Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчугский государственный политехнический университет

ЗАО “Научно-технический центр “Информационные системы”, г. Кременчуг

Экспериментальная установка для исследования асинхронного электропривода с транзисторным регулятором напряжения в цепи статора

Юхименко М.Ю., Гладырь А.И.,

Гомилко В.И.

В настоящее время значительную часть парка используемых электрических машин составляют нерегулируемые асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. Регулирование скорости АД, исключение режимов прямых пусков являются эффективными средствами повышения производительности рабочих механизмов, снижения эксплуатационных расходов, экономии электроэнергии. Рабочими механизмами асинхронных электроприводов являются: подъемники горной и металлургической промышленности, вентиляторы, насосы, газодувки, компрессоры горной, металлургической, химической промышленности, атомной энергетики.

Цель работы. Разработка схемных решений установки для исследования характеристик регулирования скорости и момента асинхронного двигателя при питании от регулятора напряжения с широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения.

Материал и результаты исследований. Большое разнообразие объектов, приводимых в движение электроприводом, широкий диапазон мощностей и скорости вращения, трансформация совокупности требований к электроприводу в каждом конкретном применении определяет разнообразие структурных, конструктивных, схемотехнических решений, применяемых в различных системах привода.

Требования к регулируемому электроприводу определяются диапазоном скоростей и типом нагрузки. В случае, когда достаточно большой диапазон регулирования производительности для рабочих механизмов может быть обеспечен незначительным изменением скорости АД, целесообразным является использование регуляторов переменного напряжения в цепи статора.

В зависимости от способа формирования выходного напряжения, можно выделить следующие типы статических регуляторов переменного напряжения: асинхронный двигатель напряжение импульсный

- с фазовым способом регулирования переменного напряжения и естественной коммутацией. Эти регуляторы выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), и поэтому они самые простые и дешевые, но имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока;

- с вольтодобавкой, когда последовательно с источником переменного входного напряжения вводится дополнительное напряжение, так что напряжение на нагрузке определяется векторной суммой двух указанных напряжений. Напряжение вольтодобавки, как правило, вводится с помощью трансформатора. Возможны две разновидности устройств вольтодобавки. В первом варианте устройство пропускает через себя активную и реактивную мощности, создаваемые от взаимодействия напряжения вольтодобавки с током нагрузки. Во втором варианте устройство вольтодобавки пропускает через себя только реактивную мощность, что уменьшает потери в нем и не требует для его питания источника активной мощности. Первый вариант устройств может быть выполнен на вентилях с неполным управлением и используется при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке. Второй вариант устройств выполняется на вентилях с полным управлением;

- с широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения. Эти регуляторы выполняются на вентилях с полным управлением, они более сложные и дорогие, чем первые два типа, но могут обеспечивать высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока во всем диапазоне регулирования;

- с управляемым высокочастотным обменом энергией между накопительными элементами. Они позволяют в бестрансформаторном варианте получать выходное напряжение как больше, так и меньше входного при высоком качестве выходного напряжения и потребляемого из сети тока. Такие регуляторы предназначены в первую очередь для питания ответственных электропотребителей.

Таким образом, в связи с наличием большого числа схемных решений регуляторов напряжения в цепи статора АД, актуальной является задача создания установки, позволяющей исследовать работу таких регуляторов при различных вариантах включения полупроводниковых вентилей.

Рассматриваемая задача содержит два основных аспекта. Во-первых, такая установка необходима для апробации и сравнительного анализа результатов, получаемых путем математического моделирования регуляторов напряжения. Во-вторых, необходимо разработать структуру преобразовательного устройства для промышленных испытаний с учетом требований технологического процесса.

С учетом вышесказанного, требования к регулятору переменного напряжения в цепи статора АД и, соответственно, к разрабатываемому устройству могут быть сформулированы в следующем виде:

- обеспечение коммутации значительных токов, действующих, средних и максимальных значений, ударных токов;

- быстрое переключение (незначительное время задержки на включение и выключение, малое время фронтов при коммутации, малое время включения и выключения);

- малые потери (статические и динамические);

- высокая частота (быстрое переключение, низкие динамические потери);

- высокая надежность (малая вероятность отказа, высокая энергетическая и тепловая стойкость, высокая коммутирующая способность, высокая электродинамическая стойкость);

- компактная конструкция.

Реализация этих требований при разработке регуляторов напряжения осуществляется двумя путями: через структуру тиристора и через структуру транзистора [1, 2].

Особенности ШИМ, связанные с импульсным характером токов и напряжений преобразователя, обусловливают:

- высокие требования к динамическим параметрам вентилей;

- преобладание фактора динамических потерь в вентилях при определении частоты коммутации;

- высокие уровни высокочастотных электромагнитных помех, генерируемых при больших скоростях изменения токов и напряжений вентилей;

- широкополосный спектр преобразованных напряжений и токов на выходе ШИП.

Структура экспериментальной установки для изучения принципов построения регуляторов напряжения в цепи статора АД показана на рис. 1.

Рисунок 1. Функциональная схема экспериментальной установки

Функционально в ней можно выделить следующие основные блоки:

1- блок силовых транзисторных ключей;

2 - блок микропроцессорной системы управления;

3 - блок первичных измерительных преобразователей;

4 - блок электрических машин;

5 - интерфейсный модуль для связи с ПЭВМ.

Создание систем электропривода с возможностью регулирования выходных координат и высокой статической и динамической точностью возможно лишь на основе систем управления полупроводниковыми преобразователями, построенных с использованием современной элементной базы микроэлектроники.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления электроприводами на системы прямого цифрового управления.

Под прямым цифровым управлением обычно понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя, но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера [3].

Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователем становится возможным реализовать дополнительные функции поддержки интерфейса пользователя (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим процессом.

Электроприводы, управляемые с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ [3]:

- увеличение энергетической эффективности системы привода;

- усовершенствование функционирования - цифровое управление позволяет реализовать такие функции, как изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами;

- упрощение электромеханического преобразования энергии - использование регулируемого привода устраняет необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах;

- простота обновления программного обеспечения - системы на базе перепрограммируемых микроконтроллеров могут быстро изменять при необходимости алгоритм работы и регулируемые переменные.

Системы управления электроприводом на базе перепрограммируемых микроконтроллеров, позволяют реализовать большую часть функций микропроцессорного управления, в т. ч. алгоритмы модуляционного типа, в частности ШИМ, и не требуют дорогостоящей специальной аппаратуры при настройке, тестировании и эксплуатации, хотя и уступают последней по функциональной гибкости и объему выполняемых функций.

В связи с развитием методов формирования синусоидальных напряжений, трапецеидальная ШИМ практически вытеснена синусоидальной. Двуполярная ШИМ характеризуется постоянным действующим значением выходного напряжения, поэтому регулирование значения основной гармоники сопровождается перераспределением энергии в спектре. Однополярная ШИМ позволяет получить лучший гармонический состав, действующие значения напряжения при этом меньше, чем в двуполярном варианте.

Так как формирование последовательностей управляющих импульсов для получения необходимых регулировочных характеристик является трудоемкой и ресурсоемкой процедурой, ряд специфических требований к структуре микропроцессорного модуля включает в себя:

- возможность простого изменения кода управляющей программы (желательно в составе системы);

- применение в качестве ядра обработки данных высокопроизводительного RISС - процессора;

- возможность преобразования в измерительном канале базовых величин напряжения и тока без искажения их формы;

- обеспечение реализации широтно - импульсного управления силовыми ключами.

Предлагаемая структура микроконтроллерного модуля управления работой полупроводникового регулятора напряжения в цепи статора АД представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Структура микропроцессорной системы управления регулятором напряжения на базе микроконтроллера PIC18F44xx

В качестве ядра блока управления использован перепрограммируемый микроконтроллер PIC18F4431 фирмы Microchip, обладающий достаточно высокими вычислительными возможностями, встроенными модулями ШИМ, разнообразным набором коммуникационных портов и достаточным объемом памяти программ [5].

Блок - схема алгоритма управляющей программы микроконтроллера, реализующая функции широтно-импульсного управления, представлена на рис. 3.

Программа реализует алгоритм однополярной ШИМ и обеспечивает контроль и защиту в случае выхода рабочих параметров за допустимые пределы.

Рисунок 3. Алгоритм работы программного обеспечения МП - системы управления

Встроенный ШИМ - модуль микроконтроллера PIC18F4431 обеспечивает упрощение задачи формирования трехфазного напряжения на выходе регулятора.

Выводы

В работе на основании анализа существующих микропроцессорных и микроконтроллерных средств для управления регуляторами переменного напряжения изложены требования и принципы разработки аппаратного и программного обеспечения системы управления преобразователем. На основе этих требований спроектирована структура установки для использования в условиях научно-исследовательской или учебной лаборатории и в промышленных условиях, позволяющей обеспечить питание трехфазного асинхронного двигателя с уменьшенными искажениями тока и напряжения.

Обосновано применение в качестве ядра системы управления установки RISC - микроконтроллера PIC18F4431, что обеспечивает высокую производительность и эффективность вычислений требуемых параметров в режиме реального времени.

Разработанный вариант установки может быть также использован в качестве учебного пособия для подготовки студентов электротехнических специальностей при изучении принципов построения устройств преобразовательной техники, цифровых систем управления, и ряда других направлений.

Литература

1. Браславский И.Я., Валек В.М. Расчет статических характеристик асинхронного привода с ШИП в статорных цепях. - Реферативный научно - техн. сб.: Электротехническая промышленность. Сер. привод, 1978, №4, С. 4-6.

2. Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 176 с.

3. Ларионов С.Г., Уланов В.Г. Цифровые системы управления электроприводом. Материалы межвузовской научной конференции. Ч. V: Санкт-Петербургский государственный технический университет, 2002. С. 67-68.

4. Мерфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - 254 с.

5. Ресурсы Internet - информация с сайтов производителй микроконтроллеров Микрочип - http://www.microchip.com

6. J. Takesuye, S. Deuty MOSFETs vs IGBTs: What's The Difference? Power Scene Journal, 1995, Vol. 2, No 1.

Размещено на Allbest.ru