ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

70

На рис.3.8,а показаны графики напряжений Uj и токов ij на входе ячейки М1. Рис.3.8,б иллюстрирует процесс формирования напряжения UΣ в звене постоянного тока. Диаграммы 3.8,в показывают принцип формирования двухфазного выходного напряжения Ui и тока нагрузки ii , а на рис. 3.8,г показаны активные iai и реактивные iрi составляющие этого тока в каждой фазе. Последние диаграммы (рис.3.8,д и 3.8,е) иллюстрируют приведение в звено постоянного тока активной составляющей тока нагрузки и процесс междуфазного обмена реактивной энергией соответственно.

Сказанное также иллюстрируется результатами моделирования пуска двигателя с питанием от ИМП по структурной схеме в соответствии с рис.3.3 и непрерывной модулирующей функцией. Эти результаты показаны на рис.3.5–3.7 прозрачными линиями. Разница в амплитудах сигналов в результатах моделирования с разрывной и непрерывной модулирующими функциями объясняется конечной скважностью импульсно-модулированного сигнала при его максимальном значении с целью снизить напряжение на выходе ИМП.

Использование в качестве управляемых как по амплитуде, так и по частоте выходных сигналов преобразователей на основе импульсной модуляции с двойным преобразованием энергетического потока в автоматизированном электроприводе с асинхронными двигателями позволяет получить ряд преимуществ, к которым в первую очередь следует отнести:

а) потребление из сети практически синусоидальных токов; б) потребление из сети минимально возможного результирую-

щего тока, определяемого только передаваемой двигателю активной мощностью без потребления реактивных токов;

в) возможность генерирования в сеть реактивной мощности; г) практически синусоидальное напряжение на выходе преобра-

зователя, обеспечивающее минимальные пульсации момента на валу двигателя и возможность получения на основе этого стабильного вращения вала с низкой угловой частотой.

Все эти преимущества, наряду с возможностями автоматического управления асинхронным электроприводом, создают условия для разработки систем управления технологическими процессами с высокой степенью автоматизации и минимальным энергопотреблением при достаточно высокой электромагнитной совместимости с питающей сетью.

71

3.3.Современные системы управления электроприводом переменного тока

С точки зрения структурно-функционального построения для современного частотно-регулируемого электропривода характерно:

-распространение блочно-модульных принципов компоновки;

-внедрение информационных средств визуализации технологических процессов и процессов управления;

-компьютеризация;

-развитие методов подчиненного управления;

-развитие и внедрение системы диагностики;

-комплектность поставки, в том числе компьютерных средств контроля управления и сервиса;

-создание объектно-ориентированных электроприводов, наиболее полно учитывающих функциональные требования и эксплуатационные особенности конкретного объекта;

-выполнение функций регулирования технологических пара-

метров: уровня, давления, влажности, температуры, дозирования.

В современных регулируемых электроприводах переменного тока используются три основные структуры системы автоматического регулирования:

-реализация заданной статической зависимости между часто-

той f и действующим значением U1, питающего электродвигатель напряжения (скалярное управление электроприводом);

-алгоритм векторного управления;

-алгоритм прямого управления моментом.

Система скалярного управления представлена в виде блок-

схемы на рис.3.9. При управлении с разомкнутым контуром частота вращения электродвигателя регулируется изменением частоты f выходного напряжения таким образом, что реальная частота вращения вала будет определяться моментом нагрузки и выходной частотой f преобразователя. Выходное напряжение U зависит от частоты в соответствии с соотношением, определяемым выбранным законом регулирования.

72

Рис.3.9. Структурная схема скалярного управления приводом

Для поддержания постоянства потокосцепления статора в соответствии с U/f -характеристикой применяются модули IR -компенса- ции и Ud -коррекции. В системе предусматриваются регулирование скорости и тока ограничения в соответствии с заданными значениями n* и I*mах воздействием на напряжение и частоту статора с помощью регуляторов, принципы работы которых будут рассмотрены более подробно в следующей главе. Там же будут рассмотрены принципы построения датчиков тока и скорости, с помощью которых определяются текущие значения соответствующих переменных.

Если в процессе регулирования должна сохраняться перегрузочная способность двигателя

λ = MK/MН = const,

то в первом приближении частотный закон управления имеет вид

73

где U, f – напряжение и частота переменного тока на выходе ПЧ; UН, fН – номинальные напряжение и частота двигателя;

М, МН – текущее и номинальное значения момента двигателя. Текущее значение момента двигателя М в установившихся ре-

жимах равно моменту сопротивления рабочей машины МС. По характеру зависимости МС = f(ω) рабочие машины можно разделить на группы:

-с постоянной мощностью МС = кω-1, РС = const;

-постоянным моментом МС = const, РС = кω;

-«вентиляторной» нагрузкой МС = кω2, РС = кω3.

В регулируемом электроприводе все эти зависимости можно реализовать и для электромагнитных моментов. При этом важно, чтобы регулирование момента двигателя для рабочих машин определенной группы велось в соответствии с законом, по которому изменяется их момент сопротивления. Так, при постоянном моменте нагрузки (МС = const) закон частотного управления приобретает вид U/f =const; при постоянной мощности (МС = кω-1) – U2/f = const; при «вентиляторной» нагрузке (МС = кω2) – U/f2 = const. Механические характеристики привода по системе ПЧ-АД, сохраняющего постоянство перегрузочной способности, показаны на рис. 3.10.

Управление электроприводом одновременным изменением частоты и напряжения питающей сети обеспечивает достаточно широкий диапазон регулирования (D = 30…60), высокий КПД частотного преобразователя (до 0,98), высокий коэффициент мощности (до 0,98), надежность и компактность преобразователя.

Векторное управление используют для получения более высокого качества управления электроприводом в статических и динамических режимах в более широком диапазоне регулирования скорости, в том числе в области нулевых скоростей. Для такого регулирования необходимо иметь возможность быстрого и непосредственного управления моментом электродвигателя. Мгновенное значение момента любого электродвигателя определяется величиной (амплитудой) и фазой двух образующих момент составляющих: тока и магнитного потока.

В машинах постоянного тока неизменная фазовая ориентация тока и потока определяется конструктивно – фиксированным положением главных полюсов с обмотками возбуждения (поток) и щеточного узла (ток якоря).

74

а)

б)

в)

Рис.3.10. Характеристики привода при законах управления: а – с постоянным моментом, б – с постоянной мощностью, в – с «вентиляторной» нагрузкой

75

Для получения требуемого момента у машин постоянного тока достаточно управлять непосредственно доступной для измерения одной независимой переменной – величиной тока якоря. Именно поэтому двигатель постоянного тока независимого возбуждения с быстродействующим, замкнутым обратной связью регулятором тока якоря по управляемости идеально (в пределах допустимых режимов и характеристик) отвечает требованиям любого высокодинамичного электропривода. Токи и потокосцепления статора и ротора асинхронного двигателя в отличие от машины постоянного тока вращаются с разными угловыми скоростями, имеют разные, изменяющиеся во времени фазовые параметры и не подлежат непосредственному измерению и управлению. Доступной для управления переменной в асинхронном двигателе является лишь ток статора, который имеет составляющие, образующие магнитный поток и момент. Фазовая ориентация двух этих составляющих может быть осуществлена только внешним управляющим устройством, функционально подобным коллектору машины постоянного тока.

Иными словами, в асинхронном двигателе необходимо обеспечить управление не только амплитудой, но и фазой вектора тока статора, т.е. оперировать с векторными величинами. Этим и обусловлено введение для такого способа управления термина «векторное» в отличие от рассмотренного выше скалярного управления, основанного на изменении частоты и амплитуды питающего двигатель напряжения.

Разделение тока статора на составляющие может осуществляться различными способами. Одним из таких способов является разделение пространственного вектора тока на составляющие по положению в пространстве вектора магнитного потока. Одна из этих составляющих, являющаяся проекцией вектора тока на направление вектора магнитного потока, является намагничивающим током, аналогичным току возбуждения двигателя постоянного тока. Другая ортогональная составляющая вектора тока статора является составляющей, образующей момент двигателя, аналогичной току якоря двигателя постоянного тока. Таким образом, для построения системы векторного управления, кроме токов в обмотках статора, необходимо измерять положение пространственного вектора магнитного потока в асинхронном двигателе.

76

В связи со сложностью непосредственного измерения магнитного потока в современных системах векторного управления его положение определяют косвенным образом на основе измерений, в частности токов и напряжений в обмотках статора. Тогда при известных параметрах двигателя исходя из уравнений, описывающих работу асинхронного двигателя, определяется величина и положение вектора магнитного потока. К недостаткам такого способа следует отнести то, что в процессе работы асинхронного двигателя параметры его обмоток (активные и индуктивные сопротивления) меняются. Эти изменения вносят в ряде случаев существенную погрешность и тогда прибегают к дополнительно измеряемым переменным, позволяющим уточнить значение тех или иных параметров двигателя в каждый момент времени. К наиболее существенным параметрам, меняющимся в процессе работы асинхронного двигателя, следует отнести в первую очередь активное сопротивление обмотки ротора.

После разделения пространственного вектора тока статора на составляющие система управления электроприводом строится аналогично системе управления двигателя постоянного тока. Структурная схема системы векторного управления представлена на рис. 3.11.

Рис.3.11. Структурная схема векторного управления приводом

77

Динамические характеристики электроприводов с векторным управлением аналогичны динамическим характеристикам электроприводов постоянного тока. Достигается это управлением составляющими Iω и Iμ вектора тока, первая из которых пропорциональна моменту двигателя, а вторая – потокосцеплению. Величины Iω и Iμ оцениваются по динамической модели двигателя, составленной представлением мгновенных значений переменных в виде результирующих векторов и переходом к вращающимся системам координат. В системе предусматривается возможность ограничивать момент двигателя в соответствии с заданным значением и управлять интенсивностью изменения момента.

Приведенные структурные схемы скалярного и векторного электропривода за счет управления по сигналам датчика скорости позволяют достигать диапазона регулирования скорости до 1:10000. При отсутствии требований к широкому диапазону регулирования используются модификации электроприводов со скалярным и векторным управлением без датчика скорости.

Система регулирования асинхронным двигателем на основе прямого управления моментом показана в виде блок-схемы (рис. 3.12). Основные модули схемы:

1 – модуль регулирования в скользящем режиме вектора потокосцепления статора ψs и момента М двигателя по значениям, вводимым в него заданных и действительных величин;

2 – модель АД, в которой через каждые 25 мкс осуществляется вычисление потока статора и момента по введенной в нее информации: токам двух фаз статора АД, напряжению цепи постоянного тока и положению ключей АИН, а также скорости АД и частоты выходного тока АИН;

3 – модуль быстродействующего логического автомата, переключающего ключи автономного инвертора в зависимости от оптимизации вектора выходного напряжения АИН по предельным отклонениям момента и потока статора. Таким образом, организация ШИМ-управления осуществляется как функция заданных переменных электромагнитного состояния АД;

4 – регулятор скорости;

5 – модуль задания и ограничения момента;

6 – модуль задания потока статора.

78

Рис.3.12. Структурная схема регулирования электропривода на основе прямого управления моментом

С учетом динамических характеристик звена регулирования момента DTC регулятор скорости синтезируется как ПИД-регулятор, чем достигается высокое быстродействие по контуру скорости и статическая точность регулирования скорости. Выход регулятора скорости включен каскадно с устройством задания и ограничения момента. Это устройство обеспечивает ограничение момента двигателя, защиту АИН от токовых перегрузок (эта защита имеет временно-токовую характеристику), поддержание напряжения в звене постоянного напряжения. Оно имеет также вход для задания независимой (от регулятора скорости) уставки момента. Функционально регулятор скорости включает (кроме ПИД-регулятора) модуль ускорения для задания темпа разгона и торможения. В процессе ввода электропривода в эксплуатацию в режиме идентификации осуществляется настройка регулятора на электромеханическую постоянную времени. При реализации обратной связи по скорости с выхода модуля 2 статическая точность достигает уровня 0,1 ...0,5 %. Для получения более высокого значения этой характеристики электропривода организуется обратная

79

связь с помощью датчика скорости. В этом случае достигается точность до 0,01 %. Система регулирования снабжена устройством независимого задания потока статора АД. Это позволяет реализовать САР с ослаблением потока или заданием потока как функции минимизации потерь и увеличения общего КПД электропривода. Так, при снижении потока статора в режиме малых нагрузок потери могут быть снижены более чем на 60 %. Таким образом, система прямого управления моментом позволяет учитывать характер нагрузки (например, вентиляторная характеристика) при настройке САР. Имеется также блок задания частоты переключения ключей АИН. Этот параметр может регулироваться (в зависимости от типа полупроводникового прибора АИН) от 0,8 кГц (для запираемых тиристоров) до 3,5 кГц (для силовых транзисторов разного типа).

Фазное напряжение асинхронного двигателя формируется переключением трех IGBT-транзисторов между положительным и отрицательным полюсами постоянного напряжения. Система прямого управления моментом отдельно определяет момент каждого переключения в зависимости от текущих значений потока и момента. Текущие значения потока и момента каждые 25 мкс вычисляются на основе информации о токе и напряжении двигателя в адаптивной модели двигателя. Затем они сравниваются со значениями тока и момента, задаваемыми контроллером, что служит информацией для подачи системой управления переключающих импульсов. Таким образом, не существует фиксированной частоты переключений, в результате чего шумовой спектр не содержит пиков высокой частоты и двигатель имеет низкий уровень шума.

3.4. Энергосберегающие технологии на основе регулируемого электропривода переменного тока

Использование регулируемого электропривода переменного тока позволяет значительно улучшить технологические процессы в коммунальном хозяйстве, бумажной, деревообрабатывающей, химической, пищевой, машиностроительной промышленности, снизить потребление электроэнергии за счет оптимизации производительности технологического оборудования, вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортных механизмов, снизить эксплуатационные