Системы управления — инверторы и сервоприводы

Вопросы, связанные с запуском и регулированием скорости асинхронных электродвигателей, являются одними из наиболее важных вопросов, касающихся управления приводами в системах промышленной автоматизации. На практике прямой запуск двигателя с помощью номинального напряжения используется только в случае маломощных двигателей.

В случае двигателей большей мощности наиболее часто используются следующие методы запуска: запуск путем изменения напряжения питания статора, запуск путем включения дополнительного сопротивления в цепь статора или ротора и запуск путем изменения частоты напряжения питания. Последний метод также позволяет плавно регулировать скорость во время работы, поэтому его так охотно используют.

Устройство, используемое для управления двигателем, которое позволяет изменять частоту питающего напряжения, — это инвертор. И здесь необходимо прояснить несколько недоразумений, связанных с номенклатурой. Инвертор, т.е. силовой инвертор или преобразователь питания DC/AC, используется для преобразования постоянного тока в переменный ток с регулируемой частотой выходного напряжения. Если в инверторе реализован дополнительный механизм широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то одновременно с изменением частоты можно свободно регулировать эффективное значение выходного напряжения, что важно во многих системах управления.

Используемый взаимозаменяемо с инвертором, даже очень опытными инженерами, термин конвертер или преобразователь частоты относится к комплексу систем, совместная работа которых преобразует переменный ток постоянной частоты, например, из электрической сети, в переменный ток, частота и, при необходимости, эффективное напряжение которого могут свободно регулироваться. Таким образом, преобразователь частоты состоит из таких компонентов, как:

  • Выпрямитель, который подключается к источнику переменного тока, питающему преобразователь частоты. Он отвечает за подачу постоянного напряжения, которое необходимо для дальнейшей работы всего устройства. Выпрямитель питается от одной или трех фаз переменного напряжения, на выходе выпрямителя генерируется постоянное импульсное напряжение. Выпрямители в преобразователях частоты могут быть неуправляемыми (4, 6, 12, 18 и 24-импульсными) и управляемыми, на основе тиристорной системы или полууправляемой, тиристорно-диодной системы;
  • Промежуточная схема, задачей которой является сглаживание выпрямленного напряжения и подача его на инвертор — существует три типа промежуточных ступеней: преобразование выпрямленного напряжения в постоянный ток, стабилизация и сглаживание пульсирующего постоянного напряжения (отфильтровывает переменную составляющую из выпрямленного напряжения), преобразование постоянного напряжения в постоянное напряжение регулируемой величины. Промежуточный каскад также содержит конденсаторы или блоки электролитических конденсаторов, в которых хранится энергия постоянного тока;
  • Инвертор, который, как было написано ранее, преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение регулируемой частоты и среднеквадратичного значения. Стоит отметить, что двигатель подключен непосредственно к модулю инвертора;
  • Система управления, которая позволяет пользователю регулировать и устанавливать желаемое значение напряжения и частоты. В зависимости от способа управления некоторые приводы могут работать с несколькими внешними устройствами одновременно;
  • Система защиты, которая защищает как преобразователь частоты, так и подключенные к нему устройства от перегрузок, скачков напряжения, поломок и т.д.
Системы управления - инверторы и сервоприводы

Тем не менее, в системах автоматизации, в прайс-листах и технической документации многих компаний преобразователи частоты принято постоянно называть инверторами. Поэтому, хотя формально инвертор является компонентом частотного преобразователя, в данной статье мы будем использовать эти названия взаимозаменяемо. На этом этапе также стоит отметить, что если поставить знак равенства между инвертором и преобразователем частоты, то получится термин «инвертор двигателя». Это связано с тем, что инверторы используются во многих системах промышленной автоматизации, везде, где постоянный ток должен быть изменен на переменный, в то время как преобразователи частоты на практике используются почти исключительно для управления скоростью вращения и пуска асинхронных двигателей.

Как работает инвертор

Объясняя разницу в терминологии между инвертором и преобразователем частоты, мы уже рассмотрели во введении блок-схему и принцип работы преобразователя частоты — он одинаков для каждого устройства, представленного на рынке, независимо от названия серии, типа или производителя. Теперь давайте разберемся с самим инвертором. Основным элементом каждого инвертора является транзисторная мостовая схема, так называемый ключевой мост. Здесь происходит преобразование постоянного тока в синусоидальный.

Генерация синусоидального тока осуществляется путем соответствующего последовательного переключения силовых транзисторов, управляемых схемой управления и регулирования. Первоначально для генерации синусоидального напряжения использовались реле, позже — тиристоры, а теперь из-за более быстрого времени переключения их заменили транзисторами IGBT или биполярными транзисторами с изолированным затвором.

Работа полупроводниковых элементов двухпозиционная, отсюда и термин «транзисторный ключ», а частота их переключения может достигать 100-200 кГц. Переключение IGBT-транзисторов осуществляется с помощью упомянутых управляющих сигналов, которые могут быть сформированы с использованием различных алгоритмов и методов. В настоящее время существует три промышленно проверенных и простых в реализации метода управления — прямой метод через входной, опорный сигнал управления, метод с использованием регулируемого напряжения звена постоянного тока, которое пропорционально входному сигналу управления, и наиболее часто используемый метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Последний метод основан на том, что схема управления определяет длительность периодов включения и выключения соответствующих пар транзисторов, расположенных в определенных ветвях моста. В методе ШИМ постоянное напряжение, поступающее от звена постоянного тока инвертора, коммутируется двухпозиционными силовыми элементами инвертора — IGBT-транзисторами. Три ветви инвертора, с двумя транзисторами на ветвь, генерируют в общей сложности восемь возможных комбинаций открытия/закрытия полупроводниковых вентилей (выходов). В результате на выходах инвертора образуется восемь различных векторов напряжения, соответствующих коротким импульсам выходного напряжения различной ширины (длительности), что позволяет получить желаемый усредненный по времени выходной сигнал. Как видно, импульсное напряжение можно использовать для модуляции сигнала любой формы, в данном случае синусоидальной кривой.

Остальные промежуточные вектора, необходимые для сглаживания сигнала, чтобы он имел на выходе наименьшее количество «дыр» в полосе, и вектора, необходимые для быстрой модуляции выходного сигнала, получаются путем суммирования в течение строго определенного времени выбранных основных векторов. Ширина импульсов напряжения между последовательными включениями и выключениями полупроводниковых вентилей инвертора определяет амплитуду генерируемого переменного напряжения, и в зависимости от частоты переключения (включения) полупроводниковых вентилей, на выходе инвертора появляется синусоида более или менее плавной формы. Использование индукционной катушки на выходе инвертора позволяет сгладить выходной сигнал в виде коротких импульсов, полученных описанным выше способом, формируя квазисинусоиду, в чистую синусоидальную форму переменного напряжения.

Разновидностью метода управления с использованием ШИМ-модуляции является ШИМ-модуляция с синусоидальной несущей формой волны. В этом методе используется синусоидальное опорное напряжение, так называемое модулирующее напряжение для каждого силового выхода инвертора. Период синусоидального опорного напряжения соответствует периоду основной гармоники синусоидального выходного напряжения инвертора. Время переключения полупроводниковых элементов (вентилей) инвертора определяется относительно точек пересечения синусоидальной формы опорного напряжения и треугольной формы модулирующего напряжения (рис. 2).

Системы управления - инверторы и сервоприводы

Разумеется, пользователь имеет возможность установить соответствующую несущую частоту, адаптированную к параметрам приводимого в действие двигателя. Однако следует помнить, что установка слишком высокой несущей частоты на IGBT-транзисторах может привести к слишком большому нагреву, что связано не только с проблемами, связанными с его рассеиванием, но и с потерями мощности на преобразователе частоты, а при слишком низкой несущей частоте двигатель начинает шуметь. Вот почему важно выбрать преобразователь частоты для двигателя, используемого в вашем приложении.

 

Манипулятор : Часть 2 — Как выбрать сервоприводы

Сервоприводы Авиамоделей