Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

В. ЮРЗИН, г. Апатиты Мурманской обл.

В электроприводах технологических установок получили широкое применение асинхронные трёхфазные двигатели. Если необходимо изменять частоту вращения ротора такого двигателя, его следует питать трёхфазным током с регулируемыми частотой и (по связанному с ней закону) эффективным значением напряжения. В предлагаемой статье рассказывается о преобразователе, формирующем регулируемое по частоте и амплитуде трёхфазное напряжение из однофазного, поступающего от сети 220 В, 50 Гц. Задачи, решаемые модулем управления преобразователя, разделены между двумя микроконтроллерами серии PIC16, а силовой модуль построен на микросхеме IR2131, специально предназначенной для использования в трёхфазных инверторах, и мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor).

Варианты подобных конструкций уже были описаны на страницах журнала "Радио" [1, 2]. Но они обладают сравнительно небольшим интервалом регулирования частоты вращения, а в конструкции [2] для регулирования напряжения применён автотрансформатор. В предлагаемом преобразователе использован алгоритм формирования трёхфазного напряжения по базовым векторам [3] с регулированием выходного напряжения путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Принцип частотного регулирования

Трёхфазная система обмоток статора двигателя создаёт магнитное поле, вращающееся с угловой частотой

Схемы источники питания

где f — частота питающего напряжения, Гц; р — число пар полюсов статора

Поле пересекает витки обмоток ротора, наводя в них ЭДС, под воздействием которой в них протекает ток. Взаимодействуя с полем статора, он создаёт вращающий момент [3]. При постоянной частоте вращения поля двигатель обладает механической характеристикой, изображённой на рис. 1, гдеугловая скорость вращения ротора; М — момент вращения на валу. Буквами обозначены точки: А — режим холостого хода, В — номинальный режим, С — режим максимально возможного (критического) момента, D — начало пускового режима. Участок А—Е — рекуперативное торможение.

Чтобы    эффективно регулировать    частоту вращения ротора, нужно изменять частоту вращения    поля   статора. Чтобы при этом сохранить момент, одновременно с частотой  необходимо   изменять   и амплитуду приложенного к статорным обмоткам напряжения. Здесь частота — независимая переменная, а напряжение при данной частоте устанавливают   исходя из того, как должна изменяться механическая характеристика  двигателя в зависимости от частоты   Такой способ регулирования скорости электропривода с асинхронным двигателем называется частотным, а зависимость напряжения   от  частоты   —   законом частотного регулирования.

Источник: Журнал Радио 2012 №1

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

Массовый ежемесячный научно-технический журнал

Издаётся с 1924 года

Источник: Журнал Радио 2012 №1
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

В частности, чтобы обеспечить независимости момента от частоты, необходимо выдерживать условие U/f = const. Но справедливо оно лишь при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора и приемлемо только для двигателей большой мощности У двигателей малой или средней мощности пренебрежение активным сопротивлением статорной обмотки приводит к тому, что при изменении частоты постоянство момента не выдерживается.

Для поддержания момента близким к номинальному во всём интервале изменения частоты вращения применяют IR-компенсацию — завышают напряжение относительно закона U/f=const, как показано на рис. 2 синей линией. Компенсация носит такое название, потому что добавка напряжения пропорциональна активному сопротивлению статорной обмотки R и протекающему по ней току I.

Корректируя зависимости напряжения от частоты, можно обеспечить желаемую зависимость развиваемого двигателем момента от частоты питающего напряжения. Повышение жёсткости механической характеристики в области малых значений частоты может быть достигнуто увеличением напряжения относительно линейного закона (красная линия на рис. 2). При частоте выше номинальной дальнейшее увеличение напряжения прекращают. В этой области его регулирование целесообразно лишь в тех случаях, когда момент нагрузки уменьшается с ростом частоты вращения.

Принцип работы преобразователя

Блок-схема преобразователя однофазного напряжения в трёхфазное управляемой частоты изображена на рис. 3. Он состоит из неуправляемого выпрямителя сетевого напряжения, сглаживающего фильтра, инвертора постоянного напряжения в трёхфазное и системы управления. Фильтр на выходе выпрямителя не только сглаживает пульсации, но и обеспечивает возврат реактивной энергии двигателя во время переходных процессов. Инвертор чаще всего выполняют по схеме трёхфазного моста, состоящего из шести электронных ключей S1—S6 Регулирование частоты и амплитуды поступающего на двигатель трёхфазного напряжения осуществляется путём изменения частоты и скважности управляющих ключа-

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

ми импульсов, генерируемых системой управления.

Термин "векторное управление" обусловлен тем, что при непосредственном управлении моментом необходимо изменять помимо амплитуды и фазу статорного тока, т. е. вектор магнитного потока в двигателе. Этот метод, использованный в рассматриваемом преобразователе, и основан на том, что вектор магнитного потока в статоре ротора в течение одного оборота последовательно занимает показанные на рис. 4 положения Ф0 —Фзоо, что достигается управлением ключами, коммутирующими ток в обмотках статора, согласно табл. 1.

В ней замкнутое состояние ключа обозначено знаком плюс, а разомкнутое — знаком минус. Каждый из шести ключей замкнут в течение большей части половины периода, но размыкается за некоторое время до замыкания ключа, находящегося между тем же выводом двигателя и противоположным полюсом питающего напряжения. Этим предотвращается протекание "сквозного"

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

тока через одновременно замкнутые ключи, когда из-за конечной скорости переключения один не успел еще разомкнуться, а второй уже замкнулся.

Векторное управление позволяет существенно расширить интервал изменения частоты, обеспечить точность регулирования, повысить скорость реакции электропривода на управляющие воздействия. Изменения эффективного значения трёхфазного напряжения в соответствии с необходимой для реализации закона управления зависимостью от частоты производятся с помощью тех же ключей. Для этого импульсы, следующие с частотой вращения, подвергаются ШИМ — дополнительно модулируются более высокочастотными импульсами изменяемой скважности. На осциллограммах, изображённых на рис. 5       розовой

кривой, показана форма напряжения на одной из фазных обмоток двигателя (напряжение измеряется относительно средней точки "звезды", в которой соединены три обмотки). Ток этой обмотки — жёлтая кривая. Выбросы на осциллограммах — реакция индуктивной нагрузки на импульсное напряжение.

Несинусоидальная форма подаваемого на двигатель напряжения приводит к росту энергетических потерь. Уменьшить их удаётся за счёт усложнения закона изменения скважности ШИМ. что позволяет приблизить к синусоидальному закон изменения среднего значения формируемого инвертором напряжения в течение его периода. К сожалению, ограниченные ресурсы применённых микроконтроллеров не позволили это сделать в рассматриваемом преобразователе.

Потери возникают и в электронных ключах инвертора. Они тем больше, чем ближе частота ШИМ к предельной рабочей частоте применённых ключей. Это следует иметь в виду при их выборе.

Обычно в качестве ключей используют транзисторы, обеспечивающие протекание тока в одном (прямом) направлении. Цепи для протекания обратного тока создают подключённые параллельно транзисторам диоды. Меньшие потери создают ключи на транзисторах с короткими переходными процессами и с малым падением напряжения в открытом состоянии. Благоприятным сочетанием параметров для использования в инверторе обладают IGBT, сочетающие в себе преимущества биполярных транзисторов и униполярных (полевых)транзисторов с изолированным затвором IGBT могут работать на частоте до 100 кГц, имеют малое падение напряжения в открытом состоянии, а в закрытом выдерживают напряжение до 1500.. 1700 В.

Большой рабочий ток и устойчивость к его превышению (например, при замыкании в нагрузке) позволяют применять IGBT в системах управления мощными электроприводами, Благодаря изолированному затвору IGBT можно управлять с помощью маломощных сигналов. Более подробно с особенностями силовых ключей на IGBT можно познакомиться в [4].

Технические характеристики преобразователя

Входное однофазное напряжение, В.....................220

Максимальное  трёхфазное

напряжение (линейное), В  .....220

Частота трёхфазного напряжения, Гц  .................1...60

Время разгона/торможения

двигателя, с................5...99

Направление вращения .         .прямое/

                                                  обратное

Мощность   двигателя   (два

режима), кВт  ...............0,5; 1

Максимальный ток фазы, А ..5

Частота ШИМ, кГц   ...............2,5

Частоту выходного напряжения можно оперативно регулировать переменным резистором либо изменять с помощью кнопок Предусмотрена индикация установленной частоты, текущего значения тока фазы, кода аварии (превышение мгновенного значения тока в любой из фаз, превышение среднего тока фазы).

Конструктивно преобразователь состоит из двух модулей: инвертора и управления. Оба собраны на платах размерами 155x95 мм, установленных одна над другой в пластиковом корпусе размерами 160x160x120 мм (рис- 6). С обратной стороны в корпус вмонтирован вентилятор от блока питания компьютера Имеется также отдельный пульт с переменным резистором установки частоты и кнопками управления преобразователем. В нём же находятся контактные колодки для подключения питающей сети и электродвигателя.

Схема модуля инвертора изображена на рис. 7. В нём установлены IGBT IRG4BC30F (600 В, 31 А, 5 кГц, без защитного диода). В их позиционных обозначениях (VT1—VT6) номера такие же, как у ключей на рис. 3. Подробные сведения об этих IGBT можно найти в [5].

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

переключения IGBT в инверторе, реагирует на сигнал аварии (FAULT), формируемый находящейся в модуле инвертора микросхемой IR2131. Программа для этого микроконтроллера INV628.C и её загрузочный файл INV628.hex приложены к статье. Микроконтроллер DD1 PIC16F873 [9] работает по программе INV873.C. К статье приложены два варианта загрузочного файла: INV873.hex/для PIC16F873 и INV873A.hex для PIC16F873A. Они содержат одинаковый программный код, различаясь лишь записанной в них информацией о конфигурации микроконтроллеров.

Здесь формируется пользовательское меню, преобразуются в цифровые коды и обрабатываются аналоговые сигналы установки частоты и контроля тока. Кроме того, микроконтроллер DD1 следит за состоянием кнопок SB1 — SB5, выполняя подаваемые ими команды, выводит необходимую информацию на светодиодные индикаторы  HG1

HG3 (через преобразователь кода DD2), генерирует сигналы управления микроконтроллером DD3.

К разъёму ХР1 подключён находящийся в модуле инвертора трансформатор тока. Выпрямленный диодным мостом VD1 ток его вторичной обмотки создаёт на резисторе R3 падение напряжения, пропорциональное току одной из фаз питаемого от преобразователя двигателя. Через резистор R10 оно поступает на вход RA1 (вывод 3) микроконтроллера DD1, где его значение преобразуется в цифровую форму. В такую же форму микроконтроллер преобразует и использует для установки заданной частоты напряжение, поступающее на его вход RA0 (вывод 2) с движка переменного резистора R1.

Сформированные модулем управления сигналы поступают на его разъём ХР2, к которому должен быть подключён разъём XS1 модуля инвертора (см. рис. 7).

Модуль управления питается от сети 220 В через понижающий трансформатор Т1 и мостовой выпрямитель на диодах VD2—VD5. Выпрямленное напряжение около 24 В используется непосредственно лишь для сигнального светодиода HL1 "Сеть" и для питания узла на транзисторе VT1. По сигналу микроконтроллера DD1, разрешающему работу инвертора, в этом узле срабатывает реле К1 (833H-1C-C-24VDC или аналогичное). Замыкание его контактов может использоваться каким-либо внешним устройством как сигнал о том, что подключённый к инвертору двигатель (М1 на рис. 7) включён. Одновременно включается светодиод HL2 "Работа". Включение светодиода HL3 "Авария" свидетельствует о том, что в модуле инвертора сформирован сигнал FAULT.

С помощью интегрального стабилизатора DA1 получено поступающее на контакт 9 разъёма ХР2 напряжение + 12 В для питания микросхемы IR2131 в модуле инвертора. Этим же напряжением питается двигатель М1 охлаждающего преобразователь компьютерного вентилятора. Интегральный стабилизатор DA2 понижает напряжение до 5 В. Оно питает цифровые узлы модуля управления.

Переменный резистор установки частоты R1 и кнопки SB1—SB5 вынесены с платы модуля на отдельный пульт. Нажав на кнопку SB3 "Пуск", запускают питающийся от инвертора трёхфазный электродвигатель. За установленное пользователем время частота генерируемого трёхфазного напряжения плавно нарастает от нуля до заданного

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

значения. Если включено управление частотой с помощью переменного резистора R1, то при изменении положения его движка во время разгона соответственно изменится и конечное значение частоты, до которого будет происходить разгон.

При нажатии на кнопку SB1 "Стоп" происходит обратное — плавное снижение частоты генерируемого трёхфазного напряжения до нулевой, затем с двигателя снимается напряжение. Во время торможения переменный резистор R1 не действует.

Нажатиями на кнопку SB2 "ОК" переключают страницы пользовательского меню (табл. 2). Нажимая на SB4 "Вверх" и SB5 "Вниз", перемещаются по пунктам выбранной страницы. Находясь на странице "Настройка", можно кратковременным нажатием на кнопку SB4 включить режим просмотра параметров. Номера пунктов меню на индикаторе HG1 и их значения на индикаторах HG2, HG3 станут сменяться с интервалом 1...2 с. Дождавшись пункта с параметром, который нужно изменить, следует нажать на кнопку SB1. Значение устанавливают нажатиями на SB4 и SB5. Для сохранения нового значения в энергонезависимой памяти микроконтроллера и выхода из режима установки необходимо нажать и удерживать в течение 3 с кнопку SB2.

Следует иметь в виду, что при работающем двигателе страница "Настройка" недоступна. Имеется одно исключение: если разрешена установка частоты кнопками SB4 и SB5, то за её заданным значением можно следить, выбрав на той странице пункт 1. Чтобы воспользоваться другими её пунктами, двигатель необходимо остановить.

Налаживание преобразователя

После сборки и проверки монтажа преобразователя подключают модуль управления к сети 220 В, не подавая пока сетевого напряжения на модуль инвертора (на его диодный мост VD16— VD19).

Проверяют наличие питающих напряжений +5, +12 В на соответствующих выводах микросхем. С помощью осциллографа убеждаются в наличии управляющих импульсов на затворах IGBT.

Чтобы установить порог срабатывания токовой защиты, предусмотренной в микросхеме IR2131, устанавливают движок подстроенного резистора R8 в нижнее (по схеме рис. 7) положение и от какого-либо достаточно мощного источника постоянного тока пропускают через резистор R9 ток, равный желаемому порогу срабатывания токовой защиты. Перемещая движок подстроенного резистора R8, добиваются фактического срабатывания этой защиты—об этом сигнализирует включившийся светодиод HL3.

Теперь можно временно подключить к зажимам ХТ1—ХТЗ преобразователя нагрузку из трёх одинаковых ламп накаливания на 220 В, 40...60 Вт, соединённых "звездой", а на выпрямительный мост подать через трансформатор сетевое напряжение, пониженное до 40...50 В.

Наблюдая осциллограммы напряжения на зажимах ХТ1 —ХТЗ относительно средней точки "звезды", можно проверить работу кнопок "Пуск" и "Стоп". При пуске скважность выходных импульсов первоначально должна быть высокой, а с ростом частоты уменьшаться. При остановке скважность постепенно увеличивается Если работа программы управления не вызывает сомнений, можно повысить напряжение питания инвертора до номинальных 220 В.

Эффективное значение линейного напряжения (измеренного между зажимами ХТ1 и ХТ2, ХТ2 и ХТЗ или ХТ1 и ХТЗ преобразователя) должно изменяться в зависимости от частоты согласно графикам, изображённым на рис. 9. Измерения   производились   цифровым мультиметром АРРА 82R. Именно такие законы регулирования, подобранные экспериментально, заложены в программу. При частоте выше 46...47 Гц происходит отключение ШИМ для повышения КПД привода при большой частоте вращения.

Завершающий этап налаживания преобразователя — калибровка канала измерения тока фазы. Её производят с реальной нагрузкой (трёхфазным электродвигателем). В тот же провод, на котором установлено кольцо трансформатора тока Т1 (см. рис. 7), включают образцовый амперметр переменного тока. Это могут быть, например, "токовые клещи" Желательно, чтобы в амперметре был предусмотрен режим true RMS, т. е. правильное измерение эффективного значения переменного тока сложной формы. Подбирая резистор R3 (см. рис. 8), добейтесь совпадения значения тока на индикаторе преобразователя с тем, что показывает образцовый амперметр.

Основные проблемы, с которыми приходилось сталкиваться при налаживании преобразователя, были связаны с импульсными помехами, возникающими при коммутации на индуктивной нагрузке. Для уменьшения влияния коммутационных помех были увеличены до 5,1 кОм номиналы резисторов R1— R6 в цепях затворов IGBT VT1 — VT6.

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя
Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

Преобразователь напряжения с регулируемой частотой для трёхфазного асинхронного электродвигателя

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика