Статический преобразователь частоты в составе высокооборотного вентильного привода

K. Shukin

Advantages of conversion of stepper magnetic drive's power control equipment into microprocessor element base

The appropriateness of conversion of stepper magnetic drive's power control equipment into microprocessor-based control is analysed. The approaches to getting advanced characteristics of designed microprocessor-based control system is offered.

Keywords: stepper magnetic drive, microprocessor element base, algorithms of control and diagnostics of drive.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004

И.С. Хромов, ведущий инженер,

СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ ВЫСОКООБОРОТНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРИВОДА

Описан статический преобразователь частоты, предназначенный для без-датчикового управления высокооборотным СДПМ.

Ключевые слова: статический преобразователь частоты, синхронный двигатель.

Все чаще современные руководители предприятий, стремящиеся к созданию комфортных условий труда, уделяют внимание централизованным системам кондиционирования и отопления. В новых зданиях изначально устанавливаются высокоэффективные климатические установки, в существующих строениях вентиляционное оборудование подвергается существенной модернизации.

В обоих случаях НПА «ЭЛСИЭЛ» в качестве привода компрессора кондиционера предлагает использовать статический преобразователь частоты (СПЧ) совместно с синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ). Данное техническое решение позволяет сократить габаритные размеры холодильной установки, повысить ее эффективность, существенно уменьшить затраты на обслуживание и эксплуатацию.

Рассмотрим СПЧ, предназначенный для бездатчикового управления высокооборотным СДПМ.

Требуемые характеристики СПЧ:

1) потребляемая из сети мощность не более 100 кВт;

2) входное напряжение 380 В;

3) мощность потерь не более 5 кВт;

4) номинальное выходное напряжение 280 В;

5) номинальный выходной ток 200 А;

6) диапазон регулирования выходной частоты 500.. .1050 Гц;

7) алгоритм управления - постоянное отношение выходного напряжения к выходной частоте;

8) функция подхвата СДПМ - восстановление предшествующего режима при пропадании сетевого напряжения менее чем на 2 с.

Для создания СПЧ было необходимо решить ряд задач:

1. Разработать структуру преобразователя,

2. Разработать алгоритм бездатчикового управления высокооборотным СДПМ,

3. Создать модель СПЧ, максимально приближенную к реальности,

4. По результатам моделирования, создать макетный образец преобразователя.

Структурная схема СПЧ приведена на рис. 1. Как видно, он состоит из полууправляемого выпрямителя с ЬС-фильтром (ПУВ+ЬС), понижающего преобразователя напряжения с ЬС-фильтром (ППН+ЬС) и трехфазного инвертора напряжения (ТИН). Таким образом обеспечивается раздельное регулирование выходного напряжения (ППН) и частоты (ТИН).

3x380

1 1 1 СПЧ 1

1 ПУВ ппн 1

II тин 1

п +ьс +ьс 1

1

к СДПМ

Рис. 1. Структурная схема преобразователя

На рис. 2 приведена блок-схема алгоритма, реализующего бездат-чиковый метод управления СДПМ.

Рис. 2. Блок-схема системы управления

Преобразователь токовых координат (ПТК) осуществляет переход от неподвижной системы координат Iа, щ , ¡С токов статора к подвижной

системе ¡^, ¡ц, связанной с ротором посредством преобразования Кларка-Парка. Полученный ток ¡^ характеризуются наличием высших гармоник,

подавление которых обеспечивает блок усреднения (УТ-ё). Основная гармоника тока поступает на корректор угла ротора (КУР), который пред-

ставляет собой усилитель рассогласования с нулевым задающим сигналом. Выходной сигнал А используется определителем угла ротора (ОУР) для поддержания оптимального угла между полем статора и ротором (около 90 градусов). Так как угол поля © определяется интегрированием выходной частоты Б(1;), то во избежание переполнения введен преобразователь угловой меры (ПУМ), который выделяет период ©0 этого угла. Полученный период поступает на формирователь импульсов управления у^... у 6 (ФИУ), который реализует 180-градусное управление инвертором (на каждом из шести равных интервалов периода одновременно проводят три силовых ключа).

Для проверки алгоритма была разработана математическая модель преобразователя и двигателя. С целью упрощения в состав модели СПЧ включены только ТИН и ППН, получающий питание от источника постоянного напряжения (480 В). ППН преобразует постоянное входное напряжение в регулируемое (0...420 В), при этом частота коммутации его транзисторных ключей составляет 10 кГц. ТИН преобразует выходное напряжение ППН в трехфазное, при этом частота коммутации его транзисторных ключей соответствует частоте основной гармоники, которая изменяется от 0 до 1050 Гц.

Двигатель описывается двумя системами уравнений - электрической и механической. Электрическая часть системы уравнений имеет следующий вид:

й . 1 Я . Ьч

~ГМ =— -— Ч +— Рт1д,

ш Ьй Ьй Ьй

й . 1 Я . Ьй Хр^г

~1д = - ~1д - — РгЧ--,

Ш Ьд Ьд Ьд Ьд

те =1.5 р№д +

где Ьа и Ьд - индуктивности обмоток статора по осям й и д; Я - активное сопротивление обмотки статора; ш и ¡д - составляющие токов статора по осям й и д; Уа и Уд - составляющие напряжений статора по осям й и д; юг

- угловая частота вращения ротора; X - амплитуда потокосцепления обмоток статора с магнитным полем ротора; р - число пар полюсов; Те -электромагнитный (вращающий) момент двигателя.

Механическая часть системы уравнений имеет следующий вид:

О- Щ = "Г

Ш J

— = юг,

йТ

где J - момент инерции ротора, 0 - угол положения ротора относительно поля статора, Тт - момент сопротивления, создаваемый нагрузкой двигателя.

При пуске двигателя в модели задается линейное возрастание частоты ¥(1) инвертора с постоянным ускорением от нуля до номинального значения 1000 Гц. Результаты моделирования приведены ниже в виде временных диаграмм.

На рис. 3 процесс пуска и разгона преобразователя представлен временными диаграммами линейного напряжения иаь (вверху) и линейного тока 1а (внизу). Время разгона составляет 5 с, при этом амплитуда напряжения возрастает примерно до 450 В, а мгновенные значения тока, как правило, не превышают 350.. .450 А.

-1-1-г

_

Рис. 3. Процесс пуска и разгона двигателя

Рис. 4 иллюстрирует установившийся режима работы преобразователя, на нём представлены временные диаграммы линейных напряжений иав, ивс, иса, характеризующие 180-градусное управление ключами инвертора (частота коммутации 1000 Гц, амплитуда напряжения 400 В).

На рис. 5 представлены диаграммы линейных токов 1а, 1в, 1с на выходе преобразователя в установившемся режиме. Как видно, мгновенные значения токов сдвинуты во времени на одну треть периода, а их амплитуда не превышает 250 А.

На рис. 6 приведены временные диаграммы тока вращающейся системы координат. Вверху изображён ток , получающийся на выходе ПТК. Посредине показан ток после цифрового фильтра, а внизу приведен ток, получающийся на выходе блока усреднения УТ-ё. Как видно, принципиальной разницы в полученных результатах нет, но цифровой фильтр предпочтительнее, т.к. он проще в реализации.

Рис. 4. Линейные напряжения в установившемся режиме инвертора

Рис. 5. Линейные токи в установившемся режиме инвертора

'МО

га> яс

их «в

к;

¿га

W»

КС

m

ICD

жь р

ля

с 1 г э < ! в т

Рис. 6. Ток Id в процесс пуска: исходный

Итак, моделирование преобразователя и двигателя подтверждает работоспособность предложенного алгоритма. На основе модели был разработан макетный образец СПЧ. Результаты испытаний макета показывают его соответствие основным расчетным характеристикам. Преобразователь разгоняет двигатель до 31500 об/с за 6 с, устойчиво работает в рабочем диапазоне частот 500... 1050 Гц. Параметры СПЧ, такие как напряжение на выходе ППН (200.440 В) и линейные токи ТИН (120.300 А), соответствуют расчетным. Осциллограммы работы СПЧ при частоте 1050 Гц представлены на рис. 7 (напряжение на выходе ППН -линия 4, линейное напряжение на выходе ТИН - линия 3, ток на выходе ППН - линия 1 и линейный ток ТИН - линия 2, масштаб времени 200 мкс/кл).

Рис. 8 иллюстрирует функцию подхвата, реализованного в макетном образце СПЧ. Исходное состояние (интервал времени 0.1,25 с, масштаб 500 мс/кл.) характеризуется наличием напряжения на выходе ППН (линия 1), линейным током (линия 2), фазным напряжением (линия 3) и импульсами управления ТИН (линия 4). При пропадании питающего напряжения (момент времени 1,25 с) линейный ток и управляющие импульсы обнуляются, а выходное напряжение ППН и ТИН плавно уменьшаются.

Рис. 7. Установившийся режим работы СПЧ

Рис. 8. Осциллограммы подхвата двигателя

138

При восстановлении питающего напряжения (момент времени 2,75 с) определяются положение и частота вращения ротора, а затем синхронно запускается инвертор, обеспечивая возвращение к предшествующему режиму. Как видно, подхват на частоте 800 Гц происходит без ударов, скачков токов и напряжений.

Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы.

1. Компьютерное моделирование системы «Преобразователь - двигатель» подтвердило принципиальную возможность создания макетного образца СПЧ.

2. Работоспособность избранного технического решения подтверждена испытанием макетного образца СПЧ.

3. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что:

1) разгон СДПМ до номинальной частоты 1000 Гц происходит за 5 с;

2) избранный алгоритм управления обеспечивает поддержание оптимального угла между ротором и полем статора (около 90 градусов);

3) система управления СПЧ осуществляет безударный подхват СДПМ на выбеге после кратковременного перерыва питания.

I. Xromov

The static frequency converter as part of high-speed electric drive

The static frequency converter intended for sensorless high-speed SDCM, is described.

Keywords: static frequency converter, synchronous drive.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:681.51

Л.И. Цытович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

ИНТЕРВАЛО-КОДОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Рассматриваются принципы построения адаптивных к нестабильности напряжения сети каналов синхронизации реверсивного тиристорного преобразователя, выполненных на основе интервало-кодового алгоритма обработки данных с выходов интегрирующих развертывающих преобразователей, синхронизированных с напряжением сети. Приведены структура устройства синхронизации на основе программируемой логической матрицы, а также временные диаграммы сигналов.

Ключевые слова: развертывающий преобразователь, устройства синхронизации, принцип интервало-кодовой синхронизации.

Применение методов интегрирующего развертывающего преобразования для синхронизации систем импульсно-фазового управления (СИ-

139