока и не ертор а с 18 0-гр аду с н ы м угл ом упр авле н ия его ключ ами

Электромагнитные процессы в инверторе разделяются на рабочие и коммутационные. Рабочие процессы связаны с протеканием в элементах инвертора тока нагрузки.

Рис. 5.5. Алгоритм формирования напряжения на обмотках статора

двигателя при Θ = 180°

Коммутационные процессы связаны с включением/отключе-нием силовых ключей (в данном случае транзисторов). При анализе формирования выходного напряжения инвертора будут приняты во внимание только рабочие процессы. Рассмотрим их на примере работы схемы инвертора при включенных ELI, EL2, Е73 (рис. 5.6). В этой схеме роль диодного моста возвратного тока ED1…ED6 выполняют диоды, присутствующие в структуре IGBT, используемых для построения схемы инвертора. Согласно вышеприведенному алгоритму для получения указанной схемы выключается транзистор EL6, а включается Е73, что приводит к изменению полярности напряжения на обмотке фазы В нагрузки с отрицательного значения на положительное. В силу индуктивного характера нагрузки и наличия ЭДС вращения в ее фазах ток этой фазы не может мгновенно изменить свое направление.

Рис. 5.6. Основная схема инвертора

Под действием нового значения приложенного напряжения ток этой фазы начинает уменьшаться. Действующая в обмотке ЭДС вращения создает вспомогательные контуры из элементов схемы инвертора, по которым протекает ток /0б, производящий обмен электромагнитной энергией между фазами нагрузки (в рассматриваемом случае за счет открывшегося диода D3 между фазами А и В), и ток Дозвр, возвращающий запасенную электроприводом энергию с помощью ЭДС вращения при ее значении большем, чем напряжение на входе инвертора 7/и в конденсатор С звена постоянного тока (в рассматриваемом случае за счет открывшихся диодов VD3 и 7714). После уменьшения тока фазы до нуля он начинает возрастать и протекать в направлении, соответствующем приложенной полярности напряжения 17и. Протекание вышеописанных процессов иллюстрируется рис. 5.7. Аналогичным образом протекают процессы при переключении остальных транзисторов.

Рис. 5.7. Схема инвертора с траекториями тока инвертора тока двигателя Ггщ, тока возврата тока обмена

Эпюры напряжения на выходе инвертора, формирующиеся указанным алгоритмом переключения транзисторов инвертора и прикладываемые к фазам нагрузки, приведены на рис. 5.4. Форма выходного напряжения на фазе не зависит от коэффициента мощности нагрузки (0 < coscpHarp < 1 )· Анализ значений напряжений, приложенных к фазе нагрузки, при равенстве сопротивлений обмоток всех ее фаз позволяет сказать, что напряжение на фазе может быть равным 1/3 ии или 2/3 //„. Эти изменения осуществляются скачком через каждую одну треть полупериода выходного напряжения. Эпюры напряжения и тока, характеризующие работу такого инвертора, изображены на рис. 5.4. Из него видно, что эти физические величины несинусоидальные, это в конечном счете выливается в неравномерность электромагнитного момента и скорости двигателя и негативно сказывается на работу механизма. Одним из способов устранения такого недостатка в работе инвертора является использование третьего алгоритма коммутации его силовых ключей, а именно, широтно-импульсная модуляция выходного напряжения инвертора. При чем на этот вид модуляции возлагается регулирование амплитуды выходного напряжения, что является обязательным для частотного управления.

Дадим небольшую информацию о способах регулирования напряжения в преобразователях. Основным способом регулирования амплитуды выходного напряжения в преобразователях постоянного и переменного тока остается фазовое управление либо широтно-им-пульсное регулирование.

Достоинствами фазового способа являются:

–   возможность использования для любого типа инвертора с любым видом коммутации и алгоритмом переключения вентилей;

–   независимость формы выходного напряжения от напряжения на входе инвертора;

–   широкий диапазон регулирования.

Широтно-импульсное регулирование в цепи постоянного тока приводит к дополнительному преобразованию энергии, снижению КПД и усложнению преобразователя. Кроме этого широтно-импульсный преобразователь обладает односторонней проводимостью энергии, что препятствует его применению в приводах, работающих в генераторном режиме. Поэтому для амплитудного регулирования постоянного напряжения используются управляемые выпрямители. Недостатками их является низкий коэффициент мощности для питающей сети, необходимость фильтрации выходного напряжения, увеличивающиеся весогабаритные показатели и снижающая динамические свойства преобразователя. Кроме того, применение управляемых выпрямителей в автономных инверторах, силовыми ключами которых являются тиристоры, приводит к тому, что при уменьшении напряжения на входе инвертора уменьшается начальное напряжение на коммутирующих конденсаторах инвертора. Это снижает коммутационную устойчивость, а в связи с этим требует или увеличения емкости коммутирующих конденсаторов, или специальных устройств – все это усложняет схему инвертора. Другие используемые способы регулирования амплитуды выходного напряжения связаны с совмещением функции регулирования напряжения и частоты в самом инверторе. Поскольку в результате этого создается сложный алгоритм переключения ключей инвертора, он может быть реализован в инверторах на полностью управляемых вентилях (транзисторах) либо в инверторах с двухступенчатой коммутацией.

Известно три таких способа:

–   широтное регулирование;

–   широтно-импульсное регулирование;

–   широтно-импульсная одно- и двухполярная модуляция.

Первый способ наиболее прост и заключается в изменении длительности проводящего состояния всех вентилей инвертора при фиксированных моментах их включения. При изменении длительности проводящего состояния вентилей от π до нуля амплитуда первой гармоники выходного напряжения изменяется от максимального значения до нуля. Однако при этом резко возрастают амплитуды высших гармоник напряжения и тока, что приводит к резкому увеличению потерь в двигателе, неравномерности вращения его вала в результате колебаний электромагнитного момента.

Широтно-импульсное регулирование и широтно-импульсная модуляция обладают лучшими показателями изменения напряжения. Сущность этих способов состоит в формировании полупериода выходного напряжения из однополярных или двухполярных импульсов с изменяемой скважностью (или шириной). При этом изменяется амплитуда первой гармоники, высшие гармоники имеют большие номера и хорошо сглаживаются фильтрующими свойствами двигателя. Различие между этими способами состоит в том, что при широтно-импульсном регулировании заданная скважность однополярных импульсов остается неизменяемой (не в переходных процессах) в течении полупериода выходного напряжения, а при широтноимпульсной модуляции – скважность однополярных или ширина двухполярных импульсов непрерывно изменяется по некоторому закону.

Все вышеизложенные проблемы создания частотнорегулируемых электроприводов на основе автономных инверторов напряжения привели к одной основной схеме, в которой имеется неуправляемый выпрямитель, звено постоянного тока с устройством поглащения возвращаемой электроприводом запасенной энергии или без него, инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону, эпюры которой для двухполярной модуляции приведены на рис. 5.8. Принцип широтно-импульсной модуляции позволяет одним устройством (инвертором) выполнить и изменение среднего значения амплитуды выходного напряжения, и регулирование его частоты. Период выходного напряжения разбивается на большое количество интервалов малой длительности At, на которых создаются два разнополярных импульса напряжения длительностями Δt\ и Δ/2. Если длительности положительного и отрицательного импульса одинаковы, то среднее значение напряжения на интервале At равно нулю. В противном случае получают положительное или отрицательное среднее значение напряжения, пропорциональное модулю разности длительности этих импульсов – ±|At\ Δ /2|.

Рис. 5.8. Эпюры напряжения и тока при широтно-импульсной модуляции Фзд^-угол, характеризующий индуктивный характер нагрузки

Когда длительность одного из импульсов равна нулю, получают максимальное значение среднего напряжения, равного входному напряжению инвертора. Широтно-импульсная модуляция уменьшает высшие гармонические составляющие в выходном напряжении инвертора и тем самым формирует форму тока в нагрузке, приближающейся к синусоиде. Точность аппроксимации синусоиды повышается с увеличением частоты коммутации силовых ключей инвертора. В современных АИН соотношение между длительностями At \ и At2 на отрезках At, расположенных на полупериоде выходного напряжения, распределяется по синусоидальному закону, что еще больше способствует синусоидальности тока нагрузки, а частота коммутаций силовых ключей достигает 20 кГц.

Рассмотренное формирование напряжения используется в выпускаемых промышленностью инверторах практически всех стран. Обобщенная функциональная схема такого инвертора приведена на рис. 5.9 и имеет традиционное построение: неуправляемый выпрямитель (одно или трехфазный в зависимости от мощности преобразователя); //’-фильтр (звено постоянного тока); инвертор на IGBT; драйверы для управления ими; микроконтроллерная или микропроцессорная система управления инвертором; устройство ввода/вывода, связывающее АИН с внешними управляющими воздействиями.

Рис. 5.9. Функциональная схема электропривода с АЙН

При рассмотрении рабочих процессов инвертора было обращено внимание на то, что асинхронный двигатель в различных режимах, особенно в тормозных, с различной интенсивностью обменивается со звеном постоянного тока своей энергией. Эта энергия накапливается в конденсаторе фильтра, повышая напряжение на входе инвертора. Чтобы устранить данный недостаток, целесообразно возвращаемую энергию рассеивать на активном сопротивлении. Для этого в схеме инвертора имеется дополнительный IGBT (17-чопер), который по команде системы управления подключает параллельно входу инвертора активное сопротивление /(·,, гасящее избыточную энергию нагрузки.

Управление такими АПН безусловно выполняется микроконтроллером или микропроцессором, поскольку, кроме простого переключения силовых ключей инвертора, необходимо выполнять определенные законы частотного регулирования. Как упоминалась в [8], имеются различные законы, которые в основном определяются требованиями момента или скорости, например закон сохранения перегрузочной способности электродвигателя или закон компенсации падения напряжения на активном сопротивлении обмоток статора двигателя. Эти законы либо заносятся в память микроконтроллера или микропроцессора, либо формируются на основании заданий управления и сигналов обратных связей от датчиков координат технологического процесса, технологической машины и электропривода.

Рассмотренный способ формирования выходного ШИМ-напряжения инвертора положен в основу, например российских многофункциональных, «интеллектуальных» устройств управления низковольтными (до 440 В) электродвигателями переменного тока, асинхронными и синхронными, мощностью от 1 до 400 кВт. Они предназначены для регулируемого привода механизмов и технологических процес-

сов с самыми различными требованиями к параметрам регулирования и условиям эксплуатации, начиная от насосов и вентиляторов и кончая высокоточными станками и следящими системами.

Преобразователи и комплектные электроприводы серии ЭПВ отличаются:

–   существенно более широкой областью использования, включающей объекты, требующие применения быстродействующего широкодиапазонного электропривода переменного тока, электропривода с высоким качеством двухстороннего обмена энергией с питающей сетью, а также высококачественного электропривода без датчиков;

–   улучшенными показателями регулирования скорости (быстродействием, диапазоном);

–   улучшенными массогабаритными и энергетическими характеристиками;

–   более высокими показателями надежности, достигнутыми за счет повышения степени интеграции и показателей надежности отдельных компонентов;

–   широким набором входных и выходных сигналов;

–   существенно расширенными функциями интерфейса и повышением производительности интерфейсных каналов;

–   введением развитых функций программирования пользователем для решения разнообразных технологических задач;

Среди новых режимов и возможностей отметим следующие:

–   режим адаптации к изменению активных сопротивлений двигателя, обеспечивающий инвариантность характеристик привода к температурным изменениям сопротивлений статора и ротора;

–   автоматическая настройка электропривода на заданные динамические характеристики (время регулирования, полоса пропускания контура скорости, вид переходного процесса) с возможностью оптимальной настройки по Баттерворту и на монотонный процесс, соответствующей биномиальному распределению корней характеристического полинома контура скорости; возможность последующей точной подстройки в ручном режиме с помощью тестовых входных сигналов и настроечных рекомендаций;

–   расширение числа параметров привода, определяемых в результате процедуры автонастройки, и повышение ее точности; в результате выполнения автонастройки асинхронного электропривода определяются активные сопротивления статора и ротора, индуктивность рассеяния и взаимная индуктивность, момент инерции, по которым производится расчет базовых значений всех параметров и коэффициентов системы управления электроприводом при заданных показателях качества регулирования;

–   реализация программно-структурной системы управления, позволяющей работать в замкнутом контуре регулирование скорости или момента; полный минимальный цикл расчета контура скорости 100 мкс, контура момента 50 мкс;

–   алгоритм автоматической фазировки датчика скорости/поло-жения исключает необходимость переключений при согласовании выходных сигналов с направлением вращения;

–   наличие двух встроенных коммуникационных портов (//7-232/485 и CAN) при поддержке стандартных протоколов связи (MODBUS и ΟΛ’-Open) позволяет встраивать электроприводы в локальные информационно-управляющие сети, АСУ

ТП и другие сложные системы, не требуя при этом затрат времени на освоение специфичных средств коммуникации;

–   четыре независимых набора параметров могут активизироваться аппаратно или программно для различных способов применения и при изменениях внешних условий работы объекта управления;

–   программируемая частота модуляции (2…20 кГц) позволяет для любых применений находить оптимальное соотношение между шумами, вибрациями двигателя и дополнительными потерями в системе «преобразователь – двигатель»;

–   широкий набор аналоговых и цифровых входов-выходов с возможностью их перепрограммирования и наращивания путем подключения дополнительных модулей;

–   пульт ручного управления выполняется встроенным в корпус преобразователя или съемным (для установки на дверце шкафа или пульте оператора);

–   различные исполнения интерфейсной платы обеспечивают подключение датчиков скорости-положения с различными типами сигналов: импульсных, синуснокосинусных, резольверов.

В качестве дополнительных опций могут подключаться:

–   режим адаптации к изменению параметров механической части привода, обеспечивающий инвариантность характеристик привода к изменению момента инерции и момента нагрузки;

–   компенсация динамических неидеальностей силовых ключей преобразователей энергии (задержек включения и выключения), обеспечивающая минимизацию влияния этих эффектов на характеристики электропривода, в особенности на малых скоростях и при высоких частотах модуляции;

–   режим повышенного энергосбережения, обеспечивающий минимизацию потребляемой приводом энергии при случайном характере изменения нагрузки;

–   режим торможения постоянным током, обеспечивающий фиксацию вала на нулевой скорости и эффективное торможение без отвода энергии в звено постоянного напряжения;

–   режим «самоподхвата» привода на заранее неизвестной скорости, который реализует автоматический поиск уровня скорости и плавное вхождение в работу при включении привода с вращающимся валом двигателя; режим актуален, в частности, в электроприводах с большими моментами инерции при повторном включении в работу после кратковременного пропадания напряжения питания;

–   режим программирования и настройки электропривода с помощью персонального компьютера;

–   режим позиционирования вала;

–   возможность обновления программного обеспечения преобразователей самим пользователем без демонтажа оборудования;

–   программные макросы, которые предназначены для встраивания электропривода в специфические технологические процессы (управление многонасосной станцией, станцией управления лифтами, управление механизмами с упругой механикой, управление натяжением намоточных механизмов, многосвязный, многодвигательный электропривод с согласованием по скорости, моменту или угловому положению и другие применения по спецификации заказчика);

–   режим предельной перегрузочной способности привода, позволяющий существенно повысить перегрузочную способность преобразователя по току в пределах

того же типоразмера за счет подключения тепловой модели элементов IGBT- модуля.

Серия ЭПВ включает в себя следующие исполнения:

–   асинхронный электропривод без датчиков мощностью 3… 110 кВт, предназначенный для механизмов с диапазоном регулирования скорости до 50, не предъявляющих повышенных требований к быстродействию и точности регулирования скорости;

–   преобразователи частоты мощностью 1… 55 кВт с адаптивно-векторным управлением для высокоэффективных широкодиапазонных асинхронных и синхронных электроприводов, предназначенных для механизмов с повышенными требованиями к статическим и динамическим характеристикам (приводы главного движения и подач металлорежущих станков с диапазоном регулирования скорости от 1000 до 100 000 и полосой пропускания контура скорости до 100 Гц и более);

–   векторный асинхронный и синхронный электроприводы без датчика на валу двигателя, обеспечивающие высокие динамические характеристики в диапазоне регулирования скорости 100; предназначены для механизмов, предъявляющих повышенные требования к динамике, у которых вследствие технологических особенностей установка датчика на вал двигателя не предусматривается (экструдеры, дробилки и другие механизмы химической и горнорудной промышленности, тяговые электроприводы транспортных средств);

–   рекуперативный выпрямитель мощностью 15… 55 кВт с векторной системой управления, предназначенный для применения в преобразователях со звеном постоянного напряжения, реализующий функцию свободного двунаправленного обмена энергий между питающей сетью и нагрузкой с высокими энергетическими характеристиками и показателями электромагнитной совместимости; характеризуются синусоидальным сетевым током и регулируемым коэффициентом мощности, который может устанавливаться равным 1, а также «опережающим» или «отстающим»; область применения – электропривод механизмов, значительное время работающих в тормозных режимах: подъемно-транспортные механизмы, станки, работающие в режимах частых циклов разгон-торможение, механизмы с большими моментами инерции.

Основные характеристики преобразователей частоты серии ЭПВ

Мощность, кВт ………………………………………………………………  1… 110

Напряжение питания, В…………………………………………….. 380        +10/-15%

Рабочий диапазон частот, Гц ………………………………………………..  0…400

Частота модуляции, кГц ………………………………………………………..  2… 20

Допустимая перегрузка по току …………………. λ/ =1,5 в течение 30 с

с типовым двигателем …………………….. λ/   = 2      в течение 5 с

Диапазон регулирования скорости электропривода:

с датчиком скорости …………………………………………………  >10 000

без датчика скорости ………………………………………………………….  >50

Управление………………………………………………………………………………. адаптивно-векторное

Входы изолированные:

аналоговые …                                      2   (4… 20мА), 2(± 10 В)

цифровые …                       12    свободно программируемых

вход …                                         терморезистора двигателя

вход …                                                 импульсивного   датчика

скорости-положение               с дублированием сигнала.

Выходы изолированные программируемые:

2 канала                                                                                    ЦАП

2 канала …                                                                 импульсных

4 канала …                                  . логических транзисторных

2 канала …                                                                      релейных

Коммуникационные порты:

7/5232/485 (протокол MOD BUS) (изолированные)

CAN (протокол CATV-Open).

Взаимосвязь основных функциональных узлов электропривода показана на функциональной схеме рис. 5.10.

Рис 5 10. Функциональная схема

Рис. 5.10. Функциональная схема электропривода (продолжение)

Силовой модуль предназначен для преобразования сетевого напряжения постоянной частоты в переменное по амплитуде и частоте напряжения питания исполнительного двигателя.

Силовой модуль включает следующие основные элементы:

–   трехфазный мостовой выпрямитель (выпрямитель) с варисторным ограничителем перенапряжения и помехоподавляющим фильтром на входе;

–   трехфазный мостовой выпрямитель (выпрямитель) с варисторным ограничителем перенапряжения и помехоподавляющим фильтром на входе;

–   емкостный фильтр звена постоянного напряжения (фильтр);

–   трехфазный мостовой /(77/У-инвентор;

–   узел сбора энергии торможения (УСЭ), состоящий из транзисторного IGBT- чоппера и внешнего балластного резистора;

–   драйвер силовых ключей, обеспечивающий управление затворами IGBT, формирование сигналов защит и гальваническую развязку силовых и управляющих цепей;

–   вентилятор, управляемый в функции сигнала температуры силового модуля;

узел подзаряда емкости фильтра, обеспечивающий ограничение тока заряда и плавное нарастание напряжения на конденсаторах.

Система датчиков формирует нормированные сигналы обратных связей с гальванической развязкой силовых и управляющих цепей и включает:

–   датчик напряжения VD, состоящий из резистивного делителя и изолирующего усилителя с оптронной развязкой, установленный в звене постоянного напряжения;

–   датчик тока CD1, С 1)2, установленный в двух выходных фазах инвертора;

–   датчик температуры силового блока, состоящий из /V/0-резистора, установленного в силовом модуле, и изолирующего усилителя (в преобразователях с выходным током 50 А и более датчики имеются в каждом из силовых модулей инвертора и выпрямителя);

–   терморезистор защиты двигателя (/^/( -резистор) со схемой компаратора и оп- тронной развязкой;

–   инкрементальный датчик угловых перемещений, установленный на валу исполнительного двигателя.

Блок питания цепей управления преобразовывает выпрямленное сетевое напряжение в стабилизированное напряжение +5 В для питания цифровой части системы управления, ± 5 В – для питания аналоговой части системы управления, +12 В – для питания вентиляторов, изолированный источник +24 В – для питания драйвера.

Система управления состоит из микропроцессорного ядра, интерфейсного модуля и пульта ручного управления. Процессорное ядро образовано двумя 16- разрядными микроконтроллерами. Служебный контроллер (Host controller FUJITSU MB90F598) выполняет загрузку программ, обслуживание пульта ручного управления, коммуникационных портов, входных и выходных сигналов интерфейса, взаимодействует с контроллером управления двигателем (Motor controller ADMC401), выполненный на базе DSP, обрабатывает сигналы системы датчиков, выполняет алгоритмы расчета регуляторов, управляет силовым модулем и обслуживает «быстрые» защиты электропривода. Интерфейсный модуль включает набор средств взаимодействия с внешними управляющими устройствами. Он состоит из аналогового интерфейса, цифрового интерфейса, таймера реального времени и интерфейса датчика скорости/положения. Пульт ручного управления позволяет выполнить процедуры просмотра, редактирования параметров электропривода, запуска и контроля режимов его работы. В исполнениях с выносным пультом управления диагностика состояния электропривода дополнительно выполняется с помощью светодиодного индикатора на лицевой панели блока. На упрощенной структурной схеме системы управления асинхронным электроприводом с датчиком скорости/положения (рис. 5.11) показаны основные реализованные программно блоки с параметрами, доступными для просмотра и редактирования с помощью пульта ручного управления или по каналу связи с внешним управляющим устройством.

Система адаптивно-векторного управления приводом синтезирована на основе уравнений динамики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, записанных относительно тока статора и потокосцепления ротора в синхронной ортогональной системе координат (<2, q), ориентированной по вектору потокосцепления ротора. Это позволяет раздельно управлять потокосцеплением и электромагнитным моментом двигателя в каналах регулирования реактивной (Ц) и активной (Iq) составляющих тока статора. Структура, параметры и алгоритм работы регуляторов тока статора, скорости и противоЭДС синтезированы на основе принципов подчиненного регулирования с учетом дискретного характера процессов, с компенсацией влияния перекрестных связей и структурной линеаризацией контуров регулирования (рис. 5.12). Регулятор скорости получает напряжение задания по скорости <х>зад, которое обрабатывается задатчиком интенсивности, обеспечивая необходимую диаграмму развития скорости и оценивая информацию о реальной скорости ω, формирует задание активной составляющей тока статора. Параметром ОСС – ВКЛ/ВЫКЛ контур обратной связи по скорости может быть разомкнут и привод переводится в режим отработки задания по моменту.

Рис. 5.12 Структурные схемы: а – задатчика интенсивности и регулятора скорости, 6 – регулятора тока; в — регулятора противоЭДС, г — регулятора 71.

Регулятор противоЭДС осуществляет формирование задания реактивной составляющей тока статора при работе привода в условиях ослабления поля при скорости двигателя, превышающей номинальную. В первой зоне регулирования скорости (вниз от номинальной) регулятор противоЭДС находится в насыщении: Gz = Л/ном = const (где //„ом = ψ/ίποΝί/ Lm; \|//ί„οΜ – номинальное значение потокосцепления ротора). При отсутствии необходимого запаса по напряжению, создающего ресурс управления во второй зоне регулирования скорости, контур регулирования ЭДС заменяется контуром регулирования напряжения статора. На выходе регулятора тока формируется задание вектора напряжения статора. Вычислитель напряжения, используя информацию от датчика напряжения Udc в звене постоянного тока, определяет модуль задания вектора напряжения статора двигателя, реализует функции ограничения его максимального значения и компенсации запаздывания, вносимого системой управления. Регулятор постоянной времени роторной цепи (регулятор Тг) производит адаптацию к температурным изменениям активного сопротивления ротора двигателя, происходящим в процессе работы электропривода. Вектор потокосцепления ротора, его модуль ψ^, угловое положение и мгновенная частота вращения ωψ вычисляются на основе информации о скорости ω, положении ротора Θ и проекций вектора тока статора на оси d и q. Преобразователь координат 2 (ABC — dq) выполняет преобразование фазных токов статора из естественной трехфазной системы координат (А, В, С) в ортогональную синхронную систему координат (dq). Преобразователь координат 1 трансформирует вектор задания напряжения статора из синхронной системы координат в естественную (dq — ABC). Векторный модулятор вырабатывает из этого напряжения импульсы управления ключами / СВ У – и н вертора, используя метод пространственно-векторного формирования напряжения, и реализует алгоритм компенсации ошибок, связанных с неидеальностью ключей инвертора. Блок компенсации перекрестных связей формирует сигналы, компенсирующие влияние перекрестных связей на процессы в контурах регулирования составляющих вектора тока статора. Для управления узлом поглащения энергии торможения электропривода показания датчика напряжения на конденсаторах фильтра Udc сравниваются с его пороговым значением. При этом оценивается знак активной составляющей вектора тока статора Iq . Таким образом, сигнал на подключение резистора, на котором рассеивается энергия торможения, формируется только тогда, когда двигатель работает в генераторном режиме.

Преобразователи надежно работают в условиях существенных отклонений параметров качества питающего напряжения (форма, колебание, перекосы, импульсные помехи и прочее), не требуя при этом обязательной установки дополнительных дорогостоящих фильтров. Однако там, где эти фильтры действительно необходимы по условиям электромагнитной совместимости оборудования, например, при большой длине соединительного кабеля между преобразователем и двигателем, электроприводы комплектуются фильтрами. Подбор фильтров осуществляется в зависимости от частоты модуляции, типа, длины и способа укладки кабеля. В составе комплектного электропривода преобразователи поставляются совместно с электродвигателями специального исполнения. По спецификации заказчика электродвигатели оснащаются независимой системой охлаждения различными типами датчиков углового положения ротора, пристроенным электромагнитным тормозом.

Определенные недостатки автономного инвертора тока (перенапряжения на его выходе, обусловленные активно-индуктивным характером нагрузки и высокой скоростью изменения тока; необходимость ограничения перенапряжений заставляет увеличивать время коммутации тиристоров, а это в свою очередь ограничивает максимальное значение частоты напряжения на выходе инвертора (до 100 Гц); потери в двигателе от высших гармоник при его питании от автономного инвертора тока существенно больше (примерно в 2 раза при номинальном моменте на валу), чем в случае питания от инвертора напряжения) не позволили его применять в полиграфическом оборудовании.

Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты