eng
Выпуск #2/1999
Е. Ерошкин, О. Горячев.
Амплитудно-частотное управление асинхронными трехфазными двигателями
Амплитудно-частотное управление асинхронными трехфазными двигателями
Просмотры: 3522
Асинхронные трехфазные двигатели хорошо зарекомендовали себя в приводах запорной арматуры различных нефтегазовых магистралей и технологических установок. Поскольку к точности, быстродействию и диапазону регулирования скорости таких систем приводов не предъявляют высоких требований, в них вполне можно использовать двигатели с амлитудно-частотным управлением. Авторы статьи дают рекомендации по выбору формирователя широтно-импульсной модуляции, а также предлагают схему реализации алгоритмов амплитудно-частотного управления, выполненную на отечественных дискретных элементах.
Асинхронные трехфазные двигатели (АТД) благодаря своей надежности, дешевизне и высоким массогабаритным характеристикам находят широкое применение для самых разных приводов мощностью от 100 Вт до 100 кВт. Чем больше мощность используемого электродвигателя, тем выше требования к энергетическим характеристикам самого привода. Так, для приводов мощностью более 1 кВт серьезную роль играет критерий энергосбережения, который зависит от принципа формирования питающего напряжения и алгоритма управления АТД.
Амплитудно-частотное управление АТД осуществляется с помощью автономных инверторов напряжения (АИН), которые формируют трехфазное питающее напряжение с заданными амплитудой и частотой из постоянного напряжения с выхода неуправляемого выпрямителя. В общем виде система формирования трехфазного напряжения (рис.1) состоит из неуправляемого выпрямителя (НУВ), сглаживающего фильтра (СФ) и АИН. Формирователь широтно-импульсной модуляции (ШИМ) коммутирует силовые ключи (транзисторы) по определенному алгоритму. Сформированное трехфазное напряжение подводится к обмоткам исполнительного двигателя (ИД).
ВЫБОР АЛГОРИТМОВ КОММУТАЦИИ
Из всех известных принципов формирования ШИМ-сигналов для АИН наибольшее распространение получили алгоритмы с так называемыми 2p/3 и p-коммутациями. И тот, и другой алгоритм имеют как преимущества, так и недостатки. Наиболее прост в реализации алгоритм с 2p/3-коммутацией, при котором каждый транзистор открыт одну треть периода. Диаграммы работы силовых ключей (рис. 2а) при использовании такого алгоритма представлены на рис.2б, а получаемые в результате формы линейных и фазных напряжений двигателя – на рис. 2в и 2г, соответственно. В этом случае форма фазных напряжений имеет всего три уровня напряжения и, следовательно, большое количество высших гармоник, что подтверждает разложение напряжений в ряд Фурье:
где UDC – напряжение в цепи постоянного тока.
Другой алгоритм переключения транзисторов – p-коммутация – позволяет получить форму фазного напряжения уже с четырьмя уровнями напряжения. Диаграммы работы силовых ключей для этого алгоритма приведены на рис.3а, а формы фазных и линейных напряжений – на рис.3б и 3в, соответственно. При такой коммутации каждый транзистор открыт ровно половину периода, и ключи, находящиеся в противоположных плечах, работают взаимоинверсно. Из-за инерционности транзисторов в каждый момент их переключения возможно возникновение сквозного тока большой силы. Чтобы избежать этого, необходимо осуществлять задержку управляющих сигналов, что, как правило, усложняет схему.
При таких способах коммутации частота напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, определяется частотой переключения силовых ключей, а амплитуда – длительностью импульсов ШИМ-сигнала. Наиболее качественно позволяет выделять первую гармонику питающего напряжения ШИМ-сигнал с синусоидальным распределением длительности импульсов, т.е. промодулированный синусоидальным напряжением (рис.4).
Реализация данных принципов формирования трехфазного напряжения связана с ростом энергетических потерь. Поскольку все силовые транзисторы работают в ключевом режиме, значительное количество энергии тратится на переходные процессы при коммутации ключей. Часть энергии рассеивается на активном сопротивлении открытого транзистора, которое не равно нулю. К энергетическим потерям также ведет пульсирующий характер протекающего через обмотку двигателя тока, который обусловлен регулированием амплитуды питающего напряжения ШИМ-сигналом. Формы фазных и линейных напряжений отличаются от синусоидальной, а это также вызывает энергетические потери и разогрев двигателя.
Анализ перечисленных факторов говорит о том, что потери в АИН определяются частотой ШИМ и типом применяемых силовых ключей. Верхний предел частоты ШИМ ограничен потерями в транзисторах и не может превышать максимально допустимого значения частоты переключения силовых транзисторов, определяемого как: FВЕРХ =1/2tП, где tП – минимальное время переключения транзистора. Нижнюю границу частоты ШИМ, ниже которой резко увеличиваются потери от пульсаций тока через обмотку двигателя, можно приблизительно определить как FНИЖ=1/ТОБ, где ТОБ – постоянная времени обмотки двигателя.
Проанализировав алгоритмы работы силовых ключей, можно сделать вывод, что ШИМ-сигнал в определенный момент достаточно подавать только на один из транзисторов. Так, при 2p/3-коммутации одновременно работают два транзистора (см. рис. 2), которые последовательно вкючены с двумя обмотками двигателя. Следовательно, для уменьшения потерь при переключении транзисторов целесообразно подавать ШИМ-сигнал на один из транзисторов, а другой держать все время открытым. При p-коммутации работают три транзистора, один из которых коммутирует ток, равный сумме токов, протекающих через два других транзистора. В этом случае целесообразно подавать ШИМ-сигнал именно на тот ключ, который коммутирует наибольший ток. На рис.5а и 5б представлены диаграммы работы транзисторов с учетом ШИМ-сигнала для p и 2p/3-коммутаций, соответственно.
Потери в двигателе объясняются несинусоидальностью напряжения, подводимого к обмоткам, и пульсациями тока в обмотках. Представив обмотку двигателя в виде двух сопротивлений – активного и реактивного – и разложив фазное напряжение в ряд Фурье, можно рассчитать потери для каждой высшей гармоники. В сумме эти потери дают общие потери в двигателе. Увеличивая число уровней напряжения, можно приблизить форму напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, к синусоидальной, тем самым уменьшив количество высших гармоник. График на рис.6 иллюстрирует зависимость потерь в двигателе от числа уровней напряжения. Форма напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, оказывает большое влияние на КПД системы АИН-АТД, особенно для двигателей мощностью свыше 1 кВт. Так, для двигателя мощностью 50 кВт потери составляют (при p-коммутации) порядка 3 кВт. Из этого следует, что приближение формы питающего двигатель напряжения к синусоидальной – задача чрезвычайной важности.
Как уже отмечалось, форму питающего напряжения определяет алгоритм коммутации силовых ключей, качественный критерий которого – способность выделения первой (полезной) гармоники питающего напряжения. Наиболее эффективно выделить первую гармонику позволяет ШИМ с синусоидальным распределением длительности импульсов (см. рис.4). Однако при этом растут потери в силовых ключах, что в свою очередь приводит к их перегреву. Чтобы предотвратить это явление, авторы предлагают использовать в системах с амплитудно-частотным управлением так называемую 5p/6-коммутацию. В этом случае каждый транзистор 1/4 периода находится в открытом состояниии и 1/6 – в режиме ШИМ-коммутации. Диаграммы работы транзисторов в режиме 5p/6-коммутации представлены на рис.7а, а формы фазных и линейных напряжений – на рис.7б и 7в, соответственно.
Как показывает диаграмма работы ключей, такой алгоритм снимает проблему сквозных токов, поскольку транзисторы, находящиеся в противоположных плечах, переключаются с запаздыванием относительно друг друга на 1/12 периода (208,3 мкс на частоте 400 Гц). Форма фазных напряжений имеет семь, а линейных напряжений – пять уровней. По графику на рис.6 можно определить, что при таком алгоритме потери в двигателе от несинусоидальности напряжения коммутации составят около 1% (порядка 500 Вт для двигателя на 50 кВт). Разложение в ряд Фурье фазных и линейных напряжений имеет вид:
...
ВЫБОР СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ И ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ
Уменьшить потери в АИН помогают силовые ключи с короткими переходными процессами и пониженным напряжением насыщения. Рекомендуется, в частности, использовать IGBT-модули, которые объединяют в себе положительные качества как биполярных, так и МОП-транзисторов. IGBT обладают хорошими частотными свойствами и могут работать на частотах свыше 20 кГц. Они имеют низкое падение напряжения (2,5–3,5 В) при рабочих напряжениях до 1500–1700 В. Высокое значение рабочего тока (до 200 А при напряжении 1200 В) и устойчивость к короткому замыканию позволяют применять IGBT-модули в системах управления мощными приводами. Благодаря МОП-входу IGBT-модулями можно управлять с помощью цепей низкой мощности.
Широкое применение нашли IGBT-модули немецкой фирмы Siemens, многие из которых специально адаптированы к применению в системах управления приводами. В корпусе размерами 122х62х17 мм выполнена мостовая схема из шести силовых ключей с демпферными диодами. Если параметры единичного модуля не удовлетворяют предъявляемым требованиям, можно использовать несколько модулей в параллельном включении.
Следует отметить, что длительность переходного процесса при переключении силовых транзисторов зависит как от инерционности самих транзисторов, так и от параметров управляющих сигналов. Поэтому для снижения потерь при коммутации важно, чтобы длительность переключения управляющей цепи была как можно короче. Для этих целей используются специальные интегральные микросхемы с гальванической развязкой – драйверы, предназначенные для управления IGBT-модулями. Как правило, они выполняют еще и контрольную функцию – генерируют аварийные сигналы при превышении допустимого тока.
Подобные драйверы выпускают многие компании – Hewlett-Packard, CT-Concept Technology, Philips и др. Например, драйвер фирмы Hewlett-Packard – HCPL 316J – имеет высокопроизводительный токовый формирователь, оптическую развязку между входом и выходом, схему локального обнаружения и остановки при потере насыщения, обратную связь с оптически развязанными сигналами состояния сбоя. Некоторые компании начали выпускать комплексные модули для управления трехфазными двигателями. Так, International Rectifier производит модули семейства POWIRTRAIN для управления трехфазными асинхронными двигателями переменного тока мощностью от 0,375 до 11 кВт, а в ближайшем будущем – и для 30 кВт. Модули POWIRTRAIN типа IRPTxxxxA включают в себя выпрямительный мост, трехфазный АИН на быстродействующих IGBT-модулях с демпферными диодами, каскад торможения. Шунт в минусовой шине постоянного тока обеспечивает отслеживание величины тока, а в плюсовой – защиту от замыкания фазы на землю. Модули IRPTxxxxC включают в себя все элементы IRPTxxxxA, а также фильтр, источник питания системы, драйверы IGBT-модулей и схему защиты. Применение таких модулей позволяет снизить энергетические потери при переключении.
Многие производители электронных компонентов – Siemens, Motorola, Texas Instruments, Intel, Analog Devices, Mitsubishi и др., выпускают специализированные микроконтроллеры для управления трехфазными двигателями. Значительная их часть уже содержит встроенный модуль, формирующий многоканальную ШИМ. Такие модули, как правило, имеют несколько каналов, обеспечивают вставку “мертвого времени” для исключения сквозных токов. Надо отметить, что микроконтроллеры с интегрированными ШИМ-генераторами позволяют создавать компактные и надежные системы управления, но имеют жесткую внутреннюю структуру и довольно дороги. К тому же микроконтроллеры разрабатываются не под конкретную задачу, а под целый ряд сходных задач. Поэтому иногда целесообразно использовать выполненные на дискретных элементах формирователи ШИМ, которые легко адаптировать под индивидуальную задачу.
ФОРМИРОВАТЕЛИ ШИМ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Такой формирователь ШИМ с 5p/6, 2p/3, p-коммутациями может иметь структуру, представленную на рис. 8. Программируемый таймер формирует сигнал ШИМ и частоту питающего напряжения. Формирователь фаз представляет собой ПЗУ, в котором содержатся алгоритмы переключения транзисторов. Делитель частоты, тактируемый таймером, осуществляет перебор адресов ПЗУ, а буферные элементы – развязку между силовыми ключами и всей схемой, а также задержку для предотвращения сквозных токов. Микроконтроллер (или компьютер) управляет всей схемой через регистр управления, а также задает требуемые значения сигнала ШИМ и частоту питающего напряжения.
Принципиальная схема такого формирователя ШИМ приведена на рис.9. Вся схема тактируется генератором, выполненным на элементах DD1.1–DD1.3 (555ЛЕ1) с частотой 2 МГц. Первый канал программируемого трехканального таймера DD4 (580ВИ53) используется для формирования основной частоты напряжения, питающего двигатель. Второй и третий каналы предназначены для синтеза ШИМ-сигнала. Второй канал, выходная частота которого определяет частоту формируемого ШИМ-сигнала, работает в режиме делителя частоты и управляет третьим каналом. Третий канал таймера работает в режиме ждущего мультивибратора и определяет скважность ШИМ, т.е. амплитуду выходного напряжения. Частотой напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, и его амплитудой управляют посредством записи цифрового кода в соответствующие регистры таймера (табл.1). ПЗУ DD6 (556РТ5) емкостью 512х8 бит предназначено для хранения алгоритмов коммутации, тип которой определяется перемычками JP1 и JP2 (табл.2). Прошивка ПЗУ представлена в табл.3.
Счетчик DD3 (555ИЕ7) производит выборку ПЗУ: делит частоту первого канала таймера на 12, т.е. перебирает адреса с 0 по 11, а с приходом 12-го импульса обнуляется. Один цикл равен одному периоду изменения напряжения. Таким образом, частота, тактирующая счетчик, должна быть в 12 раз выше желаемой частоты напряжения, подводимого к обмоткам двигателя. Счетчик может работать в двух режимах: деления частоты и программной установки кода фазы. В первом случае перебор ПЗУ осуществляется автоматически, во втором – регистр управления записывает код фазы в счетчик. Всего имеется 12 положений фазы, т.е. переход с одной фазы на другую соответствует повороту вала ротора двигателя на угол, равный j=360/12р=30/р, где р – число пар полюсов двигателя. Таким образом, возможна установка любой фазы в любой момент времени, что позволяет реализовать более развитые алгоритмы управления приводом. Элемент DD3 (555ИР22) выполняет роль управляющего регистра. Назначение битов регистра представлено в табл.4.
Шины данных и управления регистра DD3 и таймера DD4 подключены к соответствующим шинам микроконтроллера или компьютера. На элементах DD2.1, DD8, DD9.1, DD10, VD1-VD6, R19-R24, C11-C16 выполнена схема задержки. Триггеры Шмидта DD10 (555ТЛ2) инвертируют сигналы ПЗУ и обеспечивают крутизну фронтов. Как известно, ПЗУ серии 556 содержат первоначально во всех битах единицы, а при программировании в нужных ячейках устанавливаются нули. С течением времени единицы иногда восстанавливаются, поэтому целесообразно прошивать в ПЗУ инверсный код, чтобы восстановление единицы приводило к закрытию ключа. Схема задержки основана на том, что при высоком уровне входного сигнала на входе 1 элемента DD8.1 выход 3 этого элемента переходит в состояние логической единицы только после зарядки конденсатора С11 через резистор R19. При поступлении на вход сигнала низкого уровня происходит разряд конденсатора через диод VD1, и выход переходит в состояние логического нуля без задержки. Таким образом, сигнал на окрытие ключа проходит с задержкой, равной приблизительно 0,7RC. Значения R и C выбираются таким образом, чтобы задержка превышала время переключения транзистора в 1,5–2 раза.
Литература
1. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. – М.: Энергоиздат, 1982.
2. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. – М.: Энергоиздат, 1982.
3. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. – М: Машиностроение, 1990.
4. Силовые IGBT- модули. Материалы по применению. – М: Додэка, 1997.
5. Никел К., Хо П., Лавлейс Р., Салливан П. Изолированное устройство управления затвором с защитой и обратной связью по состоянию сбоя. – Chip News,1998, №3.
6. Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated Desaturation Detection and Fault Status Feedback. – Technical Data, Hewlett Packard, 1998.
7. Райхман А. POWIRTRAIN – современное решение проблем управления электроприводом. – Электронные компоненты,1998, №1.
8. Марков В., Абдуллаев О., Виноградов М., Курочкин Р. Оптоэлектронные интегральные схемы – это просто, как оптопара. – Электронные компоненты, 1998 , №2.
9. Field Orientated Control of 3-Phase AC-Motor. – LN: BPRA073, Texas Instruments, 1998.
10. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240. – Application Report: SPRA284A, Texas Instruments, 1998.
11. Motor Control Technology Seminar. – Analog Devices, 1998.
12. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. – Chip News,1999, №1.
Представляем авторов статьи
ГОРЯЧЕВ Олег Владимирович. Кандидат технических наук, доцент Тульского государственного университета. Автор 42 научных работ. Сфера профессиональных интересов – анализ и синтез цифровых систем управления для электрических следящих приводов переменного и постоянного тока.
ЕРОШКИН Евгений Александрович. Аспирант Тульского государственного университета. Автор 12 научных работ. Сфера профессиональных интересов – анализ и синтез систем управления приводами переменного тока.
Контактный телефон: (0872) 25-38-35
Амплитудно-частотное управление АТД осуществляется с помощью автономных инверторов напряжения (АИН), которые формируют трехфазное питающее напряжение с заданными амплитудой и частотой из постоянного напряжения с выхода неуправляемого выпрямителя. В общем виде система формирования трехфазного напряжения (рис.1) состоит из неуправляемого выпрямителя (НУВ), сглаживающего фильтра (СФ) и АИН. Формирователь широтно-импульсной модуляции (ШИМ) коммутирует силовые ключи (транзисторы) по определенному алгоритму. Сформированное трехфазное напряжение подводится к обмоткам исполнительного двигателя (ИД).
ВЫБОР АЛГОРИТМОВ КОММУТАЦИИ
Из всех известных принципов формирования ШИМ-сигналов для АИН наибольшее распространение получили алгоритмы с так называемыми 2p/3 и p-коммутациями. И тот, и другой алгоритм имеют как преимущества, так и недостатки. Наиболее прост в реализации алгоритм с 2p/3-коммутацией, при котором каждый транзистор открыт одну треть периода. Диаграммы работы силовых ключей (рис. 2а) при использовании такого алгоритма представлены на рис.2б, а получаемые в результате формы линейных и фазных напряжений двигателя – на рис. 2в и 2г, соответственно. В этом случае форма фазных напряжений имеет всего три уровня напряжения и, следовательно, большое количество высших гармоник, что подтверждает разложение напряжений в ряд Фурье:
где UDC – напряжение в цепи постоянного тока.
Другой алгоритм переключения транзисторов – p-коммутация – позволяет получить форму фазного напряжения уже с четырьмя уровнями напряжения. Диаграммы работы силовых ключей для этого алгоритма приведены на рис.3а, а формы фазных и линейных напряжений – на рис.3б и 3в, соответственно. При такой коммутации каждый транзистор открыт ровно половину периода, и ключи, находящиеся в противоположных плечах, работают взаимоинверсно. Из-за инерционности транзисторов в каждый момент их переключения возможно возникновение сквозного тока большой силы. Чтобы избежать этого, необходимо осуществлять задержку управляющих сигналов, что, как правило, усложняет схему.
При таких способах коммутации частота напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, определяется частотой переключения силовых ключей, а амплитуда – длительностью импульсов ШИМ-сигнала. Наиболее качественно позволяет выделять первую гармонику питающего напряжения ШИМ-сигнал с синусоидальным распределением длительности импульсов, т.е. промодулированный синусоидальным напряжением (рис.4).
Реализация данных принципов формирования трехфазного напряжения связана с ростом энергетических потерь. Поскольку все силовые транзисторы работают в ключевом режиме, значительное количество энергии тратится на переходные процессы при коммутации ключей. Часть энергии рассеивается на активном сопротивлении открытого транзистора, которое не равно нулю. К энергетическим потерям также ведет пульсирующий характер протекающего через обмотку двигателя тока, который обусловлен регулированием амплитуды питающего напряжения ШИМ-сигналом. Формы фазных и линейных напряжений отличаются от синусоидальной, а это также вызывает энергетические потери и разогрев двигателя.
Анализ перечисленных факторов говорит о том, что потери в АИН определяются частотой ШИМ и типом применяемых силовых ключей. Верхний предел частоты ШИМ ограничен потерями в транзисторах и не может превышать максимально допустимого значения частоты переключения силовых транзисторов, определяемого как: FВЕРХ =1/2tП, где tП – минимальное время переключения транзистора. Нижнюю границу частоты ШИМ, ниже которой резко увеличиваются потери от пульсаций тока через обмотку двигателя, можно приблизительно определить как FНИЖ=1/ТОБ, где ТОБ – постоянная времени обмотки двигателя.
Проанализировав алгоритмы работы силовых ключей, можно сделать вывод, что ШИМ-сигнал в определенный момент достаточно подавать только на один из транзисторов. Так, при 2p/3-коммутации одновременно работают два транзистора (см. рис. 2), которые последовательно вкючены с двумя обмотками двигателя. Следовательно, для уменьшения потерь при переключении транзисторов целесообразно подавать ШИМ-сигнал на один из транзисторов, а другой держать все время открытым. При p-коммутации работают три транзистора, один из которых коммутирует ток, равный сумме токов, протекающих через два других транзистора. В этом случае целесообразно подавать ШИМ-сигнал именно на тот ключ, который коммутирует наибольший ток. На рис.5а и 5б представлены диаграммы работы транзисторов с учетом ШИМ-сигнала для p и 2p/3-коммутаций, соответственно.
Потери в двигателе объясняются несинусоидальностью напряжения, подводимого к обмоткам, и пульсациями тока в обмотках. Представив обмотку двигателя в виде двух сопротивлений – активного и реактивного – и разложив фазное напряжение в ряд Фурье, можно рассчитать потери для каждой высшей гармоники. В сумме эти потери дают общие потери в двигателе. Увеличивая число уровней напряжения, можно приблизить форму напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, к синусоидальной, тем самым уменьшив количество высших гармоник. График на рис.6 иллюстрирует зависимость потерь в двигателе от числа уровней напряжения. Форма напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, оказывает большое влияние на КПД системы АИН-АТД, особенно для двигателей мощностью свыше 1 кВт. Так, для двигателя мощностью 50 кВт потери составляют (при p-коммутации) порядка 3 кВт. Из этого следует, что приближение формы питающего двигатель напряжения к синусоидальной – задача чрезвычайной важности.
Как уже отмечалось, форму питающего напряжения определяет алгоритм коммутации силовых ключей, качественный критерий которого – способность выделения первой (полезной) гармоники питающего напряжения. Наиболее эффективно выделить первую гармонику позволяет ШИМ с синусоидальным распределением длительности импульсов (см. рис.4). Однако при этом растут потери в силовых ключах, что в свою очередь приводит к их перегреву. Чтобы предотвратить это явление, авторы предлагают использовать в системах с амплитудно-частотным управлением так называемую 5p/6-коммутацию. В этом случае каждый транзистор 1/4 периода находится в открытом состояниии и 1/6 – в режиме ШИМ-коммутации. Диаграммы работы транзисторов в режиме 5p/6-коммутации представлены на рис.7а, а формы фазных и линейных напряжений – на рис.7б и 7в, соответственно.
Как показывает диаграмма работы ключей, такой алгоритм снимает проблему сквозных токов, поскольку транзисторы, находящиеся в противоположных плечах, переключаются с запаздыванием относительно друг друга на 1/12 периода (208,3 мкс на частоте 400 Гц). Форма фазных напряжений имеет семь, а линейных напряжений – пять уровней. По графику на рис.6 можно определить, что при таком алгоритме потери в двигателе от несинусоидальности напряжения коммутации составят около 1% (порядка 500 Вт для двигателя на 50 кВт). Разложение в ряд Фурье фазных и линейных напряжений имеет вид:
...
ВЫБОР СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ И ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ
Уменьшить потери в АИН помогают силовые ключи с короткими переходными процессами и пониженным напряжением насыщения. Рекомендуется, в частности, использовать IGBT-модули, которые объединяют в себе положительные качества как биполярных, так и МОП-транзисторов. IGBT обладают хорошими частотными свойствами и могут работать на частотах свыше 20 кГц. Они имеют низкое падение напряжения (2,5–3,5 В) при рабочих напряжениях до 1500–1700 В. Высокое значение рабочего тока (до 200 А при напряжении 1200 В) и устойчивость к короткому замыканию позволяют применять IGBT-модули в системах управления мощными приводами. Благодаря МОП-входу IGBT-модулями можно управлять с помощью цепей низкой мощности.
Широкое применение нашли IGBT-модули немецкой фирмы Siemens, многие из которых специально адаптированы к применению в системах управления приводами. В корпусе размерами 122х62х17 мм выполнена мостовая схема из шести силовых ключей с демпферными диодами. Если параметры единичного модуля не удовлетворяют предъявляемым требованиям, можно использовать несколько модулей в параллельном включении.
Следует отметить, что длительность переходного процесса при переключении силовых транзисторов зависит как от инерционности самих транзисторов, так и от параметров управляющих сигналов. Поэтому для снижения потерь при коммутации важно, чтобы длительность переключения управляющей цепи была как можно короче. Для этих целей используются специальные интегральные микросхемы с гальванической развязкой – драйверы, предназначенные для управления IGBT-модулями. Как правило, они выполняют еще и контрольную функцию – генерируют аварийные сигналы при превышении допустимого тока.
Подобные драйверы выпускают многие компании – Hewlett-Packard, CT-Concept Technology, Philips и др. Например, драйвер фирмы Hewlett-Packard – HCPL 316J – имеет высокопроизводительный токовый формирователь, оптическую развязку между входом и выходом, схему локального обнаружения и остановки при потере насыщения, обратную связь с оптически развязанными сигналами состояния сбоя. Некоторые компании начали выпускать комплексные модули для управления трехфазными двигателями. Так, International Rectifier производит модули семейства POWIRTRAIN для управления трехфазными асинхронными двигателями переменного тока мощностью от 0,375 до 11 кВт, а в ближайшем будущем – и для 30 кВт. Модули POWIRTRAIN типа IRPTxxxxA включают в себя выпрямительный мост, трехфазный АИН на быстродействующих IGBT-модулях с демпферными диодами, каскад торможения. Шунт в минусовой шине постоянного тока обеспечивает отслеживание величины тока, а в плюсовой – защиту от замыкания фазы на землю. Модули IRPTxxxxC включают в себя все элементы IRPTxxxxA, а также фильтр, источник питания системы, драйверы IGBT-модулей и схему защиты. Применение таких модулей позволяет снизить энергетические потери при переключении.
Многие производители электронных компонентов – Siemens, Motorola, Texas Instruments, Intel, Analog Devices, Mitsubishi и др., выпускают специализированные микроконтроллеры для управления трехфазными двигателями. Значительная их часть уже содержит встроенный модуль, формирующий многоканальную ШИМ. Такие модули, как правило, имеют несколько каналов, обеспечивают вставку “мертвого времени” для исключения сквозных токов. Надо отметить, что микроконтроллеры с интегрированными ШИМ-генераторами позволяют создавать компактные и надежные системы управления, но имеют жесткую внутреннюю структуру и довольно дороги. К тому же микроконтроллеры разрабатываются не под конкретную задачу, а под целый ряд сходных задач. Поэтому иногда целесообразно использовать выполненные на дискретных элементах формирователи ШИМ, которые легко адаптировать под индивидуальную задачу.
ФОРМИРОВАТЕЛИ ШИМ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Такой формирователь ШИМ с 5p/6, 2p/3, p-коммутациями может иметь структуру, представленную на рис. 8. Программируемый таймер формирует сигнал ШИМ и частоту питающего напряжения. Формирователь фаз представляет собой ПЗУ, в котором содержатся алгоритмы переключения транзисторов. Делитель частоты, тактируемый таймером, осуществляет перебор адресов ПЗУ, а буферные элементы – развязку между силовыми ключами и всей схемой, а также задержку для предотвращения сквозных токов. Микроконтроллер (или компьютер) управляет всей схемой через регистр управления, а также задает требуемые значения сигнала ШИМ и частоту питающего напряжения.
Принципиальная схема такого формирователя ШИМ приведена на рис.9. Вся схема тактируется генератором, выполненным на элементах DD1.1–DD1.3 (555ЛЕ1) с частотой 2 МГц. Первый канал программируемого трехканального таймера DD4 (580ВИ53) используется для формирования основной частоты напряжения, питающего двигатель. Второй и третий каналы предназначены для синтеза ШИМ-сигнала. Второй канал, выходная частота которого определяет частоту формируемого ШИМ-сигнала, работает в режиме делителя частоты и управляет третьим каналом. Третий канал таймера работает в режиме ждущего мультивибратора и определяет скважность ШИМ, т.е. амплитуду выходного напряжения. Частотой напряжения, подводимого к обмоткам двигателя, и его амплитудой управляют посредством записи цифрового кода в соответствующие регистры таймера (табл.1). ПЗУ DD6 (556РТ5) емкостью 512х8 бит предназначено для хранения алгоритмов коммутации, тип которой определяется перемычками JP1 и JP2 (табл.2). Прошивка ПЗУ представлена в табл.3.
Счетчик DD3 (555ИЕ7) производит выборку ПЗУ: делит частоту первого канала таймера на 12, т.е. перебирает адреса с 0 по 11, а с приходом 12-го импульса обнуляется. Один цикл равен одному периоду изменения напряжения. Таким образом, частота, тактирующая счетчик, должна быть в 12 раз выше желаемой частоты напряжения, подводимого к обмоткам двигателя. Счетчик может работать в двух режимах: деления частоты и программной установки кода фазы. В первом случае перебор ПЗУ осуществляется автоматически, во втором – регистр управления записывает код фазы в счетчик. Всего имеется 12 положений фазы, т.е. переход с одной фазы на другую соответствует повороту вала ротора двигателя на угол, равный j=360/12р=30/р, где р – число пар полюсов двигателя. Таким образом, возможна установка любой фазы в любой момент времени, что позволяет реализовать более развитые алгоритмы управления приводом. Элемент DD3 (555ИР22) выполняет роль управляющего регистра. Назначение битов регистра представлено в табл.4.
Шины данных и управления регистра DD3 и таймера DD4 подключены к соответствующим шинам микроконтроллера или компьютера. На элементах DD2.1, DD8, DD9.1, DD10, VD1-VD6, R19-R24, C11-C16 выполнена схема задержки. Триггеры Шмидта DD10 (555ТЛ2) инвертируют сигналы ПЗУ и обеспечивают крутизну фронтов. Как известно, ПЗУ серии 556 содержат первоначально во всех битах единицы, а при программировании в нужных ячейках устанавливаются нули. С течением времени единицы иногда восстанавливаются, поэтому целесообразно прошивать в ПЗУ инверсный код, чтобы восстановление единицы приводило к закрытию ключа. Схема задержки основана на том, что при высоком уровне входного сигнала на входе 1 элемента DD8.1 выход 3 этого элемента переходит в состояние логической единицы только после зарядки конденсатора С11 через резистор R19. При поступлении на вход сигнала низкого уровня происходит разряд конденсатора через диод VD1, и выход переходит в состояние логического нуля без задержки. Таким образом, сигнал на окрытие ключа проходит с задержкой, равной приблизительно 0,7RC. Значения R и C выбираются таким образом, чтобы задержка превышала время переключения транзистора в 1,5–2 раза.
Литература
1. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. – М.: Энергоиздат, 1982.
2. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. – М.: Энергоиздат, 1982.
3. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. – М: Машиностроение, 1990.
4. Силовые IGBT- модули. Материалы по применению. – М: Додэка, 1997.
5. Никел К., Хо П., Лавлейс Р., Салливан П. Изолированное устройство управления затвором с защитой и обратной связью по состоянию сбоя. – Chip News,1998, №3.
6. Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated Desaturation Detection and Fault Status Feedback. – Technical Data, Hewlett Packard, 1998.
7. Райхман А. POWIRTRAIN – современное решение проблем управления электроприводом. – Электронные компоненты,1998, №1.
8. Марков В., Абдуллаев О., Виноградов М., Курочкин Р. Оптоэлектронные интегральные схемы – это просто, как оптопара. – Электронные компоненты, 1998 , №2.
9. Field Orientated Control of 3-Phase AC-Motor. – LN: BPRA073, Texas Instruments, 1998.
10. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240. – Application Report: SPRA284A, Texas Instruments, 1998.
11. Motor Control Technology Seminar. – Analog Devices, 1998.
12. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. – Chip News,1999, №1.
Представляем авторов статьи
ГОРЯЧЕВ Олег Владимирович. Кандидат технических наук, доцент Тульского государственного университета. Автор 42 научных работ. Сфера профессиональных интересов – анализ и синтез цифровых систем управления для электрических следящих приводов переменного и постоянного тока.
ЕРОШКИН Евгений Александрович. Аспирант Тульского государственного университета. Автор 12 научных работ. Сфера профессиональных интересов – анализ и синтез систем управления приводами переменного тока.
Контактный телефон: (0872) 25-38-35
Отзывы читателей
