Частотне керування синхронними електроприводами

13.1. Стратегії керування

Нині сфера використання регульованого синхронного електро-привода постійно розширюється із-за можливості регулювання і швидкодіючих систем керування. Синхронні двигуни (СД) великої потужності з електромагнітним збудженням використо-вують для привода вентиляторів, помп, компресорів, валків прокат-них станів, папероробних машин та інших механізмів, а СД з по-стійними магнітами потужністю до десяти кіловат – для привода робочих органів металообробних верстатів з числовим програмним керуванням, роботів, маніпуляторів та інших механізмів, де потрі-бен широкий діапазон регулювання швидкості і високі динамічні показники.

Для живлення СД використовують ті самі перетворювачі часто-ти, що й для асинхронних двигунів. Але стратегії керування дещо інші, бо СД має незалежний від струму в обмотці статора струм збудження.

Коли магнітні поля статора і ротора обертаються з однаковою швидкістю і мають просторовий кут зсуву , то електромагнітний момент

. (13.1)

З (13.1) витікають такі стратегії керування моментом двигуна:

• регулювання магнітного потоку ротора (струму збудже-ння);

• регулювання струму статора , підтримуючи кут перезбудженого двигуна на певному рівні;

• при регулювати струм так, щоб .

При сталому або плавнозмінному навантаженні, а також при плавному регулюванні швидкості, зазвичай, використовують ті самі методи керування (скалярне чи векторне), що й асинхронними дви-гунами. Окрім того, використовують також ті самі закони регулю-вання напруга-частота. У цих випадках синхронний двигун як і асинхронний живиться від інтертора з незалежним заданням частоти. При цьому можуть використовуватись як автономні інвертори напруги, так і струму.

За швидкої (близької до ударної) зміни навантаження чи швидкої зміни задання швидкості може порушитись синхронне обертання магнітних полів статора і ротора. В результаті момент

(13.2)

стане пульсуючим і його середнє значення буде дорівнювати нулю. Під дією моменту сил опору двигун буде гальмуватись і зупиниться – відбудеться “перекидання” двигуна. Цього можна запобігти, якщо незалежне керування інвертором замінити керуванням інвертором у залежності від швидкості обертання ротора за допомогою давача положення ротора (ДПР). Синхронний двигун з такою системою ке-рування називається вентильним двигуном (ВД).

Синхронні двигуни зі збудженням від постійних магнітів, як пра-вило, керуються за схемою вентильного двигуна. Це дозволяє регу-лювати швидкість практично в необмеженому діапазоні, включаю-чи покроковий режим, без загрози “перекидання”, а також забезпе-чити високу стійкість і швидкодію. У порівнянні з двигунами пос-тійного струму ВД мають кращі динамічні, габаритні й вартісні по-казники.

13.2. Вентильний двигун

Вентильні двигуни є різної конструкції. Найбільше поширеною є конструкція на базі трифазного синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів в (рис.13.1.). У цьому двигуні обмотка стато-ра живиться від регульованого джерела постійного струму через трифазний мостовий комутатор, який складається із шести керова-них транзисторних ключів К1-К6. Ключі пронумеровані у порядку їх комутації з кутовим інтервалом 60 електричних градусів. Для наведеної на рис.13.1 конструкції електричні градуси співпадають з геометричними.

Керування ключами інвертора струму (ІС) здійснює давач поло-ження ротора (ДПР), ротор якого має вид сегмента, жорстко зв’яза-ного з ротором двигуна (рис.13.1,а). На нерухомій частині давача розташовано шість чутливих елементів, які пронумеровані цифрами 1-6 як і ключі інвертора.

а

б

Рис.13.1. Вентильний двигун: а – структура двигуна, б – алгоритм включення ключів інвертора і фазні струми

Коли сегмент перекриває чутливий елемент, він активізується і через систему керування інвертором (СКІ) переводить ключ комута-тора у замкнений стан, в якому ключ буде знаходитись доти, доки чутливий елемент перекривається сегментом. За такого алгоритму в любий момент часу замкненими будуть один ключ із групи 1-3-5 і один із групи 4-6-2 і струм буде протікати через дві фазні обмотки статора, зміщені у просторі на кут . На такий же кут будуть зміщенні і магнітні потоки фаз.

При ДПР займає положення, яке відповідає замкненим ключам 1 і 6. Тоді вектор магнітного потоку ротора буде напра-вленим по осі системи координат , яка рухається разом з ротором (рис. 13.1,а). На рис.13.2 показано струми в обмотках стато-ра і положення векторів магнітних потоків для трьох моментів часу, які пояснюють процес обертаних ротора.

а

б

в

Рис.13.2. Положення векторів магнітних потоків: а – ;

б – і в –

Нехай ротор обертається проти годинникової стрілки. Тоді в момент часу розмикається ключ 6 та замикається ключ 2 і струм буде протікати від початку до кінця фази і від кінця до початку фази С. Цим напрямам струмів відповідають положення векторів магнітних потоків , і результуючого потоку статора , як показано на рис.13.2,а. У цей же момент ротор знаходиться в положенні, зображеному на рис.13.1,а, і його магнітний потік співпадає з віссю . За такого розташування векторів магнітних потоків двигун розвиває електромагнітний момент

, (13.3)

де – кут між векторами і , рівний .

Під дією цього електромагнітного моменту ротор повертається проти годинникової стрілки і кут зменшується. Коли він змен-шиться до , момент згідно (13.3) досягне максимального значення і в подальшому буде зменшуватись. Коли кут стане рівним , момент двигуна зменшиться до значення, яке він мав при , а вектор повернеться у просторі разом з ротором двигуна на кут і займе положення, показане на рис. 13.2,б. Якщо стан ключів комутатора не змінити, то ротор буде рухатись далі доти, доки кут не стане рівним нулю. При згідно (13.2) і ротор зупиниться.

Щоби цього не сталося, при ДПР через СКІ зумовлює розмикання ключа 1 і замикання ключа3. В результаті струм проті-катиме по фазах В і С, вектор при нехтуванні перехідним про-цесом стрибком повернеться на кут (рис.13.2,в), кут стане рівним і ротор буде далі обертатися. Описаний цикл повторюється. Напрям руху задається знаком керуючого впливу , який подається на СКІ.

За такого керування момент двигуна на кожному такті буде змінюватися за синусоїдним законом від початкового значення , досягаючи максимального значення при і до кінцевого . При такій змінні моменту зміна швидко-сті буде тим менша, чим більший момент інерції привода, що є основним недоліком такого способу керуванню. Цей недолік можна усунути, якщо за допомогою відповідної модуляції забезпечити синусоїдну форму струму в обмотках статора. Але і при цьому зміна навантаження буде впливати на швидкість двигуна. Тому таку систему доповнюють контуром регулювання швидкості.