Лекция 3.4.Комплектные электроприводы на основе трехфазных асинхронных двигателей с частотным управлением

Рассмотренные выше методы частотного управления трехфазными асинхронными двигателями в настоящее время широко используются для создания комплектных исполнительных механизмов (электроприводов) с широким диапазоном регулирования скорости.

Комплектные преобразователи частоты для системы ПЧ-АД. Широкий класс автоматизированных комплектных и унифицированных электроприводов на основе системы ПЧ-АД может быть выполнен на базе преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока серии «Универсал». Преобразователи выпускаются в диапазоне мощностей от 0, 55 до 160кВт; преобразователи большой мощности используются в силовых приводах самих рабочих машин и установок, а преобразователи в доли и единицы кВт могут успешно использоваться в исполнительных устройствах систем автоматизации и управления для привода регулирующих органов. Блок управления представляет собой микроконтроллер на на базе Intel18 и может быть трех типов: А – не перепрограммируемый, Б – перепрограммируемый производителем и В – интеллектуальный, перепрограммируемый пользователем. Основные технические характеристики преобразователей серии «Универсал» приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

В станках с ЧПУ в качестве приводов главного движения могут использоваться комплектные реверсивные электроприводы типа ГАП с транзисторными управляемыми инверторами напряжения. Приводы комплектуются трехфазными асинхронными двигателями базовой серии 4А мощностью от 1, 5 до 18, 5 кВт, диапазон регулирования скорости замкнутого привода от 400 до 1000. Во вспомогательном оборудовании могут использоваться комплектные реверсивные преобразователи типа ЭПА-1, число управляемых трехфазных асинхронных двигателей от 1х2, 2кВт до 3х4кВт, диапазон регулирования скорости до 60.

Фирма HITACHI выпускает широкий спектр преобразователей частоты с микроконтроллерным управлением серий J100, J300, JE300, L100, L300Plus c дипазоном регулирования выходной частоты от 0, 1 до 400Гц и выходного напряжения от 0 до значения напряжения питания.

Фирма OMRON выпускает однофазные и трехфазные преобразователи частоты серии 3G3 с микроконтроллерным (при необходимости аналоговым) управлением в диапазоне мощностей от 0, 1 до 300кВт с диапазоном регулирования выходной частоты от 0, 1 до 400Гц и выходного напряжения от 0 до значения напряжения питания.

Комплектные электроприводы на основе системы ПЧ-АД с векторным управлением. Электроприводы этого типа разрабатываются и имеют тенденцию широкого применения в промышленных исполнительных устройствах, в частности устройствах главного движения и подачи станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Исходной информацией для построения системы векторного управления является информация о мгновенных значениях тока статора, угловой скорости и углового положения ротора, о пространственном положении вектора магнитного потока в воздушном зазоре машины. Реализация этого метода требует большого количества вычислений. Необходимо преобразовать трехфазную систему токов в двухфазную в неподвижной системе координат; после чего её нужно привести к системе координат, вращающейся со скоростью ротора или потока ротора. Система уравнений принимает достаточно простой вид, сходный с уравнениями двигателя постоянного тока. Однако при этом заданная величина потока, соответственно момента, сравнивается не с истинной величиной, а с преобразованной. Поэтому для управления силовым преобразователем частоты необходимо выполнить обратные преобразования.

На рис.3.8 показана функциональная схема такого комплектного глубокорегулируемого привода «Размер 2М-5-21». Силовая часть состоит из автоматического выключателя А, нерегулируемого выпрямителя В, транзисторного управляемого инвертора УИ и асинхронного двигателя АД. Система управления включает устройство ЧПУ (УЧПУ), формирователь тока статора ФТ, формирователь фазных токов ФТФ, трехфазный регулятор тока РТ с широтно-импульсным модулятором, датчики тока ДТ_А и ДТ_В, датчик угла поворота ДУ, формирователь импульсного кода скорости перемещения ФИС, формирователь импульсного кода перемещения ФИП, формирователь импульсного кода разности скоростей ФИРС, сумматор С и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП.

Рисунок 3.8

Датчик ДУ выдает информацию об угловом положении ротора. Этот сигнал преобразуется формирователем ФИП в импульсный код фактического углового перемещения ИПФ, а в формирователе ФИС – в импульсный код фактической скорости двигателя ИСФ. Сигнал ИСФ поступает на вход сумматора С и одновременно на вход ЦАП, который формирует значение фактической скорости в аналоговом виде СФ.

Сигнал задания скорости ЗС, поступающий из УЧПУ, в аналоговом виде сравнивается с фактической скоростью двигателя СФ. Сигнал разности скоростей РС поступает на ФТ. Сюда же поступает информация ПСК о токах статора и потоке двигателя в преобразованной двухфазной вращающейся системе координат, рассчитанная в УЧПУ на основе сигналов от датчика угла поворота ДУ и датчиков тока ДТ_А и ДТ_В.В соответствии с сигналом РС и данными ПСК формирователь ФТ формирует амплитуду и фазу тока статора ТС таким образом, чтобы составляющая тока статора, определяющая поток, оставалась постоянной, а требуемое регулирование момента осуществлялось только изменением второй (ортогональной) составляющей тока статора, создающей момент двигателя.

Сигнал РС, преобразованный в импульсный код ИРС, поступает на сумматор С; в результате суммирования частот сигналов ИРС и ИСФ формируется сигнал требуемой частоты фазных токов ЧТ, который поступает в ФТФ. По заданным амплитуде, фазе и частоте тока статора в двухфазной системе координат ФТФ формирует заданные токи фаз А и В (Т_А и Т_В) в трехфазной системе координат, сдвинутые во времени на 2/3 периода. Ток третьей фазы С есть сумма токов фаз А и В с обратным знаком.

Регулятор тока РТ на основе сравнения заданных значений токов Т_А и Т_B с фактическими значениями, полученными от ДТ_А и ДТ_B, вырабатывает сигнал управления СУ для непосредственного управления инвертором УИ и, соответственно, скоростью и моментом двигателя.

В таблице 3.6 приведены основные технические показатели отечественных комплектных приводов «Размер 2М-5-21». Все электроприводы являются реверсивными.

Таблица 3.6

Среди преобразователей частоты упомянутых выше зарубежных фирм наиболее перспективными для реализации векторного способа управления являются преобразователи типа 3G3FV фирмы OMRON. Они отличаются высокими динамическими показателями, широким диапазоном регулирования скорости, возможностью работы с полным моментом при частотах, близких к нулю. Преобразователь имеет встроенный ПИД–контроллер. Программное обеспечение для программирования блока управления работает в среде Windows. В таблице 3.7 приведены основные технические данные этих преобразователей.

Таблица 3.7

Следует отметить, что возможно выполнение систем векторного управления и без прецизионных датчиков угла поворота ротора или датчиков скорости. Информация о действительной скорости, соответственно угле поворота формируется косвенным методом на основе анализа соотношения модулей и фаз напряжений и токов в обмотках статора. Конструктивная реализация системы проще, но характеристики могут уступать системам с реальными датчиками.