ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КЛЮЧАМИ ИНВЕРТОРА ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА В ЗОНЕ НИЗКИХ СКОРОСТЕЙ

       Алгоритм управления ключами силового преобразователя определяет ряд важнейших как входных, так и выходных параметров преобразования электрической энергии, в частности, качество выходного напряжения автономного инвертора (АИН) частотно-регулируемого электропривода мехатронной системы (МС). При этом доминирующее значение имеет не только фактор обеспечения высокого КПД, хорошего гармонического состава формируемого выходного напряжения для питания асинхронного двигателя (АД), но и определенность поведения в целом АИН как звена замкнутой системы автоматического управления (САУ) частотно-регулируемого привода.
       На рис.1 приведена упрощенная схема трехфазного АИН с ключевыми элементами , модулятором , фильтром C и управляемым источником питания (УИП).

       Если для рассматриваемой схемы принять: - переключающая коммутационная функция, =1 (ключ замкнут), =0 (ключ разомкнут), то возможные симплексные алгоритмы переключения [1,2] могут быть реализованы в процессе формирования выходных напряжений инвертора по фазам АД, с сопротивлениями , а также линейных напряжений ( ), когда нейтральная точка 0 инвертора изолирована. Тогда упрощенное описание управления схемой можно представить в виде логических уравнений:

(1)

       Состояние ключей в процессе формирования выходных напряжений недопустимо, когда

(2)

       Расширенное описание управления ключами по (1) может обеспечивать и параллельное подключение двух фаз работающего АД последовательно с третьей, две другие фазы АД изменяют состояние по отношению только к шинам питания , т.е.

(3)

       Подключение АИН к управляемому источнику питания УИП с выходными напряжением обеспечивает амплитудное регулирование трехфазного напряжения на АД для реализации оптимального управления [3,4] по моменту на валу и повышения комбинационных возможностей схемы при подключении нагрузки на регулируемое напряжение разных уровней. Временная модуляция работы ключей с дополнительным прерыванием ключом тока источника питания АИН по целесообразному алгоритму на полупериоде формируемого синусоидального напряжения позволяет снизить содержание высших гармонических составляющих и приблизить преобразование выходного напряжения к идеальному случаю при изменении частоты от 10 Гц до 0,1 Гц. При этом нежелательные пульсации вращающего момента, скорости АД могут быть значительно снижены, поскольку упрощается поддержание электромагнитного момента ( ) АД частотно-регулируемого привода в соответствии с уравнением [3]

(4)

       где - число пар полюсов АД, - коэффициент рассеяния, - индуктивность контура намагничивания , , - векторы потока статора и ротора соответственно.

       Для управления моментом вектор потока задается, исходя из уравнения

(5)

       где , - векторы напряжения и тока статора АД соответственно, - омическое сопротивление обмотки статора.
       Поскольку формирование вектора магнитного потока осуществляется выходным напряжением АИН, а вектор определяется уровнями напряжения звена постоянного тока и алгоритмами функционирования ключей за период коммутации выходного напряжения, то для реализации синусоидального закона формируемого напряжения фаз АД требование минимизации числа переключений ключей , за период сформированного напряжения является существенным, особенно в зонах пониженных частот 0,1-10 Гц. Требование к синусоидальности выходного напряжения инвертора при низких частотах формируемого синусоидального напряжения на обмотках статора АД обуславливает как изменение алгоритмов функционирования ключей , , а также дополнительное деление полупериода синусоидального напряжения на временные отрезки для вычисления потока статора , интервала расчета и времени снятия информации.

       При управлении вектором потока значение последнего можно представить в виде

(6)

       где - векторы токов статора и ротора, соответственно приведенных на диаграмме (рис. 2); - индуктивность статора и контура намагничивания.

       Известно [5], что разложение вектора тока статора по осям ( ) на составляющие позволяет инструментально контролировать токи фаз статора согласно выражениям (7)

(7)

       где - мгновенные значения токов фаз статора АД.

(7)

Рисунок 1. Векторная диаграмма составляющих главного потокосцепления асинхронного двигателя. 1,2 - подвижные оси, вращающиеся относительно неподвижной системы координат ( ).

       Одновременно составляющие (намагничивающая составляющая тока статора) и (тока ротора) определяют модуль главного потокосцепления . Графически показано (рис. 2), что составляющая размагничивает систему и для установления режима работы АД, когда [по выражению (4)] необходимо учитывать значение составляющей тока , так как . Намагничивающая составляющая тока статора определяет значение модуля потокосцепления статора , а величину электромагнитного момента - составляющая тока . С ростом нагрузки составляющая тока увеличивается, что сопровождается изменением угла и вектора электромагнитного момента по (4). Введение независимого задания вектора потока статора АД за счет дополнительного регулирования напряжения совместно с работой ключей , с различными законами переключения (ШИМ и ШИР) позволяет изменять в заданном диапазоне и поддерживать значение электромагнитного момента в соответствии с технологической необходимостью. Значение тока ротора может быть рассчитано в соответствии с (6) или графических построений векторов диаграммы приведенных составляющих токов как в [5] с учетом изменений угла . При формировании низкочастотного тока статора АД с использованием различных алгоритмов переключения ключевых элементов АИН необходимо также учитывать постоянную времени заряда-разряда конденсатора фильтра С контура питания инвертора. Таким образом, для обеспечения минимальных пульсаций момента и скорости АД частотно-регулируемого привода МС (в частности, промышленного робота повторно-кратковременного режима работы) в зоне низких скоростей алгоритмы переключения ключей инвертора значительно усложняются, а задача управления в целом может быть решена только с применением специальных вычислительных устройств.

Перечень ссылок

1. Рывкин С.Е., Изосимов Д.Б. Широтно-импульсная модуляция напряжения трехфазных автономных инверторов. - Электричество, 1997. - №6.

2. Баховцев И.А., Зиновьев Г.С. О синтезе алгоритмов управления для АИН с ШИМ // Тиристорные преобразователи. - Новосибирск: НЭТИ. 1985. С. 23-34.

3. Дацковский Л.Х., Роговой В.И., Абрамов Б.И., Моцхейн Б.И., Жижин С.П. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор). - Электротехника, 1996. - №10. - С. 18-28.

4. Петров Ю.П. Оптимальное управление электропрводом с учетом ограничений по нагреву. - Л. Энергия, 1971.

5. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л. Энергоатомиздат, 1987.

---

В библиотеку