Основные понятия и тенденции развития энергосбережения

- высокая надежность привода в целом;

- экологическая чистота производства (отсутствует вредная для окружающей среды операция пропитки статора в целом, пропитываются лишь катушки) и утилизации (легко разделяются железо и медь, отсутствуют вредные в переработке редкоземельные магниты).

        Хорошо  известны и основные недостатки  ВИД:

- неработоспособность привода при отказе электронного коммутатора; асинхронный и синхронный приводы могут продолжать работать от сети при полном отказе преобразователя частоты;

- некоторое усложнение конструкции в силу необходимости использования датчиков положения ротора;

- весьма   сложная   и    не  до  конца  отработанная  процедура проектирования привода для достижения высоких технических показателей.

       Сопоставление  достоинств и недостатков вентильно-индукторного  привода позволяет прогнозировать  его скорый выход на широкий  рынок регулируемых электроприводов  в качестве сильного конкурента  традиционным приводам постоянного  тока и частотно-регулируемым  асинхронным и синхронным приводам.

       Приведем  по зарубежным данным некоторые  показатели трех типов электроприводов  для машины с высотой вала 112 мм (табл.5.1).

Таблица 5.1 - Показатели трех типов электроприводов

 

Тип электропривода	Номинальная  мощность, кВт	Номинальная мощность к oбъему активных материалов	КПД
Постоянного тока Асинхронный Вентильно-индукторный	7 9 11	1 1,2 1,7	76 81 85

               

Совокупность свойств  вентильно-индукторного привода позволяет  прогнозировать наиболее перспективные  области его применения в ближайшие  годы:

- электрический транспорт, в частности автономный, с аккумуляторным питанием, а также городской;

- центробежные машины – вентиляторы, насосы, где ВИД может революционно изменить привычные конструктивы и режимы, дать заметный эффект в сфере энерго- и ресурсосбережения;

- станки, другие обрабатывающие машины;

- бытовая техника.

  Весьма интересны  перспективы встраивания элементов  ВИД в технологические машины  – мотор-колесо, крыльчатка вентилятора,  совмещенная с ротором обращенной  машины и т.п.

  Освоение в производстве  современных эффективных вентильно  – индукторных электроприводов,  кроме основного результата –  повышения качества обслуживаемых  ими технологических процессов  при одновременном резком (до 50%) снижении энергетических затрат, позволит существенно снизить  трудозатраты при производстве  и эксплуатации, избавиться от  импорта дорогостоящих изделий,  приведет к заметному увеличению  числа рабочих мест в сфере  производства элементов электроники  и импортируемых ими устройств,  позволит расширить экспорт высоких  технологий.

Вместе с тем, очевидно, что новый привод – продукт  высоких технологий – потребует  заметных усилий разработчиков,   исследователей, конструкторов для полной реализации всех его потенциальных достоинств. 

 

 

 

 

 

 

6 ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

 

На рис.6.1 показана структура привода переменного тока с векторным управлением. В качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.

Рисунок 6.1 - Структура привода переменного тока с векторным управлением

 

В качестве силового преобразователя используется инвертор на IGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера (А, А/, В, В/, С, С/) работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции). Это обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения звена постоянного тока и минимизацию динамических потерь в инверторе.

 Структура  на рис.6.1 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который может быть реализован на основе специального периферийного устройства — таймера с "квадратурным" режимом работы. Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины q. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либо специальные периферийные устройства микроконтроллера, принцип действия которых основан на измерении временного интервала отработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости), либо периферийные устройства общего назначения, такие как процессоры событий. В последнем случае таймер, работающий в "квадратурном" режиме является базовым для одного из каналов сравнения.

При отработке  двигателем заданного отрезка пути, возникнет прерывание по сравнению. В процедуре обслуживания этого  прерывания центральный процессор  определяет временной интервал с  момента   предыдущего   прерывания   и   выполняет   расчет   текущей   скорости   привода. Желательно, чтобы таймер, работающий в "квадратурном" режиме, допускал начальную инициализацию в соответствии с числом меток на оборот импульсного датчика положения, а также имел режим автоматической коррекции своего состояния по реперному датчику. Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением как по числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так и с регулируемым     разрешением   по    времени   (максимальное  разрешение

50-100 нс  при диапазоне регулирования  разрешения 1:128). Если перечисленные  выше требования к периферийным  устройствам микроконтроллера будут  выполнены, то окажется возможным  измерение скорости в диапазоне,  как минимум, 1:20000 с точностью,  не ниже 0,1%.

Для измерения  электрических переменных микроконтроллер  должен иметь встроенный АЦП с  разрешением не ниже 10-12 двоичных разрядов и временем преобразования не ниже 5-10 мкс. Как правило, восьми каналов  АЦП достаточно для приема не только сигналов обратных связей по токам  фаз, но и сигналов обратных связей по напряжению и току в звене постоянного  тока, а также внешних задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналы используются для реализации защит инвертора и двигателя. Работа АЦП будет более производительной если микроконтроллер допускает режим автоматического сканирования и запуска процесса преобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельного периферийного устройства — процессора периферийных транзакций, либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий или генератора ШИМ сигналов. Выборка как минимум двух аналоговых сигналов должна быть одновременной.

На основе полученной информации о токах фаз I_а и I_b восстанавливается значение тока в фазе С (I_с) и выполняется преобразование токов к неподвижной системе координат, связанной со статором (а, b, с). Переход от неподвижной системы координат к подвижной, связанной с текущим положением ротора, позволяет рассчитать компоненты результирующего вектора тока статора по осям d и q соответственно.

Известно, что момент синхронного двигателя  с возбуждением от постоянных магнитов прямо пропорционален составляющей вектора тока статора по поперечной оси q. При этом для минимизации общего потребляемого двигателем тока желательно поддерживать ток по продольной оси d равным нулю. Таким образом, выход регулятора скорости привода РС следует подключить на вход регулятора тока по поперечной оси (РТ I_q), а на вход регулятора тока по продольной оси (РТ I_d), подать нулевое задание. Обычно регуляторы скорости и токов являются пропорционально-интегральными. Выходные сигналы регуляторов тока пропорциональны компонентам результирующего вектора напряжения статора по осям d и q соответственно. В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонент вектора напряжения к полярной системе координат (q,r), связанной с продольной осью ротора. Затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя U_а, U_b, U_с.

Все перечисленные  преобразования координат (прямые и  обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций, адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного  вычислительного блока, в котором  производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления  ротора. Это делается на основе решения  в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя. Естественно, что подобная операция требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.

Рассмотренная структура системы управления обеспечивает автоматическое формирование в фазах  двигателя синусоидальных токов  и напряжений при работе исполнительного  двигателя в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока с  оптимальным углом коммутации и  минимизацией пульсации электромагнитного  момента. В ряде применений, например, для приводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателями  постоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутации поддерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровень тока. Структура  системы управления при этом заметно  упрощается (рис.6.3).

Из сравнительно новых  методов управления частотно регулируемым приводом переменного тока с АД действительно  широко освоенными можно считать  следующие:

- векторное управление двигателями;

- векторная синусоидальная ШИМ.

Типичная  структура электропривода с векторным  управлением АД показана на рис.6.4.

Для реализации векторного управления необходимо иметь информацию о координатах соответствующего вектора в неподвижной системе координат, в которой производятся измерения, и об ориентации вращающейся системы координат, в которой осуществляется независимое регулирование электромагнитных и механических переменных. Далее производится векторное преобразование. Из возможных вариантов состава первичных измерителей  наибольшее распространение получили измерение тока  и положение ротора, а также измерение тока и напряжения (в приводах без датчика механического движения на валу двигателя).

Рисунок 6.2 - Структура электропривода с векторным управлением АД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.3 – Упрощенная структура электропривода с векторным управлением АД

 

Рисунок 6.4 – Типичная структура электропривода с векторным управлением АД

 

Применяемая векторная синусоидальная ШИМ поясняется на рис.6.5, на котором приведена диаграмма векторов выходных напряжений преобразователя (рис.6.5.а) и временная диаграмма фазных напряжений.

a     б

Рисунок 6.5 – векторная синусоидальная ШИМ

 

Относительные длительности реализации каждого из векторов (закон  модуляции) определяются однозначно. Что  касается последовательности переключений (закон коммутации), то она должна выбираться дополнительно. Центрированная ШИМ характеризуется симметричной диаграммой коммутации фазных напряжений на периоде (рис.6.5,б).

Функционирование процессорного  контроллера основывается на численном  интегрировании уравнений регуляторов  и моделей цепей АД и реализации векторных преобразований, показанных на рис.6.4. Поскольку выполнение операций осуществляется последовательно, расчет уравнений происходит с определенным временным запаздыванием на время выполнения цикла вычислений. Длительность цикла не должна превышать 20 мкс, иначе в переходных процессах сказывается запаздывание вычислений.

В современных электроприводах  часто используются цифровые системы  управления, в которых алгоритм управления реализуется без использования  микропроцессора, что позволяет  удешевить привод. Примером является реализация управления вентильным приводом с помощью специально разработанной  микросхемы с "жестко" зашитым  алгоритмом. Сопоставление схем управления электроприводом с жесткой логикой  и реализованных на микропроцессорном  контролере показывает, что первые, ввиду их значительно меньшей  гибкости, имеют смысл лишь для массовых применений при весьма большой серийности.

Типичным представителем электропривода с управляющими устройствами новых поколений можно считать 600-ю серию "бездатчиковых" силовых  преобразователей для общепромышленного  регулируемого асинхронного электроприводы фирмы АВВ. В этом приводе реализуется  не только векторное управление, но и современные методы оценки переменных состояния (для регулирования частоты  вращения в бездатчиковом приводе  необходимо ее оценить по измерениям тока и напряжения), а также система  релейного регулирования тока.