Розділ 4: практична реалізація систем векторного керування

Розробимо функціональну схему асинхронного електроприводу, визначимо елементи з яких вона буде складатися.

Типова функціональна схема сучасного електроприводу змінного струму, побудованого на основі перетворювача частоти з ланкою постійного струму показана на першому аркуші А1. Як видно з рисунку, основу асинхронного електроприводу складає перетворювач частоти, який поєднує в собі перетворювальний та керуючий пристрій з класичного визначення електроприводу. З цієї причини, досить часто перетворювачі частоти називають електроприводами, хоча в загальному випадку це некоректно.

Стандартно перетворювач розділяють на дві основні складові: силова частина, до якої входять вхідний фільтр, некерований випрямляч, зарядне коло, ємність фільтру випрямляча, клампер, датчик напруги ланки постійного струму, інвертор, датчики вихідного струму, схеми драйверів та гальванічної розв’язки сигналів керування ключами інвертора і клампера, блок живлення; керуючий контроллер, до якого входять власне цифровий контроллер, який, як правило, базується на цифровому сигнальному процесорі, та схеми узгодження сигналів.

Розглянемо більш детально призначення основних модулів та елементів показаних на рисунку.

Фільтр – як правило складається з двох основних складових: варисторів для запобігання перенапругам в ланці постійного струму внаслідок сплесків напруги мережі живлення, та фільтру радіоперешкод, який запобігає розповсюдженню в мережу живлення високочастотних перешкод, які виникають при комутації ключів інвертора.

Випрямляч – перетворює змінну напругу мережі живлення в постійну напругу ланки постійного струму Udc.

Ємність С – фільтр, призначений для згладжування випрямленої напруги на виході випрямляча.

Зарядне коло (резистор Rз та реле К1) – забезпечують плавний заряд ємності фільтру випрямляча С при подачі живлення на перетворювач. Після закінчення заряду контакт реле К1.1 замикається.

Клампер – призначений для стабілізації напруги в ланці постійного струму при генераторних режимах роботи двигуна, які супроводжуються рекуперацією енергії в ланку постійного струму.

Датчик напруги – призначений для передачі в керуючий контроллер інформації про напругу ланки постійного струму Udc, де вона використовується для забезпечення захисних функцій, контролю заряду ємності фільтру випрямляча, а також для генерування імпульсів керування ключами інвертора по законам широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).

Інвертор – перетворює постійну напругу ланки постійного струму у задану трифазну напругу на виході перетворювача, результуючий вектор якої (усереднений на періоді ШІМ) має заданий модуль, частоту та кутове положення.

Датчики струму ДС1, ДС2 – призначені для передачі в керуючий

контроллер інформації про фазні струми двигуна, де вона використовується для організації захисних функцій інвертора та двигуна, а також для організації зворотних зв’язків в системах векторного керування.

Датчик швидкості – призначений для вимірювання контролером кутової швидкості (положення) з метою організації зворотних зв’язків та захисних функцій.

Драйвери – перетворюють параметри імпульсів керування силовими ключами, які надходять від контроллера, з метою забезпечення надійного відкриття та запирання IGBT ключів. Фактично драйвери можна розглядати як підсилювачі сигналів. Досить часто драйвери додатково забезпечують захист від струмів короткого замикання інвертора.

Опторозв’язка – забезпечує гальванічну розв’язка дискретних сигналів керування з метою підвищення завадозахищеності керуючого контроллера, а також для запобігання виходу його з ладу при аварійних режимах в силовій частині. Виконується за допомогою оптопар, або оптоволоконних ліній зв’язку у перетворювачах великої потужності.

Керуючий контроллер – виконує всі функції автоматизації перетворювача, отримання завдання на регульовані координати, розраховує алгоритм керування двигуном, генерує імпульси керування ключами, реалізує захисні функції, здійснює комунікації з системами верхнього рівня.

Схеми узгодження рівнів сигналів та фільтрації – необхідна для приведення рівнів сигналів, які отримуються від датчиків струму та напруги до рівнів допустимої вхідної напруги аналого-цифрового перетворювача керуючого контроллера. Фільтрація може застосовуватися для підвищення завадостійкості системи керування.

Інтерфейс датчика швидкості – дозволяє підключати до контроллера фото імпульсні датчики з різними типами апаратних інтерфейсів. Як правило містить гальванічну розв’язку.

Блок живлення – пристрій який забезпечує живлення власних потреб перетворювача: живлення контроллера, драйверів, зовнішні +10 В та +24 В, живлення датчиків та ін. В сучасних перетворювачах вхідна напруга для блоку живлення власних потреб береться від ланки постійного струму, що забезпечує безпечну зупинку системи при зникненні напруги мережі живлення.

Зовнішні термінали – служать для підключення до перетворювача дискретних входів/виходів (наприклад сигналів керування перетворювачем «Пуск», «Стоп», «Реверс», інших), аналогових входів/виходів (наприклад завдання швидкості, зворотного зв’язку за технологічним параметром та інших).

Панель оператора – призначена для налаштування параметрів системи, подачі команд перетворювача та завдання на регульовану величину в ручному режимі, спостереження за контрольними величинами та діагностики.

Додаткові входи виходи – призначені для керування додатковими системами, наприклад для включення вентиляторів системи охолодження, контролю спрацювання зарядного реле та ін.

Для заданого АД розрахуємо параметри силової частини перетворювача. Вихідні дані для розрахунку параметрів зведені до таблиці 4.

 

Таблиця 4. Паспортні дані двигуна 4A90L6У3

Номінальна потужність
Номінальна лінійна напруга статора
Число пар полюсів
Момент інерції
Коефіцієнт корисної дії
Коефіцієнт потужності
Номінальне ковзання
Номінальна частота напруги статора

 

Номінальна фазна напруга

В.

Номінальне діюче значення фазного струму статора

А

Амплітудні значення фазної напруги і струму статора

В.

А

Прийнявши перевантажувальну здатність для привода вентилятора

, розрахуємо максимальний струм на виході перетворювача

А.

При живленні перетворювача від трифазної мережі живлення

В, напруга в ланці постійного струму при ідеальній фільтрації буде приблизно рівною

В.

При виборі IGBT для автономних інверторів напруги їх максимально-допустима напруга колектор-емітер має бути мінімум в1.5 раз ів вищою, ніж

максимальна напруга в ланці постійного струму, тобто

В.

Максимальна напруга в ланці постійного струму сучасних

перетворювачів визначається допустимою напругою встановлених

електролітичних конденсаторів фільтру, і складає приблизно 750 В для

перетворювачів з трифазним живленням 380В та 375В і перетворювачів з однофазним живленням 220В.

Таким чином

В.

Вибираємо по каталогу [4] IGBT модуль типу FP10R12W1T4 з параметрами

В,

А.

Ємність випрямляча визначається за формулою

де коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги, який для перетворювачів

частоти вибирають в діапазоні =0.02… 0.05, m – число фаз випрямляча, f – частота напруги мережі живлення, – еквівалентний опір навантаження

ланки постійного струму.

Для визначення розрахуємо значення струму ланки постійного струму

з врахуванням перевантаження

A,

де =0.95… 0.97 – коефіцієнт корисної дії інвертора напруги.

Тоді еквівалентний опір навантаження розраховується як

Ом

Розрахункове значення ємності фільтра для =0.04 буде дорівнювати

мкФ.

Вибираємо по каталогу [6] конденсатор типу B43541A7277M062 ємністю C=270 мкФ та максимальною напругою 550 В. При цьому сумарна ємність буде

мкФ.

Вибір датчиків струму здійснюють за максимальний струмом, який

необхідно вимірювати, тобто щоб вимірюваний діапазон датчика був більшим від максимально допустимого струму в системі. Для вимірювання струмів на виході перетворювача для вибору використовують значення максимального струму(4.1).

Якщо для керування координатами двигуна використовуються методи,

які не потребують організації зворотних зв’язків за струмом, а вимірювання

струму здійснюється лише для захисту системи, то для здешевлення

перетворювача датчики на виході інвертора можна не встановлювати і

обмежитися лише датчиком струму в ланці постійного струму.

Вибір датчика струму може бути здійснений на сайті[1]. Оскільки в

розглянутому прикладі достатньо обмежитися датчиком струму в ланці

постійного струму, то по розрахованому значенню вибираємо датчик типу HY 5-P, номінальний струм якого складає 5А, діапазон вимірювання 15А.

Канал вимірювання напруги ланки постійного струму може бути

побудований з використанням датчика типуLV-25NP [1].

В документації на датчик вказано, що максимальний струм первинного

кола Ipmax=15мА. Тому значення опору резистора R1 дорівнює:

Ом.

Зі стандартного ряду резисторів вибираємоR1=56 кОм

Висновки

У даному курсовому проекті зроблено розрахунок параметрів асинхронного двигуна, отримано динамічні характеристики методом математичного моделювання, для режимів номінального навантаження. Використаний алгоритм керування дозволяє відпрацьовувати задану швидкість без статичної похибки. Спостерігалася незначна динамічна похибка при розгоні та накидані моменту навантаження. Також був зроблений тест при роботі на нульовій заданій швидкості, даний алгоритм векторного керування дозволив відпрацьовувати заданий момент навантаження при номінальному струмі. Зняті динамічні та енергетичні характеристики при варіаціях активного роторного опору, з яких видно, що при збільшенні активного опору роторного кола збільшується активна потужність. Похибки відпрацювання кутової швидкості та потокозчеплення в момент накидання моменту навантаження мають стрибкоподібний характер, та величина цих похибок збільшується. Потокозчеплення при накиданні моменту навантаження не перевищує задане значення. Похибка відпрацювання кутової швидкості не змінюється. Розроблено функціональну схему асинхронного електроприводу, з використанням сучасних елементів та датчиків.

Реалізація алгоритмів векторного керування зараз дуже актуальна, дозволяє підвищити точність регулювання, та розширити діапазон регулювання. В багатьох розвинених країнах цей метод керування є домінуючим. Найбільш вагомий внесок у розробку теорії та алгоритмів векторного керування АД внесли F. Blaschke, P. Vas, D.W. Novatny, Т.A. Lipo, K. Rajashekara, K. Matsuse, Z. Krzeminski; в Россії – Д.Б. Ізосимов, В.І. Уткін; в Україні – С.М. Пересада.