2.1 Анализ технического задания
Осуществляется с целью определения укрупненной структуры системы, т.е. определения набора модулей, необходимых для решения поставленной задачи и организации связей между модулями. Здесь же формулируется алгоритм функционирования системы, который в общем случае должен обеспечивать:
- запуск системы в работу (инициализация МПС);
- ввод данных с датчика;
- обработку данных и реализацию функции управления;
- отображение информации на индикаторе;
- останов системы.
2.2 Разработка алгоритма решения задачи
Разрабатывается алгоритм функционирования системы в соответствии со стандартами. Описываются форматы входных и выходных данных.
2.3 Разработка структурной схемы мпс
Этот этап включает в себя выбор устройств, необходимых для решения поставленной задачи обработки или управления. Определяется набор входных и выходных шин передачи данных, управляющих сигналов, обеспечивающих эту передачу в соответствии с требуемым режимом работы МПС.
2.4 Разработка принципиальной схемы мпс
Строится принципиальная схема МПС с учетом требований элементной базы, логики работы, электрического согласования, требований к электромонтажу. Проводятся необходимые расчеты нагрузочной способности, параметров времязадающих цепей, фильтрующих элементов. Составляется перечень элементов.
Электрический преобразователь в силовом канале электропривода выполняет роль связующего звена между источником электрической энергии (как правило - сеть переменного тока 50 Гц) и двигателем. На него возлагаются задачи регулирования напряжения, частоты и формирование одно- или двуполярных токов в обмотках электрической машины. Для приводов переменного тока формируется многофазная система синусоидальных токов с регулируемыми частотой, фазой и амплитудой первой гармоники напряжения. Кроме собственно регулирования подводимых к двигателю тока, напряжения и частоты, преобразователь должен выполнять и функции защиты как себя самого, так и привода в целом при возникновении перегрузок или аварийных ситуаций.
В области регулируемого привода примерно половину составляет массовый привод с мощностью от долей до десятков киловатт. Основным элементом преобразователя на такие мощности являются в настоящее время полупроводниковые ключи различного типа.
В основе большого разнообразия схемотехнических решений силовой части преобразователя лежат два способа, определяемые возможностью управления ключами (рис. 2.1).
Ф
азовый
способ управления используется при
применении неполностью управляемых
ключей (тиристоров, триаков). Он с успехом
применяется для питания двигателей
постоянного тока от сети переменного
тока - система ТП-Д (тиристорный
преобразователь - двигатель), для
регулирования напряжения асинхронных
двигателей - система ТРН-АД (тиристорный
регулятор напряжения - асинхронный
двигатель), а также в простейших однофазных
схемах регулирования в бытовой технике.
Возможности фазового управления
ограничены тем, что напряжение на
нагрузке формируется из участков
синусоидального напряжения питания,
причем управляющим воздействием является
момент включения, а отключение происходит
либо в момент естественного спадания
тока до нуля, либо за счет принудительного
приложения к ключу обратного напряжения
при включении ключа другой фазы источника
питания. Это не позволяет плавно
регулировать частоту напряжения на
нагрузке и получать частоту выше частоты
питающей сети, вызывает искажения в
форме токов и напряжений.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) постоянного напряжения питания свободна от указанного недостатка, но требует полностью управляемых ключей. Частотные свойства ШИМ ограничиваются только конечным временем включения и отключения полупроводникового ключа. При достаточно
высокой частоте коммутации индуктивности обмоток электрической машины являются естественными низкочастотными фильтрами, что обеспечивает возможность более качественного формирования требуемых токов и напряжений. Определенным недостатком ШИМ-регулирования является возрастание дополнительных потерь в полупроводниковом ключе при увеличении несущей частоты ШИМ.
ШИМ с однополярным включением источника питания - наиболее простая конфигурация. Она имела до недавнего времени ограниченное применение (маломощные вентильные и шаговые двигатели), так как традиционные машины переменного тока требуют двуполярного питания. Бурное развитие в последние десятилетия техники вентильных электроприводов, особенно с так называемым "переключаемым магнитным сопротивлением" (SRD - switched reluctance drive), открывает возможность использования этой конфигурации в массовом электроприводе.
Мостовое соединение ключей и обмотки двигателя позволяет получать двуполярное напряжение на обмотке при однополярном источнике питания. Кроме того, такая конфигурация имеет большие, по сравнению однополярным включением, возможности управления. При замыкании двух ключей в диагонали моста к обмотке прикладывается полное напряжение питания, что вызывает нарастание тока. При размыкании одного из ключей обмотка оказывается закороченной через оставшийся замкнутым ключ и обратный диод в противоположном плече моста, что приводит к постепенному спаданию тока за счет падения напряжения в самой обмотке и противо-ЭДС вращения. При размыкании всех ключей или замыкании ключей противоположной диагонали к обмотке прикладывается напряжение противоположного знака, что вызывает форсированное спадание тока. Усложнение алгоритма формирования ШИМ за счет комбинирования трех возможных состояний ключей, изменения частоты следования и длительности импульсов в функции требуемой формы тока, может минимизировать число переключении и потери в ключах.
Мостовое соединение однако не допускает одновременного включенного состояния верхнего и нижнего ключей в плече моста, так как это вызывает короткое замыкание источника питания.
При разработке схемотехнических решений силового канала и алгоритмов управления силовыми ключами необходимо учитывать особенности, характерные для любого типа электродвигателя, как нагрузки для преобразователя:
• сильно индуктивный характер;
• наличие противо-ЭДС вращения;
• возможные кратковременные, но многократные перегрузки по току;
• близость начального этапа пуска к режиму короткого замыкания;
• рекуперация механической энергии в динамических и тормозных режимах;
• взаимосвязь электрических и магнитных контуров разных фаз.
Дополнительно следует иметь ввиду, что большое разнообразие объектов и их требований к электроприводу (номинальные значения, диапазон, точность и плавность регулирования скорости, способы защиты и управления) не позволяет пока создать полностью универсальное решение. В то же время типизация схемотехники силовых ключей и перенос центра тяжести из области аппаратных средств в сферу программируемого решения облегчают разработчику задачу и расширяют области применения унифицированных электроприводов.
Для частотнорегулируемых асинхронных электроприводов массового применения общепринята конфигурация автономного инвертора со звеном постоянного тока (рис. 2.2), состоящая их входного неуправляемого выпрямителя, емкостного фильтра и собственно трехфазного мостового инвертора.
6
Индуктивный характер нагрузки учитывается подключением параллельно транзисторным ключам диодов, обеспечивающих непрерывность цепи протекания тока в обмотке при отключении ее от источника питания и возврат запасенной магнитной энергии в конденсатор фильтра.
В электроприводах, имеющих в цикле работы участки рекуперации механической энергии или высокую интенсивность тормозных режимов, для "слива" рекуперированной электрической энергии приходится предусматривать специальную цепь из дополнительного ключа и резистора, рассеивающего эту энергию. Это необходимо, так как входной выпрямитель не может проводить ток в обратном направлении.
Большинство специфических требований электропривода учитывается в алгоритмах управления. Требования к значениям параметров силовых ключей носят общий для всех применений силовой электроники характер. Это достаточные для получения требуемой мощности номинальные токи и напряжения, минимальные время переключения, прямое падение напряжения в открытом состоянии и энергия выключения. Для массовых применений конкретизация требований к силовым элементам выглядит следующим образом:
• Напряжение питания одно- или трехфазное 220 или 380 В,
• Токи от единиц до сотен ампер,
• Частота коммутации от долей герца до 20 кГц,
• Защита от перенапряжений, коротких замыканий в нагрузке и сквозных токов.
Последнее требование имеет особо важное значение, так как в значительной степени определяет надежность работы преобразователя и его живучесть. Современные преобразователи имеют развитую многоступенчатую систему защиты, реализованную как на программном, так и на аппаратном уровне. Схемотехническая поддержка на уровне конструкции полупроводникового ключа облегчает техническую реализацию защитных функций. Для силовых ключей в электроприводе специально установлен параметр стойкости к коротким замыканиям.
При практической реализации силового канала преобразователя разработчик может использовать силовые ключи в виде дискретных компонентов или интегральных гибридных сборок.