Проект лабораторного стенда по изучению частотного электропривода на базе автономного инвертора напряжения фирмы OMRON

фильтра является источником реактивной мощности, потребляемой АД, через

него замыкается переменная составляющая входного тока инвертора.

Специальный алгоритм ШИМ управления АИН осуществляет кроме

регулирования также улучшение гармонического состава выходного напряжения,

что обеспечивает высокую степень синусоидальности тока АД.

ЭП на основе ПЧ на основе АИН ШИМ содержит неуправляемый диодный

силовой выпрямитель В и АИН ШИМ (смотри рисунок 2). Регулирование гармоник

f1 и величины выходного напряжения U1 осуществляется в АИН за счёт

использования алгоритмов высокочастотного ШИМ-управления. Частота ШИМ

обычно составляет от 2 до 12 кГц, т.е. на порядок превосходит выходную

частоту АИН.

Форма кривой выходного напряжения при этом представляет собой

высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов

(смотри рисунок 4). Частота импульсов определяется частотой ШИМ,

длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН

промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока –

тока АД практически синусоидальна.

К силовым ключам АИН ШИМ предъявляются требования высокого

быстродействия и малых динамических потерь.

В тормозном режиме ЭП АИН из режима инвертирования переводится в режим

выпрямления (работает мост диодов обратного тока, через управляемые ключи

подводится энергия возбуждения АД). Полярность напряжения на входе АИН

сохраняется, а ток меняет своё направление. Поэтому для реализации

тормозного режима приведенная схема ЭП должна быть дополнена силовыми

элементами – либо обратным управляемым выпрямителем (работает в режиме

зависимого сетевого инвертора) для регенерации энергии в сеть, либо

управляемым ключом (блок БТ на рисунке 1) и тормозным резистором в цепи

постоянного напряжения для осуществления электродинамического торможения.

В режиме Ud = const регулирование значения и изменение формы выходного

напряжения возможно только путем трансформирования вида коммутационной

функции методами широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-

импульсной модуляции (ШИМ), требующих использования более сложных

алгоритмов переключения с многократным переключением вентилей.

Многократность предполагает многократный переход из проводящего состояния в

закрытое и обратно вентилей, участвующих в протекании тока из цепи

постоянного напряжения АИН в фазы АД в течение периода повторяемости

(смотри рисунок 6). Для этих целей ШИР, в качестве дополнительного,

используется переключение, переводящее АИН в одно из нулевых состояний

(1,3,5 или 2,4,6).

Это приводит к появлению нулевых пауз на соответствующих интервалах

коммутационной функции и обеспечивает регулирование действующего значения

выходного напряжения в диапазоне от “0” до “max”.

Для более сложных алгоритмов управления, основанных на применении

широтно-импульсной модуляции ШИМ, применяемых с целью улучшения качества

формы выходного напряжения (его гармонического состава) используется метод

коммутационного вектора. Целью метода является формирование управляющей

последовательности, обеспечивающей более плавное изменение выходных

напряжений при смене периодов повторяемости по сравнению со ступенчатой

формой напряжения, образуемого в результате работы алгоритма поочередного

управления вентилями. Т.к. в рассматриваемых схемах возможны только 6

рабочих (формирующих выходное напряжение) и 2 нулевых состояний вентилей,

требуемая форма выходного напряжения может быть получена только в

результате комбинационного действия различных состояний в течение периода

повторяемости.

Рассмотрим векторную диаграмму, на которой шесть рабочих состояний

представляются в виде векторов, смещенных относительно друг друга на ?/3

рад (600). Нулевые состояния представляются в виде векторов нулевой

длительности, расположенные в начале координат. Эти 8 векторов называются

базовыми векторами (смотри рисунок 5). Область, заключенная между двумя

соседними осями, определяет соответствующий период повторяемости.

Метод коммутационного вектора предполагает наличие, помимо базовых,

некоторого количества промежуточных векторов Uпр, располагающихся внутри

сегментов. Положение каждого промежуточного вектора определяется его

смещением относительно базового вектора для данного сегмента на угол i

(смотри рисунок 7). Промежуточный вектор может быть разложен на

составляющие путем проецирования на базовые векторы. Каждый период

повторяемости разбивается на определенное число интервалов (векторов) с

длительностью Tшим.

В результате действия данного алгоритма форма выходного напряжения

сглаживается.

1.4.2 Векторное управление асинхронным ЭД

Для получения высокого качества управления ЭП в статических и

динамических (переходных) режимах необходимо иметь возможность быстрого

непосредственного управления моментом ЭД.

Момент любого ЭД в каждый отрезок времени определяется величиной

(амплитудой) и фазой двух моментообразующих составляющих: тока и магнитного

потока. В АД токи и потокосцепления статора и ротора вращаются с

одинаковыми скоростями, имеют разные, изменяющиеся во времени фазовые

параметры и не подлежат непосредственному измерению и управлению. Доступной

управляемой переменной в АД является ток статора, имеющий составляющие,

образующие магнитный поток и момент. Фазовая ориентация этих двух

составляющих может быть осуществлена только внешним управляющим

устройством, чем и обусловлен термин “векторное управление”.

В структуре электропривода ЭД рассматривается как электромеханический

преобразователь ЭМП в виде идеализированного двигателя. Его ротор не

обладает массой и механической энергией, не имеет механических потерь

энергии и жестко связан с реальным физическим ротором, относящимся к

механической части ЭП. Такой ЭД может быть представлен электромеханическим

многополюсником, содержащим n пар электрических выводов по числу n обмоток,

и одну пару механических выводов (смотри рисунок 9). На механических

выводах в результате электромеханического преобразования (ЭМТ) энергии при

скорости ( развивается электромагнитный момент M. Момент M является

выходной величиной ЭМП и входной для механической части электропривода.

Скорость ( определяется условиями движения механической части, но для ЭМП

может рассматриваться как независимая переменная. Механические переменные M

и ( связывают ЭМП с механической частью в единую взаимосвязанную систему.

Все процессы в ЭД описываются системой уравнений электрического равновесия

(число уравнений равно числу обмоток) и уравнением электромеханического

преобразования энергии. Для этого в теории ЭП используют двухфазную модель

обобщенного ЭП (смотри рисунок 8), к которой приводятся абсолютно все виды

и типы электрических машин:

[pic]

?, ? – неподвижные оси статора; d, q – вращающиеся оси ротора; ? –

угол поворота ротора; [pic]- угловая скорость ротора;

Рисунок 8 – Модель обобщенного ЭМП.

Уравнение электрического равновесия i- обмотки:

[pic]

где [pic] - потокосцепление i-ой обмотки;

i=1a,…2q; j=1a,…2q, Ri – активное сопротивление обмотки, Li,j –

собственные и взаимные индуктивности обмоток. Величина взаимных

индуктивностей зависит от угла ( поворота ротора и от пространственного

сдвига обмоток, т.е. является функцией скорости (и времени). Именно поэтому

невозможно получить cos ? = 1.

Синтез алгоритмов и систем векторного управления АД базируется на

анализе двухфазной d – q модели АД (d и q – ортогональная система координат

ротора).

[pic]

Рисунок 9 – Схема векторного управления

Схема векторного управления состоит из трех основных функциональных

частей:

БРП – блок регуляторов переменных;

БВП – блок вычисления переменных;

БЗП – блок задания переменных;

На вход БРП поступают задающие сигналы скорости и потока, и сигналы

обратной связи (с выхода БВП) – ориентированные по полю значения

составляющих тока статора, потокосцепления ротора, и скорости. БРП содержит

набор регуляторов потока, момента, тока, на выходе которых формируются

также ориентированные по полю сигналы задания составляющих тока статора.

БЗП осуществляет фазовые и координатные преобразования задающих d – q

переменных в систему трехфазных сигналов управления ШИМ АИН. Блок БВП

вычисляет текущие значения амплитудных и фазовых параметров d – q

переменных АД, осуществляя фазовые и координатные преобразования реальных

трёхфазных сигналов токов и напряжений АД, поступающих с выходов

соответствующих датчиков.

Координатные преобразования, осуществляемые блоком БВП, заключаются в

переходе от реальных координат трёхфазной системы статора АД с осями d,q

(преобразование 3 > 2). Блок БЗП осуществляет обратные координатные

преобразования (2 > 3), от d-q к a,b,c.

Фазовые преобразования в этих блоках обеспечивают привязку фазовых

параметров переменных в двух системах координат.

На надежность, стоимость и качество характеристик ЭП влияют число

измеряемых параметров и точность измерений. Для векторного управления АД

надо измерять хотя бы две из четырех, доступных к измерению переменных:

1. Токи статора АД;

2. Напряжения на зажимах АД;

3. Угловая скорость ротора АД;

4. Угловое положение ротора АД;

Векторное управление позволяет практически в любой момент времени, при

любом положении ротора относительно статора, при любой угловой скорости и

нагрузке на машину, получить максимальный cos ? АД. Это, в свою очередь,

ощутимо повышает К.П.Д и момент эл. машины, который, в данном случае,

практически не зависит от угловой скорости двигателя.

1.5 Достоинства и недостатки АИН

1.5.1 Достоинства структуры ЭП на основе АИН:

а) Практически неограниченный диапазон регулирования частоты и

скорости;

б) Некритичность к мощности (в пределах допустимой) и количеству

подключенных АД

в) Возможность работать в режиме холостого хода при отключении АД.

г) Высокое, близкое к “1” значение коэффициента мощности сети

(cos ?) во всех режимах работы;

д) Синусоидальность выходного тока, плавное, без скачков, вращение

АД на скоростях, близких к нулевым;

ж) Высокие динамические показатели ЭП, обусловленные высоким

быстродействием ШИМ управления;

1.5.2 Недостатки структуры ЭП на основе АИН:

а) Достаточно высокий уровень радиопомех, могущих вызвать сбои

ЭВМ и контроллеров (силовые кабели необходимо прокладывать в

заземленных трубах).

б) Неэкономичность прокладки длинных питающих кабельных линий

между АИН и двигателем ввиду значительных токов ВЧ – утечки

на ноль (падает момент);

в) Необходимость установки специальных фильтров как на входе,

так и на выходе инвертора. Применение обычных фильтров

недопустимо.

г) Недопустимость применения любой коммутирующей аппаратуры на

выходе АИН.

д) Неустранимый ток высокочастотной утечки на ноль.

1.6 Обоснование выбора основных составляющих комплексного стенда

1.6.1 Основой стенда №6 является частотный преобразователь “Omron

3G3EV”. При выборе данного устройства мы руководствовались, прежде всего,

самым широким набором сервисных функций из всех фирм, предлагающих

автономные инверторы напряжения. Кроме того, серия 3G3EV рассчитана на

работу с двигателями мощностью от 100 Вт до 1,5 кВт, поэтому стоимость

входящих в нее инверторов относительно невысока.

Наше внимание привлек инвертор, относящийся к верхнему пределу линейки

мощностей данной серии, так как в колледже на момент выбора инвертора уже

имелась очень наглядная нагрузка – центробежная воздуходувка. Мощность её

двигателя составляла 1,5 кВт, что как раз соответствовало номинальной

нагрузке на инвертор. Применение воздуходувки интересно и со стороны

будущего совершенствования стенда – для построения замкнутой системы

управления необходимо лишь добавить термопару вместе с нагревательным

элементом, поместив их в воздушном потоке (контроллер “Ремиконт Р - 122”

уже установлен на стенде №7).

Автономные инверторы напряжения фирмы “Omron” позволяют осуществлять

дистанционное управление через дискретные и аналоговые входы, что широко

используется на современном производстве. Частотный электропривод наиболее

эффективно работает в системе “инвертор - контроллер”, что объясняется

широкими возможностями управления (задание частоты вращения двигателя как в

аналоговом, так и в цифровом виде), возможностью удаленного контроля за

режимом работы (ход/останов).

1.6.2 Основой стенда №7 является программируемый регулирующий

контроллер “Ремиконт Р - 122”, состоящий из двух полукомплектов, которые

дублируют друг друга. В целях снижения эксплуатационных расходов работает

только один комплект, остальные модули выключены из работы, но установлены

в корзине на случай отказа первого полукомплекта.

При выборе программируемого контроллера “Ремиконт” мы

руководствовались невысокой стоимостью данного устройства, эксплуатационной

надежностью, подтвержденной производственными условиями, и широкой

распространенностью устройств подобного класса на металлургическом

комбинате. Последнее обстоятельство позволяет утверждать, что практически

любые технические проблемы, возникшие с данным устройством, будут быстро и

квалифицированно решены ведущими специалистами, вызванными по договору с

ОАО “Северсталь”. В дальнейшем, при наличии выделяемых средств на

модернизацию существующей лаборатории электропривода, можно будет

произвести замену регулирующего контроллера “Ремиконт” на более совершенную

модель – “Ломиконт”, логический программируемый контроллер.

Пока же, на стадии становления лаборатории и учебного процесса на её

основе, технических возможностей существующей модели будет вполне

достаточно.

1.7 Основные узлы установки

Комплексный лабораторный стенд по изучению частотного электропривода

на базе автономного инвертора напряжения фирмы “Omron” состоит из двух

лабораторных стендов: №6 и №7. Стенд №6 представлен частотным

преобразователем “Omron 3G3EV” и асинхронным электродвигателем, работающим

на центробежную воздуходувку. Стенд №7 – это программируемый регулирующий

контроллер “Ремиконт Р - 122”, соединенный со стендом №6 посредством

гибкого многожильного кабеля.

1.8 Комплексное взаимодействие стендов

Стенд №6 и №7 были задуманы таким образом, чтобы использовать их как

один комплексный стенд. Стенд №7 реализует обработку сигналов обратной

связи (в проекте), осуществляет управление стендом №6 (запуск, останов,

регулировка частоты вращения, выбор его направления). Для реализации

замкнутой системы регулирования к стенду №7 могут подключаться различные

датчики, но наиболее перспективной, на мой взгляд, является система

“термопара – нагревательный элемент”, находящиеся в регулируемом воздушном

потоке. Эта система позволит не только осуществлять поддержание заданной

температуры, но и осуществлять “аварийное” отключение нагревательного

элемента, при его перегреве. Стенд №7 может также обрабатывать сигналы и со

всех остальных стендов лаборатории электропривода, что позволит

осуществлять демонстрацию всех возможностей систем привода, существующих в

колледже. Планируется также завязать, по возможности, все лаборатории, где

есть программируемые контроллеры, в сеть. Такая система позволит учащимся

на своём опыте ощутить реальное взаимодействие ПК в составе имитаций

различных технологических процессов.

Специальная часть

2.1 Функциональные возможности стендов

Лабораторные стенды №6 и №7 предназначены для проведения лабораторных

работ, связанных с изучением систем современного привода.

Каждый из стендов, исходя из их технических и функциональных возможностей,

способен как принимать аналоговые и дискретные сигналы, так и выдавать их.

Комплексное взаимодействие стендов построено на взаимном обмене аналоговыми

и дискретными сигналами, в зависимости от цели проводимой лабораторной

работы. Современное производство базируется на подобном взаимодействии, что

определяет важное значение в лаборатории привода этих стендов.

Лабораторный стенд №6 построен на базе автономного инвертора

напряжения фирмы “OMRON”. Данное устройство является лучшим в своём классе.

АИН позволяет управлять асинхронным электродвигателем частотным методом,

причем задание на частоту подается как с аналогового, так и с дискретного

входа. АИН обладает рядом защит, обеспечивающих высокую защищенность как

самого инвертора, так и подключенного к нему двигателя.

К числу этих защит относятся: защита от перенапряжения во входной цепи,

защита от обрыва одной из выходных фаз, защита от перегрева радиатора

выходных транзисторов, защита от перегрузки по току, защита от сбоя в

электронной части. Защитной реакцией инвертора является остановка с

дисплейной индикацией кода ошибки. Коды ошибок и пути их устранения

приведены в инструкции по эксплуатации.

Лабораторный стенд №7 построен на базе регулирующего контроллера

“Ремиконт Р-122”, состоящего из двух полукомплектов, которые дублируют друг

друга. Контроллер позволяет осуществлять дистанционное управление

различными устройствами через дискретные и аналоговые входы. Для расширения

функциональных возможностей этот контроллер может быть не только расширен

до логического программируемого, но и может быть завязан в сеть с другими

контроллерами. В рамках данной лаборатории, кроме стенда №6 он может

управлять другими стендами, например, стендами с тиристорным приводом.

2.2 Описания лабораторных работ

2.2.1 Лабораторная работа №1: “Ознакомление с функциональными

возможностями пульта оператора АИН “Omron 3G3EV”

Цель работы: изучить пульт оператора АИН “Omron 3G3EV”, ознакомиться с

Страницы: 1, 2, 3, 4