Лекция 13.Комплектные электроприводы на основе трехфазных асинхронных двигателей с частотным управлением
Рассмотренные выше методы частотного управления трехфазными асинхронными двигателями в настоящее время широко используются для создания комплектных исполнительных механизмов (электроприводов) с широким диапазоном регулирования скорости.
Комплектные преобразователи частоты для системы ПЧ-АД.Широкий класс автоматизированных комплектных и унифицированных электроприводов на основе системы ПЧ-АД может быть выполнен на базе преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока серии «Универсал». Преобразователи выпускаются в диапазоне мощностей от 0,55 до 160кВт; преобразователи большой мощности используются в силовых приводах самих рабочих машин и установок, а преобразователи в доли и единицы кВт могут успешно использоваться в исполнительных устройствах систем автоматизации и управления для привода регулирующих органов. Блок управления представляет собой микроконтроллер на базе Intel 18 и может быть трех типов: А - не/ перепрограммируемый, Б - перепрограммируемый производителем и В - интеллектуальный, перепрограммируемый пользователем. Основные технические характеристики преобразователей серии «Универсал» приведены в таблице 3.5.
Таблица 3.5
| Наименование параметра | Характеристика параметра | Значение параметра |
| Выход | Шкала мощностей типа А ,кВт | 0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3 |
| Шкала мощностей типа Б ,кВт | 1,5 2,2 3,7 5,5 7,5 11 15 | |
| Шкала мощностей типа В ,кВт | 15 18,5 22 30 37 45 55 75 ПО 160 | |
| Число фаз | ||
| Диапазон регулирования напряжения, В | ||
| Дискретность регулирования напряжения, % | 0,5 от 380В | |
| Диапазон регулирования частоты, Гц | 2-512 | |
| Дискретность регулирования частоты, Гц | 0,015 | |
| Диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе | 1:10 | |
| Диапазон регулирования скорости в замкнутой системе | 1:30 | |
| Принцип управления | U\f - закон управления | |
| Способ модуляции | Синусоидальная ШИМ | |
| Тактовая частота ШИМ,кГц | 4,8 или 9,6 | |
| Вход | Число фаз Напряжение питающей сети, В Частота питающей сети, Гц | 380 ,± 20% 50\60 |
| Задание частоты или технологической переменной | Числовое задание. Аналоговое задание потенциометром |
| Рабочие функции | Установки задания частоты или технологической переменной | Восемь постоянных настраиваемых уставок, активация их через дискретные входы |
| Команды пуск\стоп | Подача команд с пульта. Подача команд через дискретные входы | |
| Пуско-тормозная характеристика | Линейная\S-образная. Выбор 1 или 2 уровней интенсивности на разгоне и торможении | |
| Автоматический повторный пуск при обнаружении аварии или ошибки | Для некоторых видов аварийных ситуаций | |
| Регулятор технологической переменной | ПИД-регулятор,настраивается каждая составляющая,прием сигналов обратных связей | |
| Защитные функции | Защиты преобразователя и двигателя | Защита от короткого |
| замыкания на корпус | ||
| Максимально-токовая | ||
| защита | ||
| Защита от обрыва и | ||
| перекоса фаз | ||
| Защита от понижения | ||
| или повышения | ||
| напряжения в звене | ||
| постоянного тока | ||
| Защита от неправильной | ||
| работы входного | ||
| тиристорного | ||
| выпрямителя | ||
| Тепловая защита | ||
| Защита от потери | ||
| питания контроллером | ||
| Режимы коррекции | Коррекция выходного напряжения в зависимости от напряжения питающей cети Коррекция интенсивности(при разгоне) и рабочей частоты(в установившемся режиме) при превышении тока двигателя. Коррекция интенсивности торможения при превышении напряжения на звене постоянного тока |
В станках с ЧПУ в качестве приводов главного движения могут использоваться комплектные реверсивные электроприводы типа ГАП с транзисторными управляемыми инверторами напряжения. Приводы комплектуются трехфазными асинхронными двигателями базовой серии 4А мощностью от 1,5 до 18,5 кВт, диапазон регулирования скорости замкнутого привода от 400 до 1000. Во вспомогательном оборудовании могут использоваться комплектные реверсивные преобразователи типа ЭПА-1, число управляемых трехфазных асинхронных двигателей от 1х2,2кВт до Зх4кВт, диапазон регулирования скорости до 60.
Фирма HITACHI выпускает широкий спектр преобразователей частоты с микроконтроллерным управлением серий J100, J300, JE300, L100, L300Plus с диапазоном регулирования выходной частоты от 0,1 до 400Гц и выходного напряжения от 0 до значения напряжения питания.
Фирма OMRON выпускает однофазные и трехфазные преобразователи частоты серии 3G3 с микроконтроллерным (при необходимости аналоговым) управлением в диапазоне мощностей от 0,1 до 300кВт с диапазоном регулирования выходной частоты от 0,1 до 400Гц и выходного напряжения от 0 до значения напряжения питания.
Комплектные электроприводы на основе системы ПЧ-АД с векторным управлением. Электроприводы этого типа разрабатываются и имеют тенденцию широкого применения в промышленных исполнительных устройствах, в частности устройствах главного движения и подачи станков с числовым программным управлением (ЧПУ).
Исходной информацией для построения системы векторного управления является информация о мгновенных значениях тока статора, угловой скорости и углового положения ротора, о пространственном положении вектора
магнитного потока в воздушном зазоре машины. Реализация этого метода требует большого количества вычислений. Необходимо преобразовать трехфазную систему токов в двухфазную в неподвижной системе координат; после чего её нужно привести к системе координат, вращающейся со скоростью ротора или потока ротора. Система уравнений принимает достаточно простой вид, сходный с уравнениями двигателя постоянного тока. Однако при этом заданная величина потока, соответственно момента, сравнивается не с истинной величиной, а с преобразованной. Поэтому для управления силовым преобразователем частоты необходимо выполнить обратные преобразования.
На рис.3.8 показана функциональная схема такого комплектного глубоко регулируемого привода «Размер 2М-5-21». Силовая часть состоит из автоматического выключателя А, нерегулируемого выпрямителя В, транзисторного управляемого инвертора УИ и асинхронного двигателя АД. Система управления включает устройство ЧПУ (УЧПУ) .формирователь тока статора ФТ, формирователь фазных токов ФТФ, трехфазный регулятор тока РТ с широтно-импульсным модулятором, датчики тока ДТА и ДТВ .датчик угла поворота ДУ, формирователь импульсного кода скорости перемещения ФИС, формирователь импульсного кода перемещения ФИП, формирователь импульсного кода разности скоростей ФИРС, сумматор С и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП.
Датчик ДУ выдает информацию об угловом положении ротора. Этот сигнал преобразуется формирователем ФИЛ в импульсный код фактического углового перемещения ИПФ, а в формирователе ФИС - в импульсный код фактической скорости двигателя ИСФ. Сигнал ИСФ поступает на вход
сумматора С и одновременно на вход ЦАП, который формирует значение фактической скорости в аналоговом виде СФ.
Сигнал задания скорости ЗС, поступающий из УЧПУ, в аналоговом виде сравнивается с фактической скоростью двигателя СФ. Сигнал разности скоростей PC поступает на ФТ. Сюда же поступает информация ПСК о токах статора и потоке двигателя в преобразованной двухфазной вращающейся системе координат, рассчитанная в УЧПУ на основе сигналов от датчика угла поворота ДУ и датчиков тока ДТА и ДТВ. В соответствии с сигналом PC и данными ПСК формирователь ФТ формирует амплитуду и фазу тока статора ТС таким образом, чтобы составляющая тока статора, определяющая поток, оставалась постоянной, а требуемое регулирование момента осуществлялось только изменением второй (ортогональной) составляющей тока статора, создающей момент двигателя.
Сигнал PC, преобразованный в импульсный код ИРС, поступает на сумматор С; в результате суммирования частот сигналов ИРС и ИСФ формируется сигнал требуемой частоты фазных токов ЧТ, который поступает в ФТФ. По заданным амплитуде, фазе и частоте тока статора в двухфазной системе координат ФТФ формирует заданные токи фаз А и В {ТА и Тв) в трехфазной системе координат, сдвинутые во времени на 2\3 периода. Ток третьей фазы С есть сумма токов фаз А и В с обратным знаком.
Регулятор тока РТ на основе сравнения заданных значений токов ТА и Тв с фактическими значениями, полученными от ДТа и ДТв , вырабатывает сигнал управления СУ для непосредственного управления инвертором УИ и, соответственно, скоростью и моментом двигателя.
В таблице 3.6 приведены основные технические показатели отечественных комплектных приводов «Размер 2М-5-21». Все электроприводы являются реверсивными.
Таблица 3.6
| Тип двигателя | Мощн. номин. (при 50Гц), кВт | Частота вращен. макс, об\мин | Диапаз. регулир. скорости замкн. привода | Момент двигателя номин., Нм | Число импул.датч. угла на оборот вала двигателя | Погр.отраб. угла повор. вала двигат. в числе дискрет |
| 4AXJI90L4 | 2,2 | 1500-2000 | 7-17 | ±5(1кл.) | ||
| 4AX100L4 | - | - | - | ±10(2кл.) | ||
| 4А132М4 | 5,5 11 | - | - | 35 47-70 | - | - |
Среди преобразователей частоты упомянутых выше зарубежных фирм наиболее перспективными для реализации векторного способа управления являются преобразователи типа 3G3FV фирмы OMRON. Они отличаются высокими динамическими показателями, широким диапазоном регулирования скорости, возможностью работы с полным моментом при частотах, близких к нулю. Преобразователь имеет встроенный ПИД—контроллер. Программное обеспечение для программирования блока управления работает в среде Windows. В таблице 3.7 приведены основные технические данные этих преобразователей.
Таблица 3.7
| Наименование параметра | Характеристика параметра | Значение параметра |
| Выход | Мощность ,кВт | От 0,4 до 300 |
| Число фаз | ||
| Диапазон регулирования напряжения, В | 0-380 | |
| Диапазон регулирования частоты, Гц | 0,1-400 | |
| Дискретность регулирования частоты, Гц | 0,01 | |
| Диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе | 1:10 | |
| Диапазон регулирования скорости в замкнутой системе | 1:1000 | |
| Принцип управления | Векторное. U\f- закон управления. | |
| Способ модуляции | ШИМ | |
| Тактовая частота ШИМ, кГц | До 15 | |
| Вход | Число фаз | |
| Напряжение питающей сети, В | 380,+10%\-15% | |
| Частота питающей сети, Гц | 50\60 | |
| Рабочие функции | Задание частоты или технологической переменной | Числовое задание. Аналоговое задание потенциометром |
| Установки задания частоты или технологической переменной | Восемь постоянных настраиваемых уставок, активация их через дискретные входы | |
| Команды пуск\стоп | Подача команд с пульта Подача команд через дискретные входы | |
| Пуско-тормозная характеристика | Могут быть запрограммированы и установлены 4 значения ускорения \ замедления | |
| Регулятор технологической переменной | ПИД - регулятор, | |
| настраивается каждая составляющая, прием | ||
| сигналов обратных связей. | ||
| Защитные функции | Защиты преобразователя и двигателя | Защита от короткого |
| замыкания на корпус | ||
| Максимально-токовая | ||
| защита. | ||
| Защита от | ||
| неисправности | ||
| заземления Защита от понижения или повышения | ||
| напряжения в звене | ||
| постоянного тока | ||
| Защита от потери | ||
| скорости двигателем. | ||
| Тепловая защита. | ||
| Защита от исчезновения напояжения питания |
Следует отметить, что возможно выполнение систем векторного управления и без прецизионных датчиков угла поворота ротора или датчиков скорости. Информация о действительной скорости, соответственно угле поворота формируется косвенным методом на основе анализа соотношения модулей и фаз напряжений и токов в обмотках статора. Конструктивная реализация системы проще, но характеристики могут уступать системам с реальными датчиками.