Асинхронные электроприводы с векторным управлением

Особенности работы преобразователей частоты в асинхронных приводах с векторным управлением

Для реализации векторного управления необходимо форми­ровать многофазную систему напряжений (токов), подаваемых на статор асинхронной машины, жестко фазированный с опор­ным вектором. Мгновенное положение этого вектора задано его проекциями на оси координат, которые представляются сигна­лами в виде двух фаз напряжений. Управляющие преобразова­телем сигналы представлены многофазной системой напряже­ний, поэтому наиболее естественно организовать включение ти­ристоров преобразователя частоты по мгновенным значениям этой многофазной системы напряжений.

Тиристорные преобразователи частоты со звеном постоянного тока для электроприводов с асинхронными двигателями выпус­каются в настоящее время с силовой схемой, приведенной на рис. 1.3. Напряжение сети подается на управляемый неревер­сивный мостовой тиристорный выпрямитель В. Выпрямленное напряжение через дроссель Др3 и параллельно ему включенный конденсатор Сф подается на тиристорный автономный инвер­тор И. Управление выпрямителем осуществляется блоком БСУВ, а управление инвертором — блоком БСУИ.

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное тре­буемой частоты осуществляется посредством коммутации тири-

а

сторов в определенной последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора составляет 2я/3 с интервалом я/3 периода выходного напряжения преобразователя. Таким обра­зом, при коммутации тиристоров инвертора в каждый момент времени одновременно открытыми оказываются два тиристора. Закрытие тиристоров инвертора осуществляется с помощью ком­мутирующих конденсаторов. Дроссели Дрх и Др2 служат для предотвращения мгновенного разряда коммутирующих конден­саторов в контурах коммутации тиристоров. Диоды использу­ются для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки.

В схемах ТПЧ обычно отсутствует естественная возможность обмена энергии между нагрузкой и питающей сетью. В связи с этим в ТПЧ для асинхронных двигателей АД включен еще один диодный мост ОМ. Этот мост обеспечивает пропуск реак­тивной энергии асинхронного двигателя. В серийно выпускае­мых преобразователях частоты реализуется управление только амплитудой и частотой напряжения, питающего двигатель. Для векторного управления асинхронными двигателями системы им­пульсно-фазового управления тиристорами ТПЧ требуют изме­нения для реализации управления не только частотой и ампли­тудой, но и фазой напряжения, подаваемого на двигатель. В си­стемах векторного управления сигнал, поступающий в ТПЧ, представляет собой двухфазное напряжение переменного тока, модулированное по частоте, амплитуде и фазе. В ТПЧ этот сигнал определяет частоту, амплитуду и фазу напряжения, ко­торое поступает на двигатель.

1.2.1. ТПЧ со звеном постоян­ного тока. Для преобразователей сс звеном постоянного тока из управ­ляющего сигнала выделяются:

сигнал модуля напряжения, ко­торый воздействует на выпрями­тель ТПЧ;

сигнал частоты и фазы напря­жения, который воздействует на инвертор ТПЧ.

Сигнал модуля напряжения вы­деляется в блоках вычисления мо­дуля (БВМ). Структурная схема блока приведена на рис. 1.4. Сиг­налы напряжения Uф0 и Ifyp возводятся в квадрат, сумми­руются и после извлечения квадратного корня получается сигнал модуля напряжения Этот сигнал поступает в выпрями­

тель преобразователя ТПЧ.

Канал инвертора преобразователя ТПЧ используется для управления частотой и фазой напряжения, поступающего на асинхронный двигатель. Для управления частотой или фазой напряжения инвертора сигналы иа и Up преобразуются в сиг­налы f/‘* и t/p* с единичной амплитудой (рис. 1.5). Это осуще­ствляется делением сигналов £/* и U*^ на модуль | |. Сигнал

модуля напряжения | Us | через блоки формирующего устройства ФСУ и распределителя импульсов РУВ подается на тиристоры выпрямителя. Схема преобразования сигналов U'a и в еди­ничные сигналы (/*’ и £/р* приведена на рис. 1.5. Здесь исполь­зуются решающие усилители ОУ) и ОУ2 с умножителями в кон­турах обратной связи. Выходное напряжение при большом коэффициенте усилителей

иа=иУ{к^ + иа)~и'а/ Us |;

иї = иЖк*+и.)**иЦиа |.

Эти единичные управляющие сигналы требуемой частоты и фазы напряжения поступают в блок управления инвертором ТПЧ.

На рис. 1.6 приведена функциональная схема управления ТПЧ со звеном постоянного тока в системе асинхронного при­вада с векторным управлением. На вход преобразователя по­ступают сигналы управления Ua и t/g. В блоке выделения сиг­нала модуля напряжения БВМ вырабатывается сигнал управ­ления выпрямителем преобразователя ТПЧ. В блоке деления БД управляющие сигналы Ua и t/p преобразуются в сигналы с еди-

ничной амплитудой Ua, t/p - Эти сигналы в преобразователе фаз ПФ преобразуются в трехфазные £/”, Ub, U*c и поступают в блок преобразования синусоидальных напряжений в импульсы управления тиристорами БПСН. В блоке БПСН имеется три одинаковых канала, в которых по точкам перехода синусоидаль­ных напряжений через нуль формируются импульсы управле­ния тиристорами инвертора ТПЧ. Управляющие импульсы инвертора и выпрямителя передаются на тиристоры через рас­пределительные устройства РУи и РУВ. Следовательно, в дан­ном случае для привода с векторным управлением системы импульсно-фазового управления (БСУВ, БСУИ) тиристорных преобразователей частоты должны быть заменены новыми в со­ответствии с функциональной схемой рис. 1.6. Для использования стандартных преобразователей частоты без переделки блоков управления используются специальные схемы управления, кото­рые дополняют основные схемы векторного управления при­водом.

1.2.2. ТПЧ со звеном постоянного тока и дополнительной следящей системой по фазе выходного напряжения преобразо-

И
1.8. Структурная схема управ­ления инвертором привода с ГПЧ

вателя. Использование стандартных ТПЧ со зве­ном постоянного тока и двухканальной СИФУ с управлением по частоте и амплитуде возможно и в приводах с векторным управлением по схеме, приведенной на рис. 1.7. Дополнительное устройство выполнено в виде следящей систе­мы по фазе выходного напряжения ТПЧ относительно входных сигналов Us и и US23-

Для управления частотой и фазой напряжения инвертора ТПЧ используется входной блок преобразования сигналов LT и i/p в сигналы с единичной амплитудой ?/** = cos ф< и t/g* == sin ф^, блоки слежения за частотой и фазой выходного напряжения ТПЧ. В числе этих блоков блок преобразования трехфазного напряжения ТПЧ в двухфазное — ПФ, блок выде­ления модуля ВМ напряжения ТПЧ. Эти сигналы являются сигналами обратной связи в системе управления частотой и фа­зой напряжения инвертора ТПЧ.

В блоках БМі и БМ2 единичные сигналы перемножаются и поступают на суммирующий усилитель ОУ5, на выходе кото­рого получается сигнал управления инвертором

Таким образом, устройство сравнения вычисляет сигнал, пропорциональный синусу разности фаз входной и выходной системы напряжений (sin Аг)и). В зоне малой разности фаз Аг]и < л/6 sin Дт]и ~ Аг)и, поэтому применение ПИ-регулятора фазы РФ обеспечивает статическую ошибку по фазе, равную нулю.

При этих предположениях структурная схема системы управ­ления получается такой, как показано на рис. 1.8.

Передаточная функция замкнутой системы управления фа­зой напряжения ТПЧ имеет вид

W (j)n= fe°-Cn (71S+1) ,, g*

w ^st ТПь vPTrTZT’

(Vo. c,)»r+ V+1 '

где Tu Ті — постоянные времени ПИ-регулятора; &0. err фициент обратной связи по фазе.

Выбор 7’i = 2/Q0, T2 = k0_ о/йо позволяет обеспечить астати­ческое регулирование фазы без перерегулирования; частота Q0, которая определяется по полосе пропускания привода по угло­вой скорости, не должна превышать (3—4)-кратного значения.

Существенное упрощение системы управления может быть достигнуто при учете специфики входных сигналов тиристорного

коэф-

преобразователя. Для инверторов с 2л/3 углами открытия ти­ристоров схема управления тиристорами сводится к схеме фик­сации максимумов из трех сигналов входной трехфазной систе­мы напряжений и формирователей длинных импульсов вклю­чения тиристоров инвертора [2].

1.2.3. ТНПЧ без явного звена постоянного тока. В системах векторного управления с тиристорными преобразователями типа ТНПЧ из управляющих сигналов системы векторного управления Ua и Up формируются сигналы фазового регулиро­вания тиристоров для получения требуемого уровня напряжения н сигналы управления частотой и фазой напряжения на выходе ТНПЧ. В отличие от ТПЧ в ТНПЧ эти сигналы объединяются и действуют на группы тиристоров каждой фазы. Частота и фаза выходного напряжения преобразователя определяется дли­тельностью интервалов попеременного открытия групп тири­сторов.

На рис. 1.9 показана функциональная схема управления ам­плитудой, частотой и фазой ТНПЧ. На входе системы управле­ния имеется блок БВМ выделения модуля напряжения | Us | по сигналам Ua и t/p и блок деления БД для выделения единичных сигналов Uа и t/р. Сигнал модуля напряжения далее поступает на фазосмещающие устройства выпрямительных и инверторных групп тиристоров ФСУВ и ФСУи. Сигналы от ФСУВ и ФСУИ пре­образуются в фазоимпульсных устройствах ФИВ и Ф#и и через блоки системы управления тиристорами СУВ и СУИ подаются на тиристоры ТНПЧ. Регулирование напряжения ТНПЧ произ­водится таким же способом, как и регулирование напряжения реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока.

Единичные сигналы управления Ua, U$ используются для управления частотой и фазой выходного напряжения ТНПЧ. Единичные двухфазные сигналы в блоке преобразования фаз ПФ преобразуются в единичные трехфазные сигналы Ua, Ub и Uc - Эти сигналы далее поступают на блок преобразования синусои­дальных сигналов в управляющие сигналы прямоугольной фор­мы БПСН. Блок преобразования сигналов напряжения включает

в себя пересчетный блок выделения сигналов линейных напря - ** ** **

жений Uab, Ubc и Uca и шесть каналов (по числу групп тири­сторов ТНПЧ) формирования импульсов управления частотой и фазой напряжения ТНПЧ.

На рис. 1.10 приведена схема одного канала формирования импульсов управления частотой и фазой ТНПЧ. Он включает в себя усилитель формирователя УФ, дифференцирующий уси­литель УД и инвертирующий усилитель УИ. На выходе диффе­ренцирующего и инвертирующего усилителей включены две ячейки транзисторных эмиттерных повторителей. В канале фор­мирования импульсов дифференцированием управляющего сиг­нала выделяются разнополярные сигналы требуемого перехода напряжения преобразователя через нуль. Эти сигналы воздей­ствуют на эмиттерные повторители ЭП{ и ЭП2, на выходе ко­торых получаются импульсы, соответствующие моментам на­чала положительной и отрицательной полуволн напряжения ТНПЧ. С выхода блока преобразования синусоидальных сигна­лов БПСН (рис. 1.9) импульсы выходных эмиттерных повтори­телей поступают на блок триггеров БТР управления выпрями­тельными группами тиристоров ТРВ и инверторными группами тиристоров ТРЯ. Посредством триггеров задается режим работы выпрямительной и инверторной групп.

Для точного воспроизведения частоты и фазы выходного на­пряжения ТНПЧ используется такое же следящее регулирова­ние, как и в системах ТПЧ (рис. 1.8). Для слежения за частотой и фазой напряжения ТНПЧ контролируется его выходное на­пряжение, которое вначале перечитывается из трехфазной си­стемы Ua, Ub и Uc в двухфазную Ua и С/g, а затем в отдельных блоках выделения модуля и деления выявляются единичные сигналы с мгновенными значениями синусной и косинусной со­ставляющих напряжения ТНПЧ—in=cos(p(1 и t/jj = sin(p(1. В блоках перемножения эти сигналы перемножаются с мгно­венными значениями задающих сигналов управления £/*‘ = cos<p< и С/р* = sin qpf. В результате последующего суммирования полу­чается управляющий сигнал t/y = sin (ф/ — ера). Этот сигнал че­рез ПИ-регулятор фазы РФ воздействует на систему импульсно­фазового управления ТНПЧ и обеспечивает точное соответствие частоты и фазы выходного напряжения задаваемому из систе­мы векторного управления асинхронного привода.

Следует обратить внимание на то, что известные ограниче­ния частоты выходного напряжения ТНПЧ в зависимости от частоты напряжения сети /тнпч» 0,5/с сохраняются и при управ­лении ТНПЧ в системах векторного управления. Для расшире­ния диапазона частот выходного напряжения ТНПЧ в системах векторного управления могут быть использованы известные ре­шения для приводов ТНПЧ-АД, а именно использование для пи­тания ТНПЧ источников повышенной частоты и применение принудительной коммутации тиристоров преобразователя.

1.2.4. Низкочастотные ТНПЧ на базе реверсивных преобра­зователей постоянного тока (рис. 1.11). В системах векторного управления для низкооборотных частотных электроприводов по­является возможность использования стандартных реверсивных тиристорных преобразователей постоянного тока, которые вклю­чаются в каждую фазу двигателя и управляются сигналами, поступающими с выхода системы векторного управления при­водом. В каждой фазе привода имеется контур регулирования мгновенного тока с регуляторами тока РТА, РТ в, РТС и контуры

регулирования мгновенного напряжения с регуляторами напря­жения РНа, РНв, РНс, с которых подаются управляющие им­пульсы на реверсивные выпрямители УВА, УВв, УВс.

Отличительной особенностью схемы является возможность регулирования угла открытия а и длины пилообразного опор­ного напряжения управления тиристорами [9J.