Разработка и исследование регулируемого асинхронного элетропривода на основе преобразователя частоты с ШИМ

Приведено описание разработки платы управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с использованием автономного инвертора напряжения на базе контроллера Atmel, позволяющего осуществить плавный пуск двигателя и изменение частоты вращения. Результаты работы могут быть использованы при построении более сложных эффективных систем управления асинхронными двигателями.

Введение

Совершенствование производственных механизмов и технологических процессов также тесно связано с развитием автоматизированного электропривода, который обеспечивает экономию электроэнергии за счет организации наиболее экономичной работы механизма в установившихся и переходных режимах и уменьшение потерь в самом электроприводе.

В наше время при рассмотрении различных вариантов автоматизированных электроприводов одним из наиболее перспективных следует признать частотно-регулируемый электропривод переменного тока, в следствии высокой выносливости, надежности, низкой стоимости асинхронных электродвигателей. Наиболее распространенным алгоритмом управления трехфазных асинхронных электроприводов является алгоритм с поддержанием постоянства отношения напряжение/частота с использованием широтно-импульсного модулированного (ШИМ) управления инвертором напряжения [1].

Прогресс в области силовых полупроводниковых приборов дал возможность создания полностью управляемых ключей на базе силовых полевых транзисторов (MOSFET), запираемых тиристоров (GTO), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), запираемых тиристоров с интегрированным блоком управления (IGCT), что позволило отказаться от тиристорных преобразователей с присущими для них рядом сложностей, таких как: неполное управление, использование схем принудительной коммутации, высокий коэффициент искажений потребляемого тока по входу преобразователя.

Анализ литературных источников

В настоящее время, наиболее быстрое развитие получили электроприводы двухзвенными преобразователями частоты, выполняемыми на основе автономных инверторов напряжения (АИН) или инверторов тока (АИТ). Особенностью выходных напряжений АИН является пульсирующий характер, который обусловлен несовершенством существующих алгоритмов управления ключами АИН, особенно в области малых частот. Улучшить качество выходного напряжения АИН возможно при уменьшении периода модуляции. Однако это уменьшение ограничено динамическими возможностями силовых полупроводниковых ключей и значительным ростом дополнительных коммутационных потерь. Поэтому разработка эффективных алгоритмов управления силовыми ключами АИН, позволяющих улучшить качество выходного напряжения без специальных изменений схемы АИН является актуальной [2].

Широтно-импульсная модуляция в автономном инверторе стала активно применяться вследствие появления высокопроизводительных, ориентированных только на задачи электропривода микроконтроллеров, которые имеют достаточный набор периферии. Наибольших успехов в создании таких микроконтроллеров в конце двадцатого века достигли такие известные мировые производители как: Atmel, Motorola, Texas Instruments, Siemens, Intel. Таким образом, программная реализация перспективных алгоритмов управления на базе современной микропроцессорной техники предоставила ряд новых возможностей для построения более качественных систем управления электроприводов [3].

Цель работы

Разработка исследовательского стенда для изучения динамических характеристик и свойств двухмассовых электромеханических систем, построенных на основе асинхронных регулируемых электроприводов.

Методика исследований

Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования, метод теории автоматического управления и численных методов вычисления.

Частотно-управляемый асинхронный привод обычно строится по схеме «питающая сеть – выпрямитель – фильтр – трехфазный инвертор напряжения – приводимый асинхронный двигатель». Наиболее сложным узлом является инвертор напряжения. Последние годы он строится на основе управляемых силовых ключей – транзисторов (MOSFET или IGBT), а еще совсем недавно применялись схемы на полууправляемых ключах (тиристорах). Задача инвертора – получение из постоянного напряжения регулируемого по частоте и действующему значению трехфазного напряжения. Для регулирования частоты и действующего значения напряжения обычно используют ШИМ.

Управление силовыми ключами инвертора осуществляет по определенному алгоритму специальный управляющий контроллер. Алгоритм управления подразумевает не только реализацию функций регулирования частоты и действующего значения выходного напряжения, но так же и реализацию защиты силовых ключей от перегрузок и короткого замыкания.

Входной каскад преобразователя (выпрямитель) отделен от выходного каскада (инвертора) промежуточным звеном постоянного тока. Звено постоянного тока, в общем случае, содержит емкость значительной величины, предназначенную для сглаживания пульсаций и накапливания необходимой энергии для питания инвертора. Величина емкости определяется исходя из обеспечения необходимых динамических свойств инвертора (минимального отклонения выходного напряжения в переходных режимах) и максимально возможных перегрузочных способностей преобразователя.

При проектировании асинхронного электропривода была создана виртуальная электрическая модель системы управления и силовая часть привода в программе PROTEUS (рис. 1).

Предварительно были выбраны и рассчитаны все элементы (электрическая принципиальная схема электропривода представлена на рис. 2).

Управление осуществляется при помощи микроконтроллера ATtiny2313. В качестве силовых драйверов были выбраны микросхемы типа IR2130, в качестве силовых ключей – полевые транзисторы IRF740A.

Микроконтроллер ATtiny2313 представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер с внутренней программируемой flash-памятью размером 2 Кбайта. Основные характеристики микроконтроллера ATtiny2313: AVR RISC архитектуру; 32 регистра общего назначения; тактовая частота 20 МГц; 2 Кбайт встроенной программируемой flash-памяти; 128 байт программируемой энергонезависимой памяти данных (EEPROM); 8-разрядный и 16-разрядный таймера/счетчики с программируемым предделителем, режимом совпадения; четыре канала ШИМ с различными режимами работы; встроенный аналоговый компаратор; программируемый сторожевой таймер и встроенный тактовый генератор.

Управление осуществляется от трех кнопок: кнопка перезапуска, уменьшения и увеличения частоты. Также программно реализован плавный пуск: от начальной частоты f0 = 10 Гц (можно регулировать программно) до номинальной fн = 50 Гц .

Графики сигналов с выходных портов контроллера на драйвер представлены на рисунках 3а (управляющий сигнал на верхний и нижний ключи фазы А) и 3б (управляющий сигнал на верхние ключи фаз А и В).

Основной алгоритм программ инвертора представлен на рисунке 4.1, 4.2.

Сигналы управления с порта В, все выводы которого настроены на вывод информации, поступают на драйвер 3-х фазного моста IR2130. Сигналы управления с кнопок поступают на вывод порта А2 (кнопка «Перезапуск») и на выводы порта D0, D1 («больше частота», «меньше частота»).

Выводы

Был спроектирован и создан лабораторно-исследовательский стенд асинхронного электропривода мощностью 120 Вт.

Разработан алгоритм управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера ATtiny2313, которая осуществляет синусоидальный ШИМ.

Полученный лабораторный стенд позволяет проводить дальнейшие исследования для изучения динамических свойств электромеханических систем на основе асинхронного электродвигателя.

Литература

1. Шавьолкін О. О., Перетворювальна техника / О. О. Шавьолкін, О. М. Наливайко – Донецьк – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 329 с.
2. AVR494: Управление асинхронным электродвигателем переменного тока по принципу постоянства V/f и обычного ШИМ-управления [Електронний ресурс].
3. Белов А.В. Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике / Белов А.В. – СПб: Наука и Техника, 2007. – 352 с.