Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые модуляторы для систем управления электроприводов. Учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов»
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К аф едра «Электропривод и промышленная автоматика»
А.В. СТАРИКОВ, С.Л. ЛИСИН, Д.Ю. РОКАЛО
ЦИФРОВЫЕ МОДУЛЯТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Учебное пособие
Самара, 2018
1
2
Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от
27.04.2018 г.).
УДК 62-83(075.8)
ББК 31.291я73
С771
Стариков А.В.
С771 Цифровые модуляторы для систем управления электроприводов: учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов» / А.В. Ста-
риков, С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2018. – 75 с.
Изложены принципы построения цифровых модуляторов для силовых преобразователей электроприводов постоянного и переменного тока.
Материал предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
УДК 62-83(075.8)
ББК 31.291я73
С771
Рецензенты: д-р техн. наук Ю.А. Макаричев,
д-р техн. наук, профессор Л.С. Зимин
© А.В. Стариков, С.Л. Лисин,
Д.Ю. Рокало, 2018
© Самарский государственный
технический университет, 2018
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…….…………………………………………………………………….....5
1 ЦИФРОВЫЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА…..…...…………………......7
1.1 Законы коммутации силовых транзисторов, применяемые
для управления двигателем постоянного тока…………………………………….…7
1.2 Цифровой широтно-импульсный модулятор для симметричного
управления силовыми транзисторами ……................................................................10
1.3 Цифровой широтно-импульсный модулятор для несимметричного
управления силовыми транзисторами ..………………………………………….….16
2 ЦИФРОВЫЕ МОДУЛЯТОРЫ ДЛЯ ЧАСТОТНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.……………………………………………………………...22
2.1 Силовая схема и принцип работы автономного инвертора
с широтно-импульсной модуляцией…………………………………………………22
2.2 Цифровой модулятор для преобразователя частоты
с -коммутацией транзисторов………………………………………………………27
2.3 Анализ качества выходного напряжения частотного преобразователя
с -коммутацией транзисторов………………………………………………………35
2.4 Цифровой модулятор для преобразователя частоты
с трапецеидальной формой фазного напряжения………………………..…………38
2.5 Анализ качества выходного напряжения частотного преобразователя
с трапецеидальной формой фазного напряжения……………………………….….48
3 ЦИФРОВЫЕ МОДУЛЯТОРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ……………………………………………….53
3.1 Основные принципы управления скоростью синхронного
двигателя………………………………………………………………………………53
3.2 Цифровой модулятор для управления синхронной машиной
в режиме вентильного двигателя…………………………………………………….56
4
3.3 Цифровой модулятор для управления синхронной машиной
в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока...…………......................62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………..71
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………………..72
5
ВВЕДЕНИЕ
Развитие цифровой техники и, в частности, микропроцессоров и микроконтроллеров привело к созданию цифровых электроприводов. Отличительной их
особенностью является формирование в цифровом виде всех управляющих сигналов виде вплоть до выдачи воздействий на силовые полупроводниковые приборы.
В результате в таких электроприводах цифро-аналоговое преобразование сигналов осуществляется непосредственно в силовом преобразователе.
В электроприводах применяют различные исполнительные двигатели: постоянного тока, синхронные и асинхронные. В связи с этим в зависимости от типа
электродвигателя конструктивно отличаются силовые преобразователи и соответственно цифровые модуляторы, управляющие силовыми транзисторами (тиристорами). Причем современные устройства, регулирующие частоту и амплитуду напряжения на статорных обмотках двигателей переменного тока, отличаются
сложностью и необходимостью на каждом такте широтно-импульсной модуляции
(ШИМ) производить большое количество вычислений. Примером могут служить
частотные преобразователи с синусоидальными и векторными модуляторами [1 –
3], реализованные на специализированных микроконтроллерах.
Современная промышленность выпускает специализированные микросхемы
– ШИМ-контроллеры. Однако, как правило, в них используется аналоговый способ организации модуляции, основанный на сравнении постоянного задающего
напряжения с пилообразным. Кроме того, обычно ШИМ-контроллеры воспринимают только положительные числа, что приводит к необходимости программной
поддержки работы таких устройств в реверсивных электроприводах и снижает
диапазон преобразования цифрового кода в напряжение в два раза.
Целью настоящего учебного пособия является ознакомление студентов,
обучающихся на направлении 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
профилю «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», с цифровыми модуляторами, разработанными на кафедре
«Электропривод и промышленная автоматика» и отличающимися исключитель-
6
ной простотой технической реализации [4 – 9]. Причем такие модуляторы предназначены для управления как двигателями постоянного, так и переменного тока,
воспринимают как положительные, так и отрицательные числа и при этом не требуют никаких вычислительных затрат микропроцессора или микроконтроллера,
на котором реализован электропривод.
7
1 ЦИФРОВЫЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ
1VT
4VT
1VD
4VD
VD1
VD3
VD2
VD4
VT1
VT3
VT2
VT4 C M + – U
1VD
4VD
ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1 Законы коммутации силовых транзисторов, применяемые
для управления двигателем постоянного тока
Для создания быстродействующих электроприводов постоянного тока, как
правило, применяют транзисторные силовые преобразователи. Принципиальная
схема такого преобразователя в общем случае содержит четыре силовых транзистора
–
и четыре диода
–
(рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема силовой части транзисторного
преобразователя для двигателя постоянного тока
Обратный диодный мост
–
предназначен для рекуперации энер-
гии при торможении двигателя M в конденсатор C.
Регулирование скорости двигателя постоянного тока M с возбуждением от
постоянных магнитов, как известно [10 – 12], осуществляется изменением напря-
8
жения на якоре двигателя. Для этого и предназначены силовые транзисторы
1VT
4VT
1VT
4VT
1VT, 4VT
2VT, 3VT
d
U
U
d
U
d
U
ШИМ
T
ШИМ
T
1
ШИМ
T
t
0
я
U
21
яd
UU
d
U
ШИМ
T
ШИМ
T
(IGBT-модули)
–
, которые регулируют напряжение с помощью широт-
но-импульсной модуляции.
Управлять транзисторным мостом
–
можно различными способа-
ми. Чаще всего применяют симметричный и несимметричный законы коммутации
силовых транзисторов [10, 13].
При симметричном способе управления попеременно включаются (откры-
ваются) пары транзисторов
и
, то есть одновременно оказываются открытыми транзисторы одной диагонали моста. В результате на якорь
электродвигателя подаются знакопеременные импульсы напряжения с амплитудой, равной
(рис. 1.2).
Рисунок 1.2 – Диаграмма напряжения на якоре двигателя постоянного тока
при симметричном законе коммутации силовых транзисторов
Среднее значение напряжения
законе коммутации транзисторов будет определяться формулой
где
– напряжение питания транзисторного моста;
пульсов; – ширина импульса;
, подаваемого на двигатель, при симметричном
,
– скважность им-
– период широтно-импульсной модуляции.
9
Несимметричный закон коммутации позволяет получить однополярные
U
d
U
ШИМ
T
ШИМ
T
1
ШИМ
T
t
0
яd
UU
импульсы напряжения на нагрузке, то есть на якоре двигателе постоянного тока
(рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – Диаграмма напряжения на якоре двигателя постоянного тока
при несимметричном законе коммутации силовых транзисторов
Среднее значение напряжения при несимметричном законе коммутации
транзисторов будет равно
.
Несимметричный способ управления обладает двумя достоинствами по
сравнению с симметричным. Во-первых, при его использовании частота пульсаций тока на нагрузке в два раза выше, чем частота коммутации силовых транзисторов. Во-вторых, коммутационные потери силового преобразователя при одной
и той же частоте переключения транзисторов в два раза меньше, чем при симметричном законе [13]. Следует также отметить, что амплитуда пульсаций тока в нагрузке при симметричном законе коммутации больше, чем при несимметричном.
Но техническая реализация цифрового модулятора для несимметричного управления силовыми транзисторами значительно сложней.
10
1.2 Цифровой широтно-импульсный модулятор для симметричного
1
nm
1
1nm
1
n
1
mn
1
nm
1
nm
1
1nm
1
n
управления силовыми транзисторами
Рассмотрим устройство и принцип работы цифрового широтноимпульсного модулятора, обеспечивающего симметричный закон управления силовыми транзисторами [4]. Он может быть выполнен на микросхемах средней
степени интеграции, на базе специальной большой интегральной схемы (СБИС)
или на программируемой логической схеме (ПЛИС).
Функциональная схема такого цифрового широтно-импульсного модулятора (рис 1.4) содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, двоичные счетчики
2 и 3, счетный триггер 4, триггер 5 знака, элементы 6, 7 и 8 ИЛИ, триггеры 9 и 10,
инвертор 11, элементы 12, 13, 14 и 15 И, мультиплексоры 16 и 17, формирователь
18 импульсов, элемент 19 И-НЕ, схему 20 ограничения, схему 21 сброса, выходные шины 22 и 23, входную шину 24, шину 25 знака.
Схема 20 ограничения (рис. 1.5), например, может содержать группу 26
элементов ИЛИ, группу 27 элементов И, элемент 28 И-НЕ, элементы 29 и 30 ИЛИ,
элемент 31 ИЛИ-НЕ и инвертор 32. В зависимости от величины, на которой должен быть ограничен входной сигнал, n-разрядные входы шины 24 разбиваются на
две группы: с 1 до
разрядов – с 1 до
и с
до
, причем
. Первая группа
, соединена с первыми входами группы 26 элементов
ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами группы 27 элементов И,
выходы которых являются
ничения. Вторая группа разрядных входов шины 24 – с
младшими разрядами выхода схемы 20 огра-
по
– явля-
ются соответствующими разрядами выхода блока 20 ограничения. Они соединены с m входами элемента 28 И-НЕ и элемента 29 ИЛИ. Выход элемента 28 И-НЕ
соединен с первым входом элемента 30 ИЛИ, выход которого соединен со вторыми входами группы 27 элементов И.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]