Энергосберегающий электропривод систем автоматизации
.pdfтуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя.
Принцип векторного управления
Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.
В общем случае под векторным управлением понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым пространственным вектором, который вращается с частотой поля двигателя.
Математический аппарат векторного управления
Для асинхронных и синхронных двигателей (АД и СД) принцип векторногоуправленияможно сформулироватьследующимобразом.
Необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси x, y направляют так, что ось x совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях x, y. Составляющая напряжения по оси x регулирует величину тока статора по оси x.
Изменяя ток статора по оси x, следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси y, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент, развиваемый двигателем. В таком режиме работы СД и АД подобны двигателю постоянного тока. Так, по оси x формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока), а ток по оси y задает момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока).
50
Векторное управление может быть реализовано не только при определении направления и углового положения вектора потокосцепления ротора (система «Transvektor»). Практический интерес представляют аналогичные устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, которые в нашей стране стали именоваться векторными системами. Указанные устройства управления имеют свои особенности. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.
Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который в любой момент времени может обеспечить требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Изменение амплитуды и положения вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат, позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).
Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе. В соответствии с этим имеются системы координат, связанные со статором, ротором и полем.
Варианты режимов работы векторного управления
Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.
51
Точность математической модели электродвигателя
В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности математической модели (ММ) электродвигателя, используемой
взвене управления:
–использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем);
–использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (т. е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения
итока двигателя).
Конструкция лабораторного стенда
Лабораторный стенд представляет собой установку для изучения автоматизированного привода асинхронного двигателя на базе преобразователя частоты FR-A700.
Лабораторный стенд состоит из следующих основных элементов
(рис. 3.1):
1 – трехфазный асинхронный двигатель;
2 – преобразователь частоты FR-A700 со встроенным пультом управления;
3 – энкодер, датчик ОС по положению (подробное описание которого дано в лабораторных работах по изучению сервоприводов);
4, 5 – дискретные и аналоговые выходы соответственно; 6, 7 – дискретные и аналоговые входы соответственно; 8 – аварийный стоп; 9 – концевой выключатель защитного кожуха.
Энкодер установлен на вал двигателя и необходим для режима векторного управления.
Для имитации срабатывания входов частотного преобразователя в стенде предусмотрены переключатели SA1–SA12, которые подсоединены непосредственно ко входам преобразователя частоты. Включение переключателя эквивалентно подаче на соответствующий вход напряжения (вход).
52
Рис. 3.1. Принципиальная схема подключения ПЧ в лабораторном стенде
Задание частоты вращения с аналоговых входов осуществляется подключением потенциометров R1 и R2, которые подают на входы ток или напряжение (в зависимости от положения переключателя
SA11–вход AU).
53
Для контроля состояния привода к дискретным выходам (табл. 3.1) подключены лампы индикации HL1–HL5.
|
|
|
|
|
Таблица 3.1 |
||
|
Входные и выходные сигналы ПЧ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Страница |
|
|
Обозначе- |
|
|
|
|
руковод- |
|
Клемма |
Описание |
Данные |
ства по |
|
|||
|
ние |
|
|
|
|
эксплуа- |
|
|
|
|
|
|
|
тации |
|
1 |
2 |
3 |
|
|
4 |
5 |
|
STF |
Пусковой |
Если на клемме |
|
Еслиодно- |
Входное сопро- |
6-286 |
|
|
сигнал для |
STF имеется сиг- |
|
временно |
тивление4,7 кОм. |
|
|
|
правого |
нал, электродви- |
|
имеются |
Коммутируемое |
|
|
|
вращения |
гатель вращается |
|
сигналы |
напряжение: |
|
|
|
|
вправо |
|
STF иSTR, |
от21 до27 Впост. |
|
|
STR |
Пусковой |
Если на клемме |
|
выполняет- |
тока. Контакты |
6-286 |
|
|
сигнал для |
STF имеется сиг- |
|
сякоманда |
при коротком за- |
|
|
|
левоговра- |
нал, электродви- |
остановки |
мыкании: 4–6 мА |
|
|
|
|
щения |
гатель вращается |
|
|
пост. тока |
|
|
|
|
влево |
|
|
|
|
|
STOP |
Самопита- |
ЕслинаклеммеSTOP имеется |
|
6-286 |
|
||
|
ние пуско- |
сигнал, пусковыесигналыста- |
|
|
|
||
|
вого сиг- |
новятсянасамопитание, т. е. |
|
|
|
||
|
нала |
длязапускавтуилидругую |
|
|
|
||
|
|
сторонунужноподатьимпульс |
|
|
|
||
|
|
насоответствующийвход. |
|
|
|
||
|
|
Для того чтобы остановить |
|
|
|
||
|
|
двигатель, необходимо снять |
|
|
|
||
|
|
сигнал с клеммы STOP |
|
|
|
||
RH, |
Пред- |
КлеммызаданияскоростиПЧ. |
|
6-286 |
|
||
RM, RL |
уставка |
Каждойклеммесоответствует |
|
|
|
||
|
скорости |
своя заданная в параметре |
|
|
|
||
|
|
частота |
|
|
|
|
|
JOG |
Толчковое |
Толчковоевключениевыбира- |
|
6-286 |
|
||
|
включение |
етсясигналомнаклеммеJOG |
|
|
|
||
|
|
(заводская настройка). При |
|
|
|
||
|
|
этом направление вращения |
|
|
|
||
|
|
определяется пусковыми сиг- |
|
|
|
||
|
|
налами STF и STR |
|
|
|
|
|
|
Импульс- |
Клемму JOG можно исполь- |
Входное сопро- |
6-286 |
|
||
|
ный вход |
зовать в качестве импульсно- |
тивление 2 кОм. |
|
|
||
|
|
го входа. Для этого требуется |
Контакты при |
|
|
||
|
|
изменить значение параметра |
коротком замы- |
|
|
||
|
|
291. (Максимальная входная |
кании: 8–13 мА |
|
|
||
|
|
частота 100 кГц) |
|
пост. тока |
|
|
|
54
Продолжение табл. 3.1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
RT |
Второй на- |
Подав сигнал на клемму RT, |
Входное сопро- |
6-286 |
|
бор пара- |
можно выбрать второй набор |
тивление4,7 кОм. |
|
|
метров |
параметров |
Коммутируемое |
|
MRS |
Блокировка |
В результате включения сиг- |
напряжение: |
6-286 |
|
регулятора |
нала MRS (t ≥ 20 мс) активи- |
от21 до27 Впост. |
|
|
|
руется блокировка регулятора |
тока. Контакты |
|
|
|
и выход преобразователя |
при коротком за- |
|
|
|
отключается без учета време- |
мыкании: 4–6 мА |
|
|
Вход |
ни замедления |
пост. тока |
|
RES |
Сброс преобразователя после |
|
6-286 |
|
|
RESET |
срабатываниязащитнойфунк- |
|
|
|
|
ции осуществляется с помо- |
|
|
|
|
щью сигнала на клемме RES |
|
|
|
|
(t > 0,1 с). При заводской на- |
|
|
|
|
стройке сброс преобразовате- |
|
|
|
|
ля возможен в любое время. |
|
|
|
|
Спомощьюпараметра75 мож- |
|
|
|
|
ноустановить, долженлибыть |
|
|
|
|
сбросвозможнымтолькопос- |
|
|
|
|
лееесрабатываниязащитной |
|
|
|
|
функции. Процесссбросапосле |
|
|
|
|
отключениясигналаRESET |
|
|
|
Деблоки- |
длитьсяоколо1 с |
|
|
AU |
В результате включения сиг- |
|
6-369 |
|
|
ровка |
нала AU деблокируется клем- |
|
|
|
клеммы 4 |
ма 4. (Можно подавать сигнал |
|
|
|
|
заданного значения в виде |
|
|
|
|
0/4–20 мА.) Одновременно |
|
|
|
|
блокируется клемма 2 (потен- |
|
|
|
Вход для |
циальный вход) |
|
|
AU |
КлеммаAU служитвкачестве |
|
6-217 |
|
|
элемента |
входадлядатчикатемпературы |
|
|
|
сПТК |
сположительнымтемператур- |
|
|
|
|
нымкоэффициентомдлятеп- |
|
|
|
|
ловойзащитыдвигателя. Что- |
|
|
|
|
бы деблокировать вход для |
|
|
|
|
элемента с ПТК, переключа- |
|
|
|
|
тельAU/PTC долженбытьус- |
|
|
|
|
тановленнаPTC иклеммеAU |
|
|
|
|
должнобытьприсвоенафунк- |
|
|
|
|
цияPTC |
|
|
55
Продолжение табл. 3.1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
CS |
Автомати- |
Если на клемме CS имеется |
|
6-286 |
|
ческий пе- |
сигнал, топослеисчезновения |
|
|
|
резапуск |
сетевогонапряженияпреобра- |
|
|
|
послеис- |
зовательавтоматическипере- |
|
|
|
чезновения |
запускается. Еслитребуется |
|
|
|
сетевого |
использоватьэту функцию, не- |
|
|
|
напряже- |
обходимонастроитьпарамет- |
|
|
|
ния |
рыавтоматическогоперезапус- |
|
|
|
|
ка. Назаводе-изготовителе эта |
|
|
|
|
функциянеактивирована |
|
|
SD |
Общая |
Если выбрана отрицательная |
|
|
|
точкаопор- |
логика, определеннаяфункция |
|
|
|
ного потен- |
управления активируется пу- |
|
|
|
циала |
тем соединения соответству- |
|
|
|
|
ющей клеммы с клеммой SD. |
|
|
|
|
Клемма SD является оптораз- |
|
|
|
|
вязанной. Эта клемма изоли- |
|
|
|
|
рована от точки опорного по- |
|
|
|
|
тенциалааналоговогоконтура |
|
|
|
|
(клемма5). Общаяточкаопор- |
|
|
|
|
ного потенциала (0 В) для вы- |
|
|
|
|
хода 24 В пост. тока / 0,1 А |
|
|
|
|
(клемма «PC») |
|
|
PC |
Выход24 В |
Выход24 Впост. тока/ 0,1 А. |
Диапазон напря- |
3-25 |
|
пост. тока |
Приотрицательнойлогике, ес- |
жения питания |
|
|
иобщая |
лидляуправления преобразо- |
19,2–28,8 пост. |
|
|
точкаопор- |
вателемиспользуютсятранзи- |
тока. |
|
|
ного потен- |
сторыс открытым коллекто- |
Макс. вых. ток |
|
|
циаладля |
ром (например, выходы про- |
100 мА |
|
|
управляю- |
граммируемогоконтроллера), |
|
|
|
щихвходов |
положительныйполюсвнеш- |
|
|
|
приполо- |
негоисточниканапряжения |
|
|
|
жительной |
долженбытьсоединенсклем- |
|
|
|
логике |
мойPC. Приположительной |
|
|
|
|
логикеклеммаPC служитвка- |
|
|
|
|
чествеобщейточкиопорного |
|
|
|
|
потенциаладляуправляющих |
|
|
|
|
входов. Этоозначает, чтоесли |
|
|
|
|
выбранаположительнаялогика |
|
|
|
|
(стандартнаянастройкапри- |
|
|
|
|
боровсобозначениемEC), со- |
|
|
|
|
ответствующаяфункцияуправ- |
|
|
|
|
ленияактивируетсяпутемсо- |
|
|
|
|
единенияэтойклеммысклем- |
|
|
|
|
мойPC |
|
|
56
Продолжение табл. 3.1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
10Е(вы- |
Потенци- |
При заводской настройке по- |
10 В пост. тока |
6-369 |
ходное |
альныйвы- |
тенциометр следует подклю- |
±0,4 В, |
|
напряже- |
ходпод- |
чить к клемме 10. При под- |
макс. 10 мА |
|
ние10 В |
ключения |
ключении к клемме 10Е необ- |
|
|
пост. |
потенцио- |
ходимо изменить значение |
|
|
тока) |
метра |
параметра73 (см. раздел6.20.3 |
|
|
10 (вы- |
|
инструкции). Рекомендуемый |
5,2 В пост. тока |
6-369 |
ходное |
|
потенциометр: 1 кОм, 26 Вт, |
±0,2 В, |
|
напряже- |
|
линейный многооборотный |
макс. 10 мА |
|
ние 5 В |
|
потенциометр |
|
|
пост. |
|
|
|
|
тока) |
Вход для |
|
|
|
2 |
На клемму подается сигнал |
Потенциальный |
6-369 |
|
|
сигналаза- |
заданного значения 0–5 В |
вход: входное |
|
|
данного |
(0–10 или 0/4–20 мА). Диапа- |
сопротивление |
|
|
значения |
зоннапряженияпредваритель- |
10±1 кОм, макс. |
|
|
частоты |
но установлен на 0–5 В (пара- |
входноенапряже- |
|
|
(в виде на- |
метр73). Длявыборатокового |
ние 20 В пост. |
|
|
пряжения) |
входа выключатель «Токо- |
тока. Токовый |
|
|
|
вый/потенциальный вход» |
вход: входное |
|
|
|
установитьвположение«ON» |
сопротивление |
|
|
|
(«вкл.») (0/4–20 мА) |
245±5 кОм макс., |
|
|
Вход для |
|
входнойток30 мА |
|
4 |
На клемму подается сигнал |
|
6-369 |
|
|
сигналаза- |
заданногозначения0/4–20 мА |
|
|
|
данного |
пост. тока (0–5 В или 0–10 В). |
|
|
|
значения |
Этотвходдеблокировантолько |
|
|
|
частоты |
при наличии сигнала AU |
|
|
|
(в виде |
(вэтомслучаеклемма2 забло- |
|
|
|
тока) |
кирована). Переключениедиа- |
|
|
|
|
пазонов 0–20 мА (заводская |
|
|
|
|
настройка), 0–5 Впост. тока |
|
|
|
|
и 0–10 В пост. тока осуществ- |
|
|
|
|
ляетсяспомощьюпараметра |
|
|
|
|
267. Для выбора потенциаль- |
|
|
|
|
ного входа установить пере- |
|
|
|
|
ключатель «Токовый/потен- |
|
|
|
|
циальный вход» в положение |
|
|
|
|
«OFF» («выключено») (0–5 или |
|
|
|
|
0–10 В). Дляприсвоенияфунк- |
|
|
|
|
ции этой клемме используется |
|
|
|
|
параметр 858 (1) |
|
|
57
Продолжение табл. 3.1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
Дополни- |
На эту клемму можно подать |
Входное сопро- |
6-369 |
|
тельный |
дополнительный потенциаль- |
тивление |
|
|
вход для |
ный сигнал заданного значе- |
10±1 кОм, макс. |
|
|
сигнала |
ния 0…±5 (10) В пост. тока |
входноенапряже- |
|
|
задания |
Диапазон напряжения пред- |
ние±20 Впост. |
|
|
частоты |
варительно установлен на |
тока |
|
|
0 ±5 (10) В |
0…±10 В пост. тока (пара- |
|
|
|
пост. тока |
метр 73) |
|
|
5 |
Точка |
Клемма 5 представляет собой |
– |
6-369 |
|
опорного |
точку опорного потенциала |
|
|
|
потенциала |
(0 В) для всех аналоговых за- |
|
|
|
длясигна- |
данных значений, а также для |
|
|
|
лазадания |
аналоговых выходных сигна- |
|
|
|
частоты |
лов CA (ток) и АМ (напряже- |
|
|
|
ианалого- |
ние). Этаклеммаизолирована |
|
|
|
выхвходов |
от опорного потенциала циф- |
|
|
|
|
ровогоконтура(SD). Этуклем- |
|
|
|
|
му не следует заземлять. Если |
|
|
|
|
местныепредписаниятребуют |
|
|
|
|
заземлять точку опорного по- |
|
|
|
|
тенциала, то следует учиты- |
|
|
|
|
вать, что в результате этого |
|
|
|
|
вуправляющуюэлектронику |
|
|
|
|
проникаютвозможныепомехи |
|
|
|
|
потенциала земли, и поэтому |
|
|
|
|
может возрасти чувствитель- |
|
|
|
|
ность преобразователя к по- |
|
|
|
|
мехам |
|
|
A1, B1, |
Релейный |
Аварийная сигнализация вы- |
Мощность кон- |
6-298 |
C1 |
выход 1 |
водится через релейные кон- |
такта230 В/0,3 А |
|
|
(выход |
такты. При срабатывании за- |
перем. тока(коэф- |
|
|
аварийной |
щитной функции реле притя- |
фициент мощно- |
|
|
сигнали- |
гивает контакты |
сти 0,4) или |
|
|
зации) |
|
30 В/0,3 А пост. |
|
|
|
|
тока |
|
A2, B2, |
Релейный |
|
|
6-298 |
C2 |
выход 2 |
|
|
|
RUN |
Выходсиг- |
Этотвыходнаходитсявсосто- |
Допустимая на- |
6-298 |
|
наларабо- |
яниисквознойпроводимости, |
грузка24 Впост. |
|
|
тыдвига- |
есливыходнаячастотабольше |
тока, 0,1 А (мак- |
|
|
теля (вы- |
илиравнастартовойчастоте |
симальное паде- |
|
|
ход типа |
преобразователя. Есличастота |
ние напряжения |
|
|
«открытый |
невыдаетсяилидействуеттор- |
при включенном |
|
|
коллек- |
можениепостояннымтоком, |
сигнале состав- |
|
|
тор») |
этотвыходзаперт |
ляет 3,4 В) |
|
58
Продолжение табл. 3.1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
SU |
Сигналь- |
ВыходSU служитдляконтроля |
Выход кода сиг- |
6-298 |
|
ный выход |
заданногоифактического |
нализации(4 би- |
|
|
длясравне- |
значениячастоты. Этотвыход |
та), см. раздел |
|
|
ниязадан- |
переводитсявсостояниесквоз- |
6.17.2 инструк- |
|
|
ного ифак- |
нойпроводимости, кактолько |
ции |
|
|
тического |
фактическоезначение частоты |
|
|
|
значения |
(выходнаячастота преобразо- |
|
|
|
частоты |
вателя) достигает заданного |
|
|
|
(выходти- |
значения частоты (значения, |
|
|
|
па«откры- |
заданного сигналом задания |
|
|
|
тый кол- |
частоты) впределахпредвари- |
|
|
|
лектор») |
тельновыбранногополядопус- |
|
|
|
|
ка(пар. 41). Вовремяразгонаи |
|
|
|
Выходсиг- |
торможенияэтотвыходзаперт |
|
|
OL |
Выход OL активируется, если |
|
6-298 |
|
|
нализации |
начинает действовать ограни- |
|
|
|
оперегруз- |
чение регулятора на основе |
|
|
|
ке (выход |
ограничениятока(пар. 22) или |
|
|
|
типа «от- |
ограничение частоты враще- |
|
|
|
крытый |
ния при регулировании кру- |
|
|
|
коллек- |
тящего момента |
|
|
|
тор») |
|
|
|
IPF |
Сигналь- |
При кратковременном преры- |
Выход кода сиг- |
6-298 |
|
ный выход |
вании сетевого питания дли- |
нализации (4 би- |
|
|
кратковре- |
тельностью15 мс≤tIPF ≤100 мс |
та), см. раздел |
|
|
менного |
или при пониженном напря- |
6.17.2 инструк- |
|
|
исчезнове- |
жении этот выход переводит- |
ции |
|
|
ния сетево- |
ся в состояние сквозной про- |
|
|
|
гонапря- |
водимости |
|
|
|
жения(вы- |
|
|
|
|
ходтипа |
|
|
|
|
«открытый |
|
|
|
|
коллек- |
|
|
|
|
тор») |
|
|
|
FU |
Сигналь- |
Этот выход переводится в со- |
|
6-298 |
|
ныйвыход |
стояние сквозной проводимо- |
|
|
|
дляконтро- |
сти, как только выходная час- |
|
|
|
ля выход- |
тотапревышаетчастоту, задан- |
|
|
|
ной часто- |
ную в пар. 42 (или 43). В про- |
|
|
|
ты (выход |
тивномслучаевыходFU заперт |
|
|
|
типа «от- |
|
|
|
|
крытый |
|
|
|
|
коллек- |
|
|
|
|
тор») |
|
|
|
59