Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы адаптивно-векторного
управления асинхронным и синхронным электроприводом

Синтез базовой структуры, параметров и алгоритмов работы регуляторов выполнен на основе принципов подчиненного регулирования с учетом дискретного характера процессов, с использованием методов компенсации влияния перекрестных связей и структурной линеаризации контуров регулирования. Базовыми именуются структуры, параметры и алгоритмы, которые получены в результате синтеза системы управления с некоторыми начальными значениями параметров силового канала привода, рассчитанными из каталожных данных, либо определенными в результате автонастройки или другим экспериментальным способом. Базовые алгоритмы дополняются элементами адаптации и автонастройки, входящими в состав системы управления в виде опций.

В системе управления синхронной машиной: , то есть вектор тока статора ортогонален вектору потока возбуждения и целиком используется для формирования электромагнитного момента. В системе управления асинхронной машиной поддерживается на постоянном уровне, соответствующем номинальному значению потокосцепления ротора, при скорости ниже номинальной и регулируется в сторону уменьшения на скоростях, превышающих номинальную, обеспечивая тем самым желаемый диапазон регулирования скорости вверх от номинальной в режиме постоянства мощности. Для получения информации о положении и скорости ротора различные варианты интерфейсной части системы управления допускают использование различных типов прецизионных импульсных, синусно-косинусных датчиков скорости/положения или резольверов. Основные технические характеристики приводов с адаптивно-векторным управлением:

В программное обеспечение системы управления в виде опций входят следующие функции:

1. Алгоритм компенсации неидеальностей инвертора напряжения, позволяющий минимизировать влияние задержек переключения и "мертвой" зоны в коммутациях верхнего и нижнего ключей фазы на точность задания напряжения статора и, как следствие, снизить пульсации на малых уровнях скорости.

2. Алгоритм автонастройки параметров системы управления, позволяющий на основе формирования в приводе специальных тестовых режимов автоматически определять априори неизвестные параметры энергетического канала привода и на их основе рассчитывать все параметры и коэффициенты системы векторного управления.

3. Алгоритм адаптации к изменению параметров механической части привода, позволяющий осуществлять первоначальную настройку системы управления на момент инерции привода в специальном тестовом режиме работы, а также вычислять момент инерции и момент нагрузки в обычном режиме работы привода, обеспечивая соответствующую подстройку системы управления.

4. Алгоритм адаптации к температурному изменению постоянной времени ротора асинхронного двигателя.

Функциональная схема универсального варианта исполнения электропривода представлена на рис.2.

Силовой блок включает следующие основные элементы:

• трехфазный мостовой выпрямитель с варисторным ограничителем сетевых перенапряжений и емкостным фильтром электромагнитных помех на входе;

• Узел сброса энергии торможения, состоящий из IGBT-чоппера и внешнего балластного резистора;

• Емкостный фильтр звена постоянного напряжения;

• Бесконтактный узел предзаряда емкости фильтра, обеспечивающий плавное нарастание напряжения по команде системы управления

• трехфазный IGBT- инвертор;

• Драйвер силовых ключей, обеспечивающий управление затворами IGBT, формирование сигналов защит и гальваническую развязку силовых и управляющих цепей.

В блоках до 15 кВт выпрямитель, узел торможения и инвертор выполнены в одном силовом интегральном модуле, до 35 кВт – в двух, от 55 – в трех. Конструктивно силовой блок выполнен в виде многослойной печатной платы с установленными силовыми интегральными модулями, конденсаторами фильтра звена постоянного напряжения, элементами защиты и электромагнитной совместимости. В исполнениях до 15 кВт блок питания цепей управления и драйвер силовых ключей размещены непосредственно на плате силового блока, свыше – на отдельных платах.

Во всех блоках используются самая перспективная элементная база – модули с чипами IGBT³ фирмы EUPEC, имеющие лучшие на сегодня статические характеристики (напряжение насыщения 1,7 В), низкие динамические потери и потери на управление.

Система охлаждения силового блока управляет потоком охлаждающего воздуха путем плавного изменения скорости вентиляторов от нуля до максимальной в функции температуры чипов силовых модулей, что позволяет увеличить ресурс преобразователя. Дополнительный программный модуль позволяет управлять ограничением регулятора тока также в функции температуры IGBT-чипов, что позволяет максимально использовать габарит силовых модулей.

Использование в силовом блоке печатного монтажа позволяет получить очень компактную конструкцию, имеющую по сравнению с объемным монтажом и винтовыми соединениями, значительно более высокие показатели долговременной надежности и безопасности, экономичности при изготовлении и обслуживании.

Датчиковая система формирует нормированные сигналы о переменных электропривода с гальванической развязкой силовых и управляющих цепей. Она включает:

• Датчик напряжения, состоящий из резистивного делителя и изолирующего усилителя с опронной развязкой, установленный в звене постоянного напряжения;

• Датчики тока CD1 и CD2 компенсационного типа, установленные в выходных фазах инвертора;

• Датчик температуры силового блока, установленный в силовом интегральном модуле или на радиаторе силового блока;

• Вход для обслуживания встроенного в двигатель датчика температуры;

• Датчик скорости / положения, установленный на валу исполнительного двигателя.

Блок питания цепей управления преобразует сетевое напряжение в напряжения +5 В для питания цифровой части системы управления, +/-15 В для питания аналоговой части системы управления, +24 В для питания драйвера силовых ключей с обеспечением гальванической развязки силовых и управляющих цепей.

Система управления состоит из интерфейсной части и микропроцессорного ядра, имеет развитый набор периферии и мощные вычислительные средства, необходимые для реализации эффективных алгоритмов векторного управления электроприводом.

Интерфейсная часть обеспечивает взаимодействие электропривода с оператором и внешними устройствами автоматики, выполняет гальваническую развязку и нормализацию сигналов в соответствии с требованиями стандартов. Микропроцессорное ядро выполняет преобразование, обработку входных управляющих сигналов и сигналов обратных связей, вычисление переменных внутренних и внешних контуров регулирования, формирует сигналы управления силовыми ключами инвертора, реализует защитные, диагностические и сервисные функции.

Ядро образовано двумя 16-разрядными микроконтроллерами. Служебный контроллер (hostcontroller - FUJITSUMB90F598) предназначен для управления интерфейсной частью, выполняет функции загрузки программ, обслуживания пульта ручного управления, взаимодействия с контроллером управления двигателем. Контроллер управления двигателем (motorcontroller - ADMC401) с помощью встроенного модуля 12-разрядного АЦП и энкодера импульсного датчика скорости / положения преобразует сигналы датчиковой системы, выполняет алгоритмы реализации регуляторов, управляет встроенным модулем векторной модуляции для формирования выходного напряжения и тока двигателя, управляет узлом сброса энергии торможения, обслуживает «быстрые» защиты преобразователя. Взаимодействие контроллеров между собой осуществляется с помощью последовательного порта и 12 зарезервированных линий ввода / вывода.

Рис. 2. Функциональная схема электропривода.

Интерфейсная часть системы управления включает развитый набор средств взаимодействия электропривода с оператором, контроллером и средствами автоматики, как для рабочих, так и для отладочных режимов.

Пульт ручного управления состоит из жидкокристаллического дисплея – 2 строки по 20 символов (с подсветкой или без подсветки) и четырехкнопочной клавиатуры. Позволяет выполнять процедуры просмотра, редактирования параметров электропривода, запуск и контроль режимов его работы. Конструктивно выполняется встроенным на лицевую панель преобразователя или съемным модулем с кабелем-удлинителем до 2 м (может поставляться один пульт на несколько преобразователей).

Последовательный канал CAN является основным средством обмена управляющей и статусной информацией между электроприводом и внешними микропроцессорными средствами управления. Он обеспечивает доступ ко всем переменным и флагам состояния электропривода во всех режимах работы. Скорость приема / передачи данных до 1 Мбод.

Буфер аналогового входа предназначен для ввода нормированного сигнала +/- 10 В, 0-5 В, 4-20 мА задания по скорости (моменту) с гальванической развязкой. Сигнал преобразуется в цифровой код АЦП с разрядностью 16 бит.

Буфер аналоговых выходов предназначен для формирования нормированных выходных аналоговых сигналов, пропорциональных токам выходных фаз инвертора, напряжения в звене, а также 2 канала ЦАП для вывода любых запрограммированных переменных электропривода (скорость, момент, выходы регуляторов, и т.д.). Выходы имеют защиту от замыкания и подачи внешнего напряжения.

Трансивер последовательного канала RS-232/485 предназначен для подключения инструментальной ЭВМ при загрузке и модификации программного обеспечения, а также вывода диагностической информации на экран PC или управляющего контроллера.

Ресивер логических входов (16 каналов ТТЛ-уровня с оптронной развязкой) обеспечивает прием дискретных управляющих сигналов с пульта ручного управления и устройств автоматики.

Буфер логических выходов (2 канала типа «сухой контакт» напряжением до +/-400 В) формирует дискретные статусные сигналы для устройств автоматики или контроллера.

Ресивер датчика скорости / положения обеспечивает прием сигналов от преобразователей угловых перемещений с импульсным выходным сигналом в стандарте RS-422, синусно-косинусным сигналом амплитудой 1В, резольвера и обработку последовательностей с частотой до 4 МГц.

Система защит реализует две группы защит: быстродействующие, при срабатывании которых привод блокируется мгновенно, сбрасывается логический сигнал «Готовность 1», отключается силовое питание преобразователя, двигатель останавливается выбегом; медленнодействующие, при срабатывании которых сбрасывается логический сигнал «Готовность 2», привод блокируется с выдержкой времени, двигатель останавливается с максимальной интенсивностью.

К 1-й группе защит относятся:

• Максимально-токовая защита преобразователя;

• Защита от пропадания питания цепей управления;

• Защита от недопустимого понижения напряжения сети и от пропадания фазы;

• Защита от превышения напряжения;

• Защита от аварии узла сброса энергии.

  Ко 2-й группе защит относятся:

• Время-токовая защита двигателя;

• Защита от перегрева силового блока;

• Температурная защита двигателя.

Защиты 2-й группы выполняются программными средствами по сигналам датчиковой системы. Имеют несколько уровней, пороги срабатывания могут быть перепрограммированы пользователем в зависимости от конкретных условий.

Диагностика срабатывания защит выполняется отображением соответствующих флагов в строке состояния пульта ручного управления, логическими сигналами интерфейса и светодиодами на панели управления.

Построение высокодинамичных электроприводов мощностью свыше 10 кВт, работающих в режимах частых разгонов и торможений, в частности, приводов подъемно-транспортных механизмов и металлорежущих станков, сопряжено с решением проблемы рекуперации энергии в питающую сеть. В приводе с двухзвенным преобразователем частоты функцию двунаправленного обмена электрической энергией с питающей сетью способен эффективно выполнить рекуперативный мостовой IGBT выпрямитель с векторным управлением, обеспечивающий высокие энергетические характеристики и показатели электромагнитной совместимости преобразователя частоты, синусоидальную форму входного тока, регулируемое значение коэффициента мощности (в частном случае ), высокие качественные показатели регулирования входных токов и выходного напряжения выпрямителя в статических и динамических режимах работы. За счет применения быстродействующего векторного управления процессами в выпрямителе и оптимизации параметров его входных и выходных фильтрующих устройств достигнуто улучшение массогабаритных и стоимостных показателей привода.

Структурная схема системы векторного управления рекуперативным выпрямителем представлена на рис. 3. Система управления реализована в синхронной ортогональной системе координат , ориентированной по вектору напряжения сети, что позволяет раздельно управлять активной и реактивной составляющими вектора входного тока выпрямителя . Синтез регуляторов составляющих тока и регулятора выходного напряжения выпрямителя выполнен на основе принципов подчиненного регулирования с учетом дискретного характера процессов, компенсации влияния перекрестных связей и возмущающих воздействий [3]. представляют собой амплитуду и угловую частоту напряжения сети. Регулирование коэффициента мощности преобразователя осуществляется путем формирования определенного соотношения между заданными значениями активной и реактивной составляющих входного тока . При выпрямитель обменивается с сетью только активной энергией.

Рис. 3. Структурная схема системы векторного управления рекуперативным выпрямителем

Выходное напряжение выпрямителя регулируется в диапазоне 540-650 В, что позволяет в электроприводах с двигателями переменного тока, рассчитанными на номинальное напряжение 380 В, обеспечивать дополнительный ресурс управления за счет бестрансформаторного повышения максимального выходного напряжения выпрямителя, тем самым расширяя предельные функциональные возможности привода в режимах, связанных с ограничением напряжения питания. В частности, за счет этого достигается существенное расширение диапазона регулирования скорости асинхронного привода вверх от номинальной и его перегрузочной способности по моменту на больших скоростях. В основу системы управления рекуператором положено рассмотренное ранее микроконтроллерное ядро. Интерфейсная часть системы управления адаптирована под структуру выпрямителя.

Опытные образцы представленных преобразователей прошли стадию лабораторных испытаний. С 2003 года намечено начало серийного производства на ООО "ЭЛПРИ" Чебоксарского электроаппаратного завода.

Литература

1.    Новая серия цифровых асинхронных электроприводов на основе векторных принципов управления и формирования переменных / Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н., Монов Д.А. // Электротехника. - 2001. - №12. – с. 25-30.

2.    Виноградов А. Б., Чистосердов В. Л., Сибирцев А. Н. Частотно-регулируемый электропривод переменного тока нового поколения // Привод и управление. – 2000. - №0.- c. 21-24.

3.    Виноградов А.Б. Опыт разработки цифровых систем векторного управления асинхронным электроприводом // Труды III международной (XIV всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" /Под ред. С.В. Хватова. Нижний Новгород: "Вектор-ТиС", 2001, стр. 59-60.