Особенности управления ключами инвертора частотно-регулируемого привода в зоне низких скоростей

Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Погорелов И.В. (Ростов-на-Дону)

Алгоритм управления ключами силового преобразователя определяет ряд важнейших как входных, так и выходных параметров преобразования электрической энергии, в частности, качество выходного напряжения автономного инвертора (АИН) частотно-регулируемого электропривода мехатронной системы (МС). При этом доминирующее значение имеет не только фактор обеспечения высокого КПД, хорошего гармонического состава формируемого выходного напряжения для питания асинхронного двигателя (АД), но и определенность поведения в целом АИН как звена замкнутой системы автоматического управления (САУ) частотно-регулируемого привода.

На рис.1 приведена упрощенная схема трехфазного АИН с ключевыми элементами , модулятором , фильтром C и управляемым источником питания (УИП).

Рис. 1. Схема трехфазного АИН

Если для рассматриваемой схемы принять: - переключающая коммутационная функция, =1 (ключ замкнут), =0 (ключ разомкнут), то возможные симплексные алгоритмы переключения /1,2/ могут быть реализованы в процессе формирования выходных напряжений инвертора по фазам АД, с сопротивлениями , а также линейных напряжений (), когда нейтральная точка 0 инвертора изолирована. Тогда упрощенное описание управления схемой можно представить в виде логических уравнений:

(1)

Состояние ключей в процессе формирования выходных напряжений недопустимо, когда

(2)

Расширенное описание управления ключами по (1) может обеспечивать и параллельное подключение двух фаз работающего АД последовательно с третьей, две другие фазы АД изменяют состояние по отношению только к шинам питания , т.е.

(3)

Подключение АИН к управляемому источнику питания УИП с выходными напряжением обеспечивает амплитудное регулирование трехфазного напряжения на АД для реализации оптимального управления /3,4/ по моменту на валу и повышения комбинационных возможностей схемы при подключении нагрузки на регулируемое напряжение разных уровней. Временная модуляция работы ключей с дополнительным прерыванием ключом тока источника питания АИН по целесообразному алгоритму на полупериоде формируемого синусоидального напряжения позволяет снизить содержание высших гармонических составляющих и приблизить преобразование выходного напряжения к идеальному случаю при изменении частоты от 10 Гц до 0,1 Гц. При этом нежелательные пульсации вращающего момента, скорости АД могут быть значительно снижены, поскольку упрощается поддержание электромагнитного момента () АД частотно-регулируемого привода в соответствии с уравнением /3/

(4)

где - число пар полюсов АД, - коэффициент рассеяния, - индуктивность контура намагничивания , , - векторы потока статора и ротора соответственно.

Для управления моментом вектор потока задается, исходя из уравнения

(5)

где , - векторы напряжения и тока статора АД соответственно, - омическое сопротивление обмотки статора.

Поскольку формирование вектора магнитного потока осуществляется выходным напряжением АИН, а вектор определяется уровнями напряжения звена постоянного тока и алгоритмами функционирования ключей за период коммутации выходного напряжения, то для реализации синусоидального закона формируемого напряжения фаз АД требование минимизации числа переключений ключей , за период сформированного напряжения является существенным, особенно в зонах пониженных частот 0,1-10 Гц. Требование к синусоидальности выходного напряжения инвертора при низких частотах формируемого синусоидального напряжения на обмотках статора АД обуславливает как изменение алгоритмов функционирования ключей , , а также дополнительное деление полупериода синусоидального напряжения на временные отрезки для вычисления потока статора , интервала расчета и времени снятия информации.

При управлении вектором потока значение последнего можно представить в виде

(6)

где - векторы токов статора и ротора, соответственно приведенных на диаграмме (рис. 2);

- индуктивность статора и контура намагничивания.

Известно /5/, что разложение вектора тока статора по осям () на составляющие позволяет инструментально контролировать токи фаз статора согласно выражениям (7)

(7)

где - мгновенные значения токов фаз статора АД.

Рис. 2. Векторная диаграмма составляющих главного потокосцепления асинхронного двигателя. 1,2 - подвижные оси, вращающиеся относительно неподвижной системы координат ()

Одновременно составляющие (намагничивающая составляющая тока статора) и (тока ротора) определяют модуль главного потокосцепления . Графически показано (рис. 2), что составляющая размагничивает систему и для установления режима работы АД, когда [по выражению (4)] необходимо учитывать значение составляющей тока , так как . Намагничивающая составляющая тока статора определяет значение модуля потокосцепления статора , а величину электромагнитного момента - составляющая тока . С ростом нагрузки составляющая тока увеличивается, что сопровождается изменением угла и вектора электромагнитного момента по (4). Введение независимого задания вектора потока статора АД за счет дополнительного регулирования напряжения совместно с работой ключей , с различными законами переключения (ШИМ и ШИР) позволяет изменять в заданном диапазоне и поддерживать значение электромагнитного момента в соответствии с технологической необходимостью. Значение тока ротора может быть рассчитано в соответствии с (6) или графических построений векторов диаграммы приведенных составляющих токов как в /5/ с учетом изменений угла . При формировании низкочастотного тока статора АД с использованием различных алгоритмов переключения ключевых элементов АИН необходимо также учитывать постоянную времени заряда-разряда конденсатора фильтра С контура питания инвертора. Таким образом, для обеспечения минимальных пульсаций момента и скорости АД частотно-регулируемого привода МС (в частности, промышленного робота повторно-кратковременного режима работы) в зоне низких скоростей алгоритмы переключения ключей инвертора значительно усложняются, а задача управления в целом может быть решена только с применением специальных вычислительных устройств.

Литература

1. Рывкин С.Е., Изосимов Д.Б. Широтно-импульсная модуляция напряжения трехфазных автономных инверторов. - Электричество, 1997. - №6.

2. Баховцев И.А., Зиновьев Г.С. О синтезе алгоритмов управления для АИН с ШИМ // Тиристорные преобразователи. - Новосибирск: НЭТИ. 1985. С. 23-34.

3. Дацковский Л.Х., Роговой В.И., Абрамов Б.И., Моцхейн Б.И., Жижин С.П. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор). - Электротехника, 1996. - №10. - С. 18-28.

4. Петров Ю.П. Оптимальное управление электропрводом с учетом ограничений по нагреву. - Л. Энергия, 1971.

5. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л. Энергоатомиздат, 1987.