Технические характеристики частотных электроприводов серии АТ01

 

АТ01-15 АТ01-22 АТ01-37 АТ01-55 АТ01-75 Полная мощность, кВ • А Номинальная мощность двигателя, кВт Номинальный ток нагрузки / д 'HOMt " Ток перегрузки в течение 120с(1,2/_но„), А

Электроприводы серии АТ01 характеризуются следующими параметрами:

Диапазон регулирования скорости.........................1:10

КПД (без учета электродвигателя), не менее..................0,95

Коэффициент мощности, не менее........................0,97

Параметры питающей сети:

число фаз..........................................3

напряжение, В.............................380, ±10 -15 %

частота, Гц.........................................50

Параметры выходного напряжения (питание электродвигателя):

число фаз..........................................3

номинальное напряжение, В......................380 ±2 %

номинальная частота, Гц.........................50+0,1 %

предел регулирования напряжения, В..................0...380

предел регулирования частоты, Гц................1,0...50 (100)

частота дискретизации, Гц.........................3906,25

От описанного ранее электропривода ЭКТ2 электроприводы серии АТ01 отличаются применением силовых транзисторных ключей на IGBT-модулях и микропроцессорной системы управ­ления. В электроприводе реализовано частотное управление по закону и// = const с возможностью настройки параметров с кла­виатуры пульта управления. Выпрямленное с помощью диодного выпрямителя напряжение сети преобразуется в АИН с ШИМ в напряжение переменных частоты и амплитуды.

К основным задачам микропроцессорной системы автомати­ческого управления (МПСАУ) относятся расчет и поддержание требуемых значений выходных параметров — частоты и напря­жения, а также диагностика и индикация текущего состояния преобразователя и выполнение защитных функций. Благодаря встроенному программному обеспечению МПСАУ пользователю предоставляется значительная гибкость в управлении, диагно­стике, адаптации работы электропривода к конкретному техно­логическому процессу путем программирования режимов работы и формирования дискретных и аналоговых выходов.

В состав МПСАУ входят следующие функциональные узлы (см. рис. 2.85): микроконтроллер (МК); ЗУ; блок ШИМ; таймер (часы) реального времени (Т); УВВ дискретных сигналов; блок аналоговых адаптеров (БАА), содержащих встроенные АЦП и активные фильтры на каналах измерения выпрямленного на­пряжения U<i и тока 1й, схема защиты (СЗ); интерфейс радиаль­ный последовательный (ИРПС); контроллер клавиатуры и ин­дикации (ККИ); пульт управления, содержащий клавиатуру и индикацию; формирователи (драйверы БДР) сигналов U\...U(, управления силовыми ключами; блоки питания (на схеме не показаны).

Микроконтроллер выполнен на основе БИС N8XC5IGB и представляет собой набор функциональных блоков, связь между которыми осуществляется через ШАД. Запоминающее устройст­во содержит ПЗУ для хранения программ и ППЗУ для хранения программируемых параметров (с сохранением информации после снятия напряжения).

Блок ШИМ служит для формирования сигналов, поступаю­щих на БДР.

Рис. 2.85. Функциональная схема управления электроприводом серии АТО ¹

Таймер реального времени позволяет принимать задающие сигналы в зависимости от времени суток и изменять режим рабо­ты электропривода (например, регулировать расход воды).

Программное обеспечение охватывает следующие функции:

• предоставление информации о состоянии преобразователя (напряжение Щ, ток k, мощность нагрузки, текущее значение задания, текущая частота, текущее значение технологического параметра Р и др.);

• выбор источника управления: от потенциометра RP; от дистанционного ПУ (цифровым способом по каналу ИРПС); аналоговым сигналом по каналу обратной связи;

• программирование: работы преобразователя в зависимости от времени суток; параметров управляющего сигнала; парамет­ров сигнала обратной связи; параметров ПИ-регулятора и тем­пов изменения выходной частоты; соотношения U/f; номиналь­ных и предельных режимов работы; условий пуска/отключения, функций релейных выходов, алгоритма управления тормозным резистором (в звене постоянного тока), параметров для работы в локальной вычислительной сети.

Приведенные технические решения позволяют говорить о пер­спективности применения электроприводов серии АТ01 для ши­рокого класса механизмов.

2.4.8. Асинхронные электроприводы с векторным управлением

Векторное управление основано на том, что контролируется не только величина (модуль) управляемой координаты, но и ее пространственное положение (вектор) относительно выбранных осей координат.

В рассмотренных выше системах (см. п. 2.4.6) при управле­нии использовались скалярные величины — напряжение статора, ток статора, частота. Для реализации векторного управления осуществляется контроль мгновенных величин напряжения, тока и потокосцепления, которые являются составляющими соответ­ствующих векторов. Путем несложных математических преобра­зований асинхронный двигатель, характеризуемый большим количеством нелинейных перекрестных связей, можно представить линейной моделью с двумя каналами управления — моментом и потоком. Это позволяет производить синтез таких систем, подоб­но системам ЭП постоянного тока. Подобное удобство управле­ния требует многократных преобразований координат ЭП, что не является препятствием, учитывая современный уровень развития микроэлектроники, особенно микропроцессорной техники.

Для понимания сущности векторного управления воспользу­емся принципиальной схемой двухфазной двухполюсной обоб­щенной машины (рис. 2.86), к которой может быть приведена симметричная машина, имеющая m-фазную обмотку статора и я-фазную обмотку ротора.

Рис. 2.86. Принципиальная схема двухполюсной двухфазной обобщенной машины

(расположение осей координат и обмоток): 1 — статор; 2 — ротор Допустим, что система координат вращается в пространстве с произвольной скоростью ю_к. Тогда дифференциальные уравне­ния АД в векторной форме (ось и — действительная, v — мни­мая) будут иметь следующий вид:

(2.62)(2.63)

где u_s, Щ, i_s, i₂, \j7-s> V2 — соответственно векторы напряжений, токов и потокосцеплений статора 1 и ротора 2; j — обозначение мнимой оси; Zn — число пар полюсов; L_m — взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; /₂ — комплексно-со­пряженный вектор i-i; 1т — мнимая часть комплексной перемен­ной; ю_к — угловая скорость ротора.

Потокосцепления вычисляются по следующим формулам:

(2.64)

где L_s(L_sa + L_m) и L₂(L₂<, + L_m) — индуктивности фазных обмо­ток соответственно статора и ротора.

Уравнения (2.62) можно записать, используя проекции обоб­щенных векторов на оси координат и, v, т.е. в скалярной форме:

(2.65)

В зависимости от используемых переменных состояния АД уравнения момента могут иметь различную форму. Кроме приве­денного уравнения (2.63) применяют следующие выражения элек­тромагнитного момента:

(2.66)

Уравнения обобщенной машины для системы координат uv (2.62) могут быть записаны в любой системе координат. Выбор ко­ординатных осей зависит от типа машины (синхронная, асинхрон­ная) и целей исследования. В практике ЭП нашли применение следующие системы координат: неподвижная система координат ар (©к = 0); синхронная система координат АУ (сок = соо) и система координат dq, вращающаяся вместе с ротором (со_к = со). Взаимное расположение векторов переменного АД приведено на рис. 2.87.

Переход от уравнений обобщенной машины (2.62), (2.63) к уравнениям реальной трехфазной асинхронной машины осу­ществляется с помощью уравнений координатных преобразование.

2.87. Векторная диаграмма: % = 8₂ + в_г — угол потока;

О,, = в_м + ф — угол вектора напряжения (XY); 6« = 9„ + 8_V — угол вектора тока (а0)

(9_М — угол момента, q> — угол между векторами тока и напряжения)

^

 

ний и замены переменных обобщенной машины реальными фазными значениями переменных АД. Формулы координатных преобразований получены при условии постоянства мощности обеих машин. Они могут быть получены для любых переменных, записанных в любых осях. При этом преобразования реальной машины к обобщенной называются прямыми, а преобразования обобщенной машины к реальной — обратными. Например, фор­мулы прямого преобразования фазных напряжений статора u_sa, Щь, u_sc к уравнениям и_т, и$ в осях ар имеют вид:

(2.67)

Формулы обратного преобразования

Mja — Usa >

Usb =(~Usa +А/ЗИ45)/ 2, U_sc =(-М_ю -л/ЗИф)/ 2. (2.68)

Для рассмотрения векторного управления выбирается система координат XY, вращающаяся в пространстве со скоростью поля, т.е. о)_к = соо, за последнюю принимается скорость вектора потокосцепления ротора \j/2- Здесь необходимо отметить, что скорости вращения векторов напряжения, тока и потокосцепления одина­ковы лишь в установившихся режимах, а в переходных процессах они различны. Принцип векторного управления, как уже отмеча­лось, заключается в том, что вектор переменной (тока, напряже­ния и т.д.) располагают в пространстве определенным образом. Наиболее эффективно с точки зрения простоты синтеза системы расположить вектор потокосцепления vj7₂ вдоль вещественной оси X синхронной системы координат, вращающейся со скоростью поля. В этом случае При этом урав-

нения АД с короткозамкнутым ротором имеют вид:

(2.69)

где К\ = L_s— Кг L_m; Кг = Ь_т/Ьг, сог = соо — со — частота скольжения или частота тока ротора.

Анализируя уравнения (2.69), можно заметить их некоторое сходство с уравнениями двигателя постоянного тока: момент в (2.69) пропорционален потокосцеплению ротора и составляю­щей вектора тока статора i_sy, а потокосцепление пропорциональ­но составляющей /и. Это дает возможность, подобно двигателям постоянного тока, раздельно управлять потоком и моментом, т.е. принцип векторного управления приближает асинхронный дви­гатель с его синусоидальными переменными к двигателю посто­янного тока. Кроме того, векторное управление позволяет ис­пользовать при синтезе методы подчиненного регулирования, широко распространенные в электроприводах постоянного тока. Различие (не в пользу векторного управления) состоит в том, что независимое управление потоком, моментом и скоростью осу­ществляется не реальными переменными двигателя, а преобра­зованными к иной системе координат.

На рис. 2.88 изображена функциональная схема векторного управления АД. В обозначениях сигналов управления и обрат­ных связей использованы следующие индексы: з — задание; У — управление; ОС — обратная связь по скорости; с — скорость; / — ток; х, у — принадлежность переменных к синхронной системе координат; а, р — принадлежность переменных к неподвижной системе координат; ф — потокосцепление; а, Ь,с — индексы фаз.

Схема выполнена на основе принципа подчиненного регули­рования и содержит три контура:

1) скорости (внешний); содержит датчик скорости BR и регу­лятор скорости вращения (момента) AR;

2) потокосцепления (магнитного потока) с регулятором потока Av|/ и каналом обратной связи, имеющим выходную величину щ;

3) активной ^ и реактивной 4е составляющей вектора тока статора с регуляторами АА2 и АА1.

Сигнал обратной связи по току статора осуществляется датчиком тока UA, который измеряет фазные токи двигателя в двух фазах, например А и В, и вырабатывает сигналы u_ia и ы,*. Для преобразо­вания этих сигналов к неподвижной системе координат ар служит

функциональный преобразователь U1, работающий в соответст­вии с формулами (2.67) прямых координатных пгеобоаяпяячий-

и cos ф = и_фо/ы_ф, которые в преобразователе А2 позволяют перей­ти от неподвижных координат _ар к координатам XYno следую­щим формулам:

Измерение потокосцепления может производиться с помо­щью различных устройств, например измерительной обмоткой укладываемой в те же пазы, что и силовая обмотка. Наибольшее распространение получили датчики Холла, помещаемые в воз­душный зазор двигателя. Сигналы датчика Uy преобразуются в функциональном преобразователе U2 по формулам (2.67) в сиг­налы и_фа и Ыфр неподвижной системы координат. Полученные ве­личины необходимо преобразовать к системе координат XY вра­щающейся в пространстве со скоростью поля двигателя С этой целью в поеобоазователе D выделяется модуль потокосцепления ^{ротора в} виде соответствующего сигнала и_ф,

(2.71)

Напомним, что сигналы напряжения и_фа, «_фр, _Uix, u_iy пропор­циональны соответствующим физическим величинам.

На вход регулятора потокосцепления Ау подается разность сигналов задания потокосцепления м_зф и обратной связи м_ф, т.е. «у.Ф = "з.ф - м_Ф, а на выходе Ау формируется сигнал задания тока статора по оси X, т.е. u_3ix. Разность сигналов u_3ix - _Uix, проходя че­рез регулятор тока АА1, превращается в сигнал и*_ы. Аналогич­ные преобразования имеют место в канале управления по оси Y за исключением того, что здесь установлен регулятор скорости (момента) AR, выходной сигнал которого делится на сигнал мо­дуля потокосцепления м_ф для получения сигнала задания тока и по оси Y. На выходе регулятора АА2 составляющей тока статора по оси Г вырабатывается сигнал и!_у, который вместе с сигналом и,* подается на входы блока А1, функционирующего в соответст­вии с первыми двумя уравнениями (2.69). На выходе блока А1

получаем преобразованные сигналы и_х и щ, в которых отсутству­ет взаимное влияние контуров регулирования составляющих то­ков по осям XylY. Управляющие сигналы и_х и и_у, записанные во вращающейся системе координат XY, в координатном преобра­зователе A3 превращаются в сигналы управления ПЧ в непод­вижной системе координат аВ по уравнениям

(2.72)

Для управления силовыми ключами ПЧ в трехфазной системе координат необходимо с помощью АЧ получить сигналы иу_а, иуь, му_св соответствии с формулами обратного преобразования (2.68):

(2.73)

Таким образом, благодаря координатным преобразованиям в системе векторного управления ЧЭП выделяют два независи­мых канала регулирования: потокосцепления (магнитного пото­ка) и скорости вращения (момента). В этом смысле система век­торного управления аналогична электроприводу постоянного тока с двухзонным регулированием скорости.

Для многократного преобразования координат электропри­вода в соответствии с приведенными выше формулами служат специализированные микропроцессорные контроллеры класса DSP, работающие в режиме реального времени. Это позволяет получить глубокорегулируемые ЭП с высоким быстродействием, используя асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Существует множество структурных решений векторного управления. Рассмотренная на рис. 2.88 функциональная схема векторного управления АД относится к классу прямого вектор­ного управления, при котором непосредственно измеряется по-токосцепление (магнитный поток). При косвенном векторном управлении измеряют положение ротора АД и электрические па­раметры (ток, напряжение). Такие системы получили большое распространение по двум причинам:

1) измерение потока трудоемко;

2) датчик положения необходим во многих промышленных ЭП (например, позиционный ЭП станков с ЧПУ и автоматиче­ских манипуляторов).

Если нет необходимости измерять положение ротора, приме­няют так называемое «бездатчиковое» векторное управление (датчик положения ротора отсутствует). Однако последнее тре­бует более сложных вычислительных процедур.

Источник питания (3 фазы)

Рис. 2.89. Схема подключения комплектного электропривода (описание клемм силовых и клемм управления см. на с. 194)

Электропривод с векторным управлением обеспечивает ши­рокий диапазон регулирования скорости (до 10 000) и во многих случаях заменяет широкорегулируемый ЭП с коллекторными двигателями постоянного тока.

Комплектный ЭП изготавливают многие предприятия. Схе­ма подключения комплектного ЭП приведена на рис. 2.89.

Клеммы силовые: R, S, T (LI, L2, L3) — клеммы питания; U, V, W (Tl, T2, ТЗ) — выход преобразователя частоты; PD, Р — подключение дросселя в промежуточном звене постоянного тока; Р, RB — внешний тормозной резистор; Р, N — внешний модуль торможения; G — защитное заземление.

Клеммы управления: L — клемма «общий» для аналоговых входов и выходов; Н — питание потенциометра задания частоты; О — клемма установки выходной частоты напряжением; 01, 02 — дополнительная клемма установки выходной частоты соответст­венно током и напряжением; AM — импульсный выход (напря­жение); AMI — аналоговый выход (ток); Р24 — клемма питания; СМ1, ПС, 12С, AL0 — клемма «общий»; PLC — общая клемма для внешнего источника питания; FW — прямое вращение; 1, 2, 3, 4, 5 — программируемые дискретные входы; ПА — клемма программируемого выхода 11; 12А — клемма программируемого выхода 12; AL1, AL2 — реле сигнализации; ТН — вход термистора.

Контрольные вопросы

1.Покажите вращающееся магнитное поле при симметричном пи­тании при числе фаз, отличном от трех, например при т = 2, т = 6.

2.Каковы негативные последствия регулирования скорости напря­жением в цепи статора при длительном режиме работы?

3.Для каких механизмов предпочтительно регулирование скорости изменением напряжения?

4.По какой причине частотное регулирование скорости АД являет­ся наиболее экономичным?

5.Должно ли регулироваться напряжение при регулировании час­тоты и почему?

6. Какие ограничения имеются при регулировании частоты АД сверх номинального значения?

7. Какие типы преобразователей частоты для питания АД вы знае­те? Приведите формы напряжения на двигателе.

8. Какие способы коммутации тиристоров вы знаете?

9. Какими способами осуществляется регулирование напряжения статических преобразователей?

10.В чем существенное различие инверторов тока и напряжения?

11.Возможно ли рекуперативное торможение в системе частотного электропривода? Что для этого нужно в системе АИН-АД и системе НПЧ-АД?

12. Возможно ли получение частоты питания АД выше частоты сети в системе НПЧ-АД?

13.Какие комплектные частотные электроприводы вы знаете?

14.Каково назначение конденсатора в звене постоянного тока в преобразователе частоты на основе автономного инвертора напряже­ния при работе на АД?

15.Сравните значение коэффициента мощности для частотного электропривода с АД при питании от автономного инвертора напряже­ния и для АД при питании от сети (при одинаковых значениях частоты и нагрузки).

16. Поясните назначение диода VDK в схеме, приведенной на рис. 2.76, б.

17.Каково назначение диодов VD1...VD6 в схеме, приведенной на рис. 2.76, al Покажите форму тока, проходящего через один из них.

18.Какие системы координат применяются при векторном управлении?

19.Для чего при векторном управлении необходимо преобразование переменных из одной системы координат в другую?

20.Возможно ли векторное управление без датчиков магнитного по­тока АД?