CC BY
42
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, (495) 721-11-51, I.Khromov@elsiel.ru (Москва, ЗАО "ЭЛСИЭЛ")
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 +— Р®т1д, (1)
ш Ьй Ьй Ьй
й . 1 Я . Ьй Хр^г
~1д = - ~1д - — Р®гЧ--, (2)
Ш Ьд Ьд Ьд Ьд
те =1.5 р№д +(- ьч у^д ] , (3)
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(Те - Тт К (4)
Ш J
— = юг, (5)
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 (кривая 1) и после фильтрации (кривые 2, 3)
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 (частота 1050 Гц)
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(075.8)
Л.И. Цытович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (351) 267-93-85, tsli@susu.ac.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ), А.В. Качалов, асп., (351) 267-94-32, trurl2004@mail.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
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
