Спосіб управління асинхронним двигуном

Реферат: Винахід належить до галузі електротехніки і може бути використаний для частотно-фазового управління трифазними та однофазними асинхронними двигунами. Спосіб управління асинхронним двигуном полягає у регулюванні вхідної напруги та частоти асинхронного двигуна за допомогою перетворювача частот, з можливістю встановлення необхідної напруги, швидкості, періоду пуску. Технічним результатом винаходу, що заявляється, є спрощення силової частини системи керування, підвищення надійності та енергоефективності роботи системи. UA 106389 C2 (12) UA 106389 C2 UA 106389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електротехніки і може використовуватись для частотнофазового управління трьохфазними та однофазними асинхронними двигунами (АД) у різних галузях промислового виробництва, де є потреба в пуску АД з підвищеним пусковим навантаженням, а також запуску трифазних двигунів від однофазної мережі в результаті обриву лінії трифазної мережі. Відомий спосіб [патент UA 28299, Н02М 7/66, В61С 9/00, 10.12.2007 р. Спосіб керування двофазним інвертором, Чернишев А.О.], полягає у використанні способу синхронної протифазної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) напруги в IGB-транзисторних мостах двохфазного інвертора, створеного з двох однофазних мостів IGB-транзисторних модулів, коли імпульси вмикання IGB-транзисторних модулів у одному з мостів виробляються у протифазі з імпульсами вмикання IGB-транзисторних модулів у другому мості, що забезпечує зниження амплітуди вхідних імпульсів струму інвертора. Недоліками цього способу є: обмежене використання, переважно з двофазними двигунами та складною структурою мостових схем, яка не забезпечує зниження струму при перевантаженні; не враховуються перехідні процеси розгону та пуску електродвигуна, що погіршує та ускладнює роботу двигуна та процес його управління. Ознаки, що збігаються із способом, що заявляється є: застосування двофазної системи керування та IGВ-транзисторів; протифазне включення IGB-транзисторних модулів та фазне керування. Відомий спосіб [патент UA 56661, 7 Н02М7/48, Н02Р7/42, 15.05.2003, Бюл №5, 2003 р. Спосіб управління перетворювачем постійної напруги в змінну, Проценко О.М.], в якому виявляють момент включення двигуна по збільшенню струму в силовому ланцюзі до величини, що перевищує робоче значення, зменшують вихідну напругу і частоту перетворювача до мінімальних величин, витримують ці величини до моменту зменшення струму в силовому ланцюзі до значення, близького до усталеного, і потім поступово збільшують вихідну напругу і частоту перетворювача до номінальних значень, після чого підтримують номінальні значення напруги і частоти. Недоліками цього способу є: використання його лише для живлення однофазних асинхронних двигунів з пусковою обмоткою та пускозахисним пристроєм, що значно обмежує та ускладнює підбір двигуна для роботи; використання мережі постійного струму обмеженої потужності, що не дає змоги ширшому використанню та застосуванню способу; не формуються пускові характеристики та не використовується частотно-фазне керування у перехідному режимі залежно від швидкості, що не дає змоги гнучко керувати швидкістю при пуску та розгоні двигуна. Ознаки, що збігаються із способом, що заявляється: використовується задатчик потрібної напруги; керування вихідною частотою та напругою перетворювача під час пуску двигуна, по збільшенню струму в силовому ланцюзі до величини, що перевищує робоче значення, зменшують вихідну напругу і частоту перетворювача до мінімальних величин. Зазначений спосіб приймається як прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу управління трифазними, а також двофазними АД за допомогою перетворювача частоти та фази з можливістю регулювання вихідної напруги, фази та частоти. Поставлена задача вирішується тим, що залежно від швидкості обертання двигуна у перехідному режимі перетворювач формує частоту та фазу для конкретної швидкості, чим забезпечує збільшення пускового моменту, ККД, для даного моменту перехідного режиму, крім цього враховується номінальна напруга та струм живлення обмотки двигуна і перетворювач формує вихідну напругу залежно від неї та закону керування. Технічний результат, що досягається, полягає у можливості живлення від двофазного (220 В), так і трифазного джерела (380 В), що дає змогу ширшого використання винаходу; можливості провести запуск чи продовжити роботу трифазного асинхронного двигуна при обриві чи несправності однієї лінії; використанні перетворювача фази і частоти, який живиться від двополярної напруги (при однофазному підключенні випрямленим значенням фазної напруги +311 В та -311 В, при трифазному підключенні як випрямленим значенням фазної так випрямленим значенням лінійної напруги) чим забезпечується широкий діапазон можливостей керування, так і спрощення силової частини системи керування, що в свою чергу підвищує надійність; підвищенні енергоефективності роботи системи; регулюванні в широкому діапазоні частоти обертання вала електродвигуна; плавному запуску двигуна та його зупинці; захисту двигуна від короткого замикання та перегріву; підтриманні заданих бажаних характеристик при різних значеннях вхідної напруги. Спосіб пояснюється кресленням, де на фіг. 1 наведена блок-схема алгоритму роботи способу, на якій приведені наступні позначення: 1 - Початок; 2 - Блок задання параметрів 1 UA 106389 C2 5 10 15 20 25 30 двигуна (U1, U2, T, w, Із, Uпф); 3 - Блок вимірювання Uлпс; 4 - Блок порівняння 0,9 Uпф ≤ Uлпс ≤ Uпф; 5 - Блок подання сигналу СУф; 6 - Блок формування закону управління; 7 - Блок формування синусоїдального сигналу частоти; 8 - Блок формування ширини імпульсів та частоти широтно-імпульсної модуляції (ШІМ); 9 - Блок розкладання синусоїдального сигналу на додатні та від'ємні півхвилі; 10 - Блок формування сигналу, зміщеного за фазою (φ) згідно закону управління; 11 - Блок складання додатних та від'ємних півхвиль у силовій частині перетворювача та подання вихідної напруги на двигун; 12 - Блок перенесення алгоритму; 13 Блок вимірювання швидкості двигуна; 14 - Блок перевірки заданого приросту швидкості; 15 Блок порівняння Ів ≤ Із; 16 - Блок порівняння Ів ≥ 3Із; 17 - Блок оголошення стану короткого замикання, відключення двигуна та подачі сигналу тривоги; 18 - Кінець. Спосіб реалізується наступним чином. Відповідно до алгоритму (фіг. 1), на першому етапі вибирається двигун, визначаються параметри для його функціонування, тобто задаються значення номінальної напруги по кожній з фаз (U1, U2), час бажаного перехідного режиму (Т), що впливає на форсування запуску двигуна, необхідна швидкість обертання (w), значення номінального струму (Із) та величина постійної напруги у фільтрі залежно від схеми включення та напруги мережі (Uпф). Після цього вимірюється значення напруги в ланці постійного струму (Uлпс), після чого перевіряється чи знаходиться виміряна напруга в потрібних межах: 0,9 Uп ф  Uл пс  Uп ф . Якщо ні, то продовжуємо заряджати конденсатори, які знаходяться в структурі двополярного фільтра та заряджаються через резистивний елемент, поки умова не виконається. Якщо ж задана умова виконується і конденсатори повністю зарядилися, подається сигнал управління на фільтр, та відбувається його пряме підключення до ланцюга перетворювача. Як тільки задано необхідні параметри та система готова до роботи, формується закон управління, що базується на результатах модельних досліджень серій асинхронних двигунів. В якості критеріїв оптимальності використовуються три критерії, що базуються на величині моменту двигуна: максимальний пусковий момент, що розраховується за формулою 1.1, максимальний момент першого оберту валу двигуна, що розраховується за формулою 1.2, та максимальний момент першого півперіоду початкового моменту двигуна, що розраховується за формулою 1.3. Після проведення оптимізації по приведених нижче формулах: 2 M  M1   (1.1) I 1   max 1  M  max 1   2 M  M2   (1.2) I 2   max 2  M  max 2   2 M  M3   ,(1.3) I 3   max 3  M  max 3   35 40 де Mmax 1 - максимальне значення пускового моменту, Mmax 2 - максимальне значення моменту першого оберту, Mmax 3 - максимальний момент першого півперіоду початкового моменту двигуна, M1 - поточне значення пускового моменту, M2 - поточне значення моменту першого оберту, M3 - поточне значення моменту першого півперіоду початкового моменту двигуна, відбувається вибір пари значень зсуву фаз (φ) та частоти (f), що відповідають мінімальному значенню критеріїв І1, І2, І3. Величини частоти та фази виступають як функції (F1, F2) від періоду (Т), заданої (w) та виміряної (wв) швидкості: f  F w, T, wв  , 1   F2 w, T, wв  . 45 Визначено діапазон робочих значень для фази та частоти, в межах 30º-150° та 5-60 Гц, що дає змогу широкого та гнучкого регулювання. А безпосередньо закон управління приймає наступний вигляд: U1ф  F3 U1, f, I,  , U2ф  F4 U2, f, I,  , 50 де U1ф і U2ф - закони управління для першої та другої фази напруги, I - поточне значення струму обмоток двигуна. 2 UA 106389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На наступному етапі, проходить формування напруги, що буде подаватися на двигун для його живлення. Спочатку проходить процес формування синусоїдального сигналу частоти. Потім відбувається формування ширини імпульсів та частоти ШІМ. Далі проходить виокремлення в сигналах додатних та від'ємних півхвиль. Наступним кроком є формування сигналу, зміщеного за фазою згідно з законом керування. На наступному етапі відбувається складання додатних та від'ємних півхвиль у силовій частині перетворювача та подача вихідної напруги на двигун. Перевіряється приріст швидкості двигуна і, якщо він задовольняє заданій умові, то формується закон управління, для внесення відповідних коректив у закон керування. Якщо ні перевіряється значення сили струму і у випадку, якщо Ів ≤ Із, тобто виміряний струм менше або такий як заданий, то знову перевіряємо значення швидкості. В протилежному випадку перевіряємо чи перевищує виміряний струм більш ніж в три рази заданий, якщо ні, то переходимо до формування закону управління зменшуючи вихідну напругу і частоту перетворювача до мінімальних величин, витримуючи ці величини до моменту зменшення струму в силовому ланцюзі до значення, близького до усталеного, якщо ж так, то відключаємо двигун, сповіщаємо про коротке замикання і завершуємо роботу. Відомий пристрій [патент UA 75708, Н02Р 27/02, 15.05.2006 р., Бюл №5, 2006 р. Пристрій для керування трифазним двигуном змінного струму, Сємідєл С.П.], що містить: вхідний фільтр, під'єднаний до джерела живлення, випрямляч, побудований на некерованих напівпровідникових ключах з його фільтруючою ланкою, трифазний транзисторний інвертор з системою керування, виходи якого безпосередньо зв'язані з контактами для підключення трифазного двигуна змінного струму та датчик струму ланки постійного струму, вихідний сигнал якого надходить на систему керування, розташований між загальною точкою нижніх транзисторних ключів інвертора і негативним виходом випрямляча, причому загальна точка верхніх транзисторних ключів інвертора безпосередньо під'єднана до позитивного виходу випрямляча, при цьому додатково введено датчик фазного короткого замикання на землю, побудований на основі однофазного багато обмоткового трансформатора, початки однакових струмових обмоток якого під’єднанні до виходів вхідного фільтра, а їх кінці - до входів випрямляча, обидва кінці вимірювальної обмотки датчика фазного короткого замикання на землю під’єднанні до входів змінного струму діодного моста, негативний вихід якого під'єднаний до загальної точки системи керування, а позитивний вихід через формуючу ланку під'єднаний до дискретного блокуючого входу системи керування транзисторними ключами інвертора. Недоліками цього пристрою є: використання лише для керування трифазними двигунами, що значно звужує рамки вибору двигуна, а також сфери застосування пристрою; використання однофазного багатообмоткового трансформатора для побудови датчика фазного короткого замикання на землю, що підвищує вартість приладу та знижує його надійність, пристрій містить однополярну ланку постійного струму, що ускладнює силову частину перетворювача та звужує можливості регулювання напруги. Ознаки, що збігаються із винаходом, що заявляється є: використання в схемі випрямляча, побудованого на некерованих напівпровідникових діодах з фільтруючою ланкою; використання інвертора, побудованого на транзисторних ключах. Відоме технічне рішення [патент UA 1954, 7 Н02К17/00, 15.08.2003 р., Бюл №8, 2003 р, Переставний блок керування трифазним асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором, Омельченко Ю.С., Омельченко Д.О.] що представляє собою блок керування трифазним асинхронним електродвигуном з короткозамкненим ротором в переставному діелектричному корпусі, що містить прибори комутації, в якому додатково введений електронний перетворювач частоти струму, скомутований з приладами регулювання. Недоліками відомого пристрою є: використання для живлення лише однофазної електромережі змінного струму в 220 В, що обмежує сфери використання пристрою; не можливість регулювання перетворювачем вихідної фази, що не дозволяє точно і в повному обсязі керувати роботою двигуна. Ознаки, що збігаються із винаходом, що заявляється є: використання перетворювача частоти; використання трьохфазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, пристрій забезпечує плавний запуск двигуна без збільшення струму обмоток. Зазначений пристрій приймається як прототип. Пристрій пояснюються наступним кресленням фіг. 2, де наведена структурна схема системи керування, на якій прийняті позначення: 1 - випрямляч; 2 - фільтр; 3, 4, 5, 6 - керовані ключі; 7 задавальний пристрій; 8 - датчик швидкості; 9 - мікроконтролерна система керування; 10, 11, 12, 13 - блоки опторозв'язки; 14 - датчик напруги; 15 - датчик струму; А - трифазне джерело 3 UA 106389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 живлення, В - двофазне джерело живлення, С - двохфазний АД; D - трифазний АД зі з'єднанням обмоток по схемі «трикутник»; Е - трифазний АД зі з'єднанням обмоток по схемі «зірка». Пристрій складається із випрямляча, фільтра, датчика швидкості, керованих ключів, задаючого пристрою, яким задаються значення напруги, швидкості та величини періоду моменту пуску, мікропроцесора, що керує відкриттям ключів, блоків опторозв'язки, датчика струму та датчика напруги, трьохфазного або однофазного асинхронного двигуна. Пристрій реалізується наступним чином. Змінна напруга живлення двофазної (А) або трифазної (В) мережі (Uвх) з постійною амплітудою і частотою (Uвх = const, fвх = const) надходить на некерований двополярний випрямляч (1). Для згладження пульсацій випрямленої напруги (Uвипр) використовується фільтр (2). Випрямляч і ємнісний фільтр (2) утворюють ланку двополярного постійного струму. З виходу фільтра постійна напруга Ud надходить на вхід силового перетворювача, який представлений керованими ключами (3, 4, 5, 6). Інвертор здійснює перетворення постійної двополярної напруги Ud в двофазну імпульсну напругу U змінної амплітуди і частоти. За сигналами системи управління кожна обмотка електричного двигуна під'єднується через відповідні силові транзистори інвертора до позитивного і негативного полюса двополярної ланки постійного струму. Тривалість підключення кожної обмотки в межах періоду проходження імпульсів модулюється за синусоїдальним законом. Найбільша ширина імпульсів забезпечується в середині напівперіоду, а до початку і кінця напівперіоду зменшується. Таким чином, система управління забезпечує широтно-імпульсну модуляцію напруги, що прикладається до обмоток двигуна. Амплітуда і частота напруги визначаються параметрами модулюючої синусоїдальної функції. У систему керування після випрямляча паралельно включено датчик напруги (14), сигнал з якого обробляється мікроконтролером (9). Цей датчик слугує для перевірки рівня зарядженості конденсатора, що є складовою фільтра (2). По сигналу управління з мікроконтролера (9), на основі показань датчика напруги (14) відбувається управління процесом заряджання конденсаторів у фільтрі (2). Поки рівень зарядки конденсаторів не досяг номінального значення, їх живлення проходить через елемент, що вносить додатковий резистивний опір у ланцюг, що, в свою чергу, дозволяє за деякий час плавно зарядити конденсатори. Як тільки рівень зарядженості конденсаторів стає повним, відключається додатковий опір і продовжується нормальна робота конденсаторів від прямого підключення. Датчик струму (15), що послідовно підключається до ланцюга після фільтра, та значення з якого надходять до мікроконтролера (9), дозволяє відстежувати значення струму, що подається безпосередньо на силові транзистори та двигун і, у випадку короткого замикання чи перевантаження великими, недопустимими по значенню струмами, керувати закриттям ключів та і відключенням двигуна за для запобігання його пошкодження. У випадку, якщо струм, що протікає у ланцюзі не перевищує заданого рівня, то ключі працюють у визначеному, відповідно до закону управління, режимі та пропускають змодульовану напругу на двигун. Модуляція вихідної напруги проходить за алгоритмом, що внесений в мікроконтролер. Для керування роботою силових ключів (3, 4, 5, 6), використовується мікроконтролерна система керування (9), на яку для обробки подаються сигнали з датчика швидкості двигуна (8) та з задаючого пристрою (7), що подає на мікроконтролер величину бажаної швидкості, значення напруги для кожної фази, величину періоду пуску, та номінальне значення протікаючого струму Керуючі сигнали з мікроконтролерної системи керування передаються на входи керованих транзисторів (3, 4, 5, 6) через блоки опторозв'язки (10, 11, 12, 13). На виході перетворювача частоти формується двофазна змінна напруга змінної частоти, амплітуди та фази (Uвих = var, fвих = var, (φвих = var). У ролі елементів для керування можуть виступати асинхронні короткозамкнені двигуни різних конструкцій (С, D, Е), як однофазні (С), так і трифазні (D, Е), потужністю до 10 КВт, що відкриває досить широкі можливості для вибору двигуна. Обмотки двофазного асинхронного двигуна (С), трифазного асинхронного двигуна зі з'єднанням обмоток по схемі «трикутник» (D), чи трифазного асинхронного двигуна зі з'єднанням обмоток по схемі «зірка» (Е), під'єднуються до виходів керованих ключів через суматор та отримують напругу живлення із заданими характеристиками, а отже, мають необхідні параметри для роботи в необхідних межах. 4 UA 106389 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб керування асинхронним двигуном, що полягає у регулюванні вхідної напруги та частоти асинхронного двигуна за допомогою перетворювача частот, при якому керують вихідною частотою та напругою перетворювача під час пуску двигуна,зменшуючи вихідну напругу і частоту перетворювача до мінімальної величини, у разі збільшення струму в силовому ланцюзі до величини, що перевищує робоче значення, який відрізняється тим, що як перетворювач використовують силові керовані ключі, роботою яких управляють за допомогою керуючих сигналів, які отримують з мікроконтролерної системи керування, на яку подають сигнали з датчика швидкості двигуна та з задаючого пристрою, за допомогою якого, задають бажану величину швидкості, значення напруги для кожної фази, номінальне значення протікаючого струму та величину періоду пуску. 5 UA 106389 C2 6 UA 106389 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7