Схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя. Инвертор управления двигателем


Задающий генератор для трехфазного инвертора, Инвертор для асинхронного двигателя, Преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя на PIC контроллере

PIC С USB В УПРАВЛЕНИИ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.

Использование микроконтроллеров для создания систем импульсного управления силовыми выпрямительными мостами на основе тиристоров позволяет уменьшить размеры устройств управления, сделать их компактными и надежными. В статье представлено описание блока управления тиристорным преобразователем БУТП, выполненного на микроконтроллерах PIC фирмы Microchip PIC16F628A и PIC18F2550.
схема || продолжить

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ТРЕХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА.

Темa питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети не нова, но по-прежнему остается актуальной. Сегодня мы предлагаем вниманию читателей еще одно техническое решение проблемы. Для упрощения задающего генератора — основы трехфазного инвертора, обеспечивающего питание такого двигателя, — автор статьи предлагает использовать микроконтроллер.
схема || продолжить

ИНВЕРТОР ДЛЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Хотя сегодня для управления трехфазным электроприводом имеются специализированные микросхемы с большими функциональными возможностями, простой инвертор для питания асинхронного трехфазного двигателя от однофазной сети может быть построен на базе обычного микроконтроллера. Предлагаемый инвертор состоит из микроконтроллера, узла защиты от превышения допустимого тока нагрузки и мощных коммутаторов напряжения IGBT.
схема || продолжить

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

В электроприводах технологических установок получили широкое применение асинхронные трёхфазные двигатели. Если необходимо изменять частоту вращения ротора такого двигателя, его следует питать трёхфазным током с регулируемыми частотой и эффективным значением напряжения. В статье рассказывается о преобразователе, формирующем регулируемое по частоте и амплитуде трёхфазное напряжение из однофазного, поступающего от сети 220 В.
схема || продолжить

СВАРОЧНЫЙ ИНВЕРТОР.

Устройство предназначено для электродуговой сварки штучными электродами. В мостовых инверторах падающая характеристика обеспечивается достаточно сложной электроникой. С точки зрения простоты управления наиболее привлекателен именно резонансный мост. В нем падающая характеристика источника сварочного тока обеспечивается параметрическими свойствами резонансной цепочки в первичной цепи инвертора. Особенностью инвертора является не только использование полного резонансного моста, но и управление им с помощью мк PIC16F628.
схема || продолжить

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ТРЕХФАЗНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.

В настоящее время фактически 60% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется электродвигателями. Поэтому достаточно остро стоит задача экономии электроэнергии и уменьшения стоимости электродвигателей. Трехфазные асинхронные двигатели считаются достаточно универсальными и наиболее дешевыми.
схема || продолжить

mimik.esy.es

Частотный преобразователь

Частотный преобразователь, или преобразователь частоты - электротехническое устройство (система управления), используемое для контроля скорости и/или момента двигателей переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания электродвигателя.

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты - полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь - это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Частотный преобразователь небольшой мощности

Высоковольтный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

    Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
  • максимальный КПД;
  • широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
  • быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
  • максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
  • надежность, интуитивное управление.

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Функциональная схема частотного преобразователя

На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное обеспечение, которое управляет основными параметрами электродвигателя (скоростью и моментом). Основные методы управления бесщеточными двигателями, используемые в частотных преобразователях представлены в таблице ниже.

Характеристики основных способов управления электродвигателями используемых в частотных преобразователях [3]

Примечание:

  1. Без обратной связи.
  2. С обратной связью.
  3. В установившемся режиме

Широкое развитие силовых электрических преобразователей в последние десятилетия привело к увеличению количества исследований в области модуляции. Метод модуляции непосредственно влияет на эффективность всей энергосистемы (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Главная цель методов модуляции – добиться лучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены посредством использования правильного способа модуляции, такие как уменьшение синфазной помехи, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, снижение скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, необходим компромисс. Каждая схема силового преобразователя и каждое приложение должны быть глубоко изучены для определения наиболее подходящего метода модуляции.

    Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
  • ШИМ - широтно-импульсная модуляция
  • ПВМ - пространственно-векторная модуляция
  • гармоническая модуляция
  • методы переключения переменной частоты

Корни силовой электроники уходят к 1901 году, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный вентиль. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого представления управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Затем развитие продолжалось в области новых полупроводниковых структур, материалов и в производстве, давая рынку много новых устройств с более высокой мощностью и улучшенными характеристиками. Сегодня силовая электроника строится на металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторах (MOSFET - metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated-gate bipolar transistors), а для диапазона очень высоких мощностей - на тиристорах с интегрированным управлением (IGCT – Integrated gate-commutated thyristor). Также сейчас доступны интегрированные силовые модули. Новая эра высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных технологий открывается многообещающими полупроводниковыми устройствами, основанными на широкой запрещенной зоне карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые устройства всегда инициируют развитие новых топологий преобразователей [3].

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Фазное напряжение двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.
    • Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

      Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

      Многоуровневые преобразователи

      Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge - CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

      Каскадный Н-мостовой преобразователь

      Каскадный преобразователь - высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

      Схема каскадного преобразователя

      Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

      Фазное напряжение каскадного преобразователя

      Преобразователь с плавающими конденсаторами

      Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

      Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

      Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

      Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

      Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

      Инвертор тока

      Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

      Схема инвертора тока с выпрямителем

      Прямые преобразователи

      Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

      Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

      Схема циклоконвертера

      Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) - возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей - меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

      Схема прямого матричного преобразователя

      Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

      Схема непрямого матричного преобразователя

      Схема разреженного матричного преобразователя

        Библиографический список
      • ГОСТ Р 50369-92 Электроприводы. Термины и определения.
      • Rahul Dixit, Bindeshwar Singh, Nupur Mittal. Adjustable speeds drives: Review on different inverter topologies.- Sultanpur, India.:International Journal of Reviews in Computing, 2012.
      • Marian P. Kazmierkowski, Leopoldo G. Franquelo, Jose Rodriguez, Marcelo A. Perez, Jose I. Leon, "High-Performance Motor Drives", IEEE Industrial Electronicsd, vol. 5, no. 3, pp. 6-26, Sep.2011.

engineering-solutions.ru

Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. Техническим результатом является улучшение качества выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, надежности и технологичности устройства управления инвертором. Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем содержит блок начальной установки и тактовый генератор, генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени. Блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и ПЗУ времени включения транзисторов инвертора. Блок реализации состояния содержит счетчик интервалов, счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора. Выход блока начальной установки подключен к счетчику секторов, к счетчику интервалов, счетчику точек внутри сектора, к ПЗУ времен включения транзисторов инвертора. Выход тактового генератора подключен ко счетчику точек внутри сектора, выход которого соединен с ПЗУ времен включения транзисторов инвертора. Выход генератора несущей частоты подключен к счетчику интервалов, а выход генератора управления напряжением к блоку выдержки времени. ПЗУ состояний инвертора соединен с блоком выдержки времени, выход которого подключен к счетчику интервалов. Выход счетчика секторов подключен к ПЗУ состояний инвертора, который соединен с выходом счетчика интервалов с автономным инвертором напряжения. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока.

Известен способ управления, основанный на формировании шести последовательностей управляющих сигналов, сдвинутых между собой на 60 электрических градусов (АС СССР №1798878, кл. Н 02 М 7/48, 09.04.90, БИ №8), реализуемый в устройстве, содержащем повышающий широтно-импульсный преобразователь, автономный инвертор напряжения, выходной LC-фильтр, систему управления автономным инвертором напряжения, систему управления повышающим широтно-импульсным преобразователем, источник постоянного тока и нагрузку.

Недостатком известного способа, реализованного цифровым устройством управления, является то, что при данной дискретности между последовательностями управляющих сигналов, неизбежно искажение формы выходного напряжения, повышенное содержание в нем высших гармоник.

Наиболее близким к предлагаемому, является способ, реализуемый с помощью модифицированной пространственно-векторной модуляции, при которой переключение вектора напряжения производят с дискретностью 30° . При этом амплитуды смежных векторов, расположенных через 30° , чередуют и они равны 2/3· Ud при трех открытых и - при двух открытых ключах АИН (Горячев О.В., Ерошкин Е.А. Векторное управление асинхронными трехфазными двигателями. - Электроника: НТБ, 1999, №4, с.32).

Устройство для управления автономным инвертором, реализующее модифицированную пространственно-векторную модуляцию, содержит тактовый генератор, программируемый таймер, генератор “цифрового треугольника”, содержащий три счетчика и постоянное запоминающее устройство, регистр управления, блок регистров ШИМ и цифровых компараторов по числу фаз, блок коммутаторов ШИМ-сигнала по числу фаз.

Недостатком известного способа, выбранного в качестве прототипа, являются пульсации амплитуды при позиционировании вектора выходного напряжения, приводящие к снижению его качества, ухудшению гармонического состава. К недостаткам устройства, реализующего известный способ, следует отнести наличие управляющего регистра, а также наличие схемной реализации управления по фазам, что увеличивает громоздкость устройства, усложняет схему управления, уменьшая его быстродействие.

Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение качества выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, надежности и технологичности устройства управления инвертором, реализующего предлагаемый способ.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что формируют последовательности управляющих сигналов, подаваемых на ключи автономного инвертора, и образующих вращающийся в пространстве изображающий вектор выходного напряжения, причем изображающий вектор выходного напряжения формируют путем геометрического суммирования двух базовых векторов, сдвинутых между собой на 30° , в отличие от прототипа амплитуду второго базового вектора уменьшают до величины первого базового вектора, а также тем, что изображающие векторы сдвигают друг относительно друга на сколь угодно малый угол, например, 1° .

В устройство, реализующее предлагаемый способ, содержащее блок начальной установки и тактовый генератор, в отличие от прототипа дополнительно введены генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени. Причем блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а блок реализации состояния содержит счетчик интервалов счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора, причем выход блока начальной установки подключен к первому входу счетчика секторов, к первому входу счетчика интервалов, первому входу счетчика точек внутри сектора, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, выход тактового генератора подключен к второму входу счетчика точек внутри сектора, первый выход которого соединен с вторым входом ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а второй выход подключен к второму входу счетчика секторов, выход генератора несущей частоты подключен к второму входу счетчика интервалов, выход генератора управления напряжением подключен к первому входу блока выдержки времени, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора соединен с вторым входом блока выдержки времени, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов, выход счетчика секторов подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора, а второй вход ПЗУ состояний инвертора соединен с выходом счетчика интервалов, выход ПЗУ состояний инвертора подключен к автономному инвертору напряжения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан принцип суммирования базовых векторов; на фиг.2 - схемы, поясняющие формирование базовых векторов; на фиг.3 - расположение секторов; на фиг.4 - сумма базовых векторов; на фиг.5 - схема управления АИН.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит блок начальной установки 1 и тактовый генератор 2. Кроме того оно содержит генератор несущей частоты 3, генератор управления напряжением 4, блок выборки значений 5, блок реализации состояния 6 и блок выдержки времени 7, причем блок выборки значений 5 содержит счетчик точек внутри сектора 8 и ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, а блок реализации состояния 6 содержит счетчик интервалов 10, счетчик секторов 11 и ПЗУ состояний инвертора 12, причем выход блока начальной установки 1 подключен к первому входу счетчика секторов 11, к первому входу счетчика интервалов 10, первому входу счетчика точек внутри сектора 8, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, выход тактового генератора 2 подключен ко второму входу счетчика точек внутри сектора 8, первый выход которого соединен со вторым входом ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, а второй выход подключен ко второму входу счетчика секторов 11, выход генератора несущей частоты 3 подключен к второму входу счетчика интервалов 10, выход генератора управления напряжением 4 подключен к первому входу блока выдержки времени 7, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9 соединен с вторым входом блока выдержки времени 7, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов 10, выход счетчика секторов 11 подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора 12, а второй вход ПЗУ состояний инвертора 12 соединен с выходом счетчика интервалов 10, выход ПЗУ состояний инвертора 12 подключен к автономному инвертору напряжения.

Сигнал с блока начальной установки 1, поступает на вход счетчика точек внутри сектора 8 и ПЗУ времен включения инвертора 9, блока выборки значений 5, а также на вход счетчика интервалов 10 и первый вход счетчика секторов 11, блока реализации состояний 6. Счетчик точек внутри сектора 8 блока выборки значений 5 подает сигнал на вход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, далее сигнал проходит на вход блока выдержки времени 7, с выхода блока выдержки времени 7, сигнал поступает на третий вход счетчика интервалов 10, блока реализации состояний 6, и затем на вход ПЗУ состояний инвертора 12. Счетчик точек внутри сектора 8 блока выборки значений 5 также подает сигнал на вход счетчика секторов 11 и после соответствующего анализа подается на ПЗУ состояний инвертора 12 блока реализации состояний 6.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом: сигнал с блока начальной установки 1 приводит счетчики 8, 10, 11 и ПЗУ 9 состояний инвертора в начальное положение, после чего счетчик 8 начинает отсчет положений позиционирующего вектора (отсчет точек внутри сектора) а счетчик 11, в свою очередь отсчет секторов.

ПЗУ 9 содержит информацию о временах включения транзисторов, которые располагаются внутри периода несущей частоты и составляют его, реализуя тем самым промежуточный вектор, который располагается между двумя базовыми. Сигнал с ПЗУ 9 поступает в блок выдержки времени, где происходит подсчет времени интервалов, после чего сигнал подают в счетчик интервалов 10. Генератор несущей частоты 3, задает частоту счетчику интервалов 10, который, в свою очередь, наряду с счетчиком секторов 11, выдает сигнал в ПЗУ 12, где после обработки полученной информации создается управляющий автономным инвертором сигнал.

Пример конкретной реализации способа

Сущность предлагаемого способа формирования выходного напряжения состоит в образовании вращающегося в пространстве изображающего вектора напряжения , как геометрической суммы двух базовых векторов и , угол между которыми составляет 30° (фиг.1). При этом один базовый вектор напряжения соответствует состоянию инвертора, когда открыты два транзистора, (фиг.2а) и имеет максимальную амплитуду, равную

где Ud - модуль изображающего вектора напряжения питания инвертора.

Второй базовый вектор напряжения соответствует состоянию инвертора, когда открыты три транзистора, и имеет максимальную амплитуду, равную Ud (фиг.2б).

Таким образом, изображающий вектор напряжения , располагаемый между базовыми векторами, получают их соответствующей комбинацией, то есть путем изменения времени включения базовых векторов (фиг.1), что в инверторе будет соответствовать поочередному включению двух или трех транзисторов. Максимальное значение такого промежуточного вектора не может быть больше, чем 0,866Ud . Это необходимо для того, чтобы уменьшить пульсации модуля изображающего вектора , т.е. повысить качество выходного напряжения инвертора и улучшить форму кривой тока в нагрузке. С этой целью амплитуду второго базового вектора уменьшают до уровня амплитуды первого базового вектора , т.е. уменьшают время включения трех транзисторов.

Базовые векторы и делят период на 12 секторов. Поэтому для расчета длительности времени включения базовых векторов можно рассмотреть один из секторов, например первый (фиг.3). При включении только 12-ти базовых векторов (без промежуточных векторов в секторе) число импульсов напряжения несущей частоты на полупериоде модулирующего напряжения равно одному, i=1. Это приводит к ухудшению спектрального состава выходного напряжения инвертора. Расчет гармонического состава показывает что число импульсов несущей частоты в полупериоде модулирующей частоты должно быть больше 10, например i=12, при этом также улучшается точность позиционирования изображающего вектора напряжения . Такое число импульсов i, в полупериоде модулирующего напряжения, можно получить, сформировав дополнительно в секторе, образованном смежными базовыми векторами и , тридцать промежуточных значений фазы изображающего вектора. Тогда в периоде модулирующего напряжения (то есть в 12-ти секторах) уместится 360 положений фазы изображающего вектора .

Таким образом, фаза изображающего вектора напряжения , в одном секторе поочередно принимает 30 фиксированных положений с дискретностью 1° .

Для определения длительности времени включенного состояния соответствующих базовых векторов и необходимо построить геометрическую схему их суммы (фиг.4). Из рисунка можно записать

где US, V2, V3 - модули изображающих векторов;

- фаза изображающего вектора , принимает значения =0° -30° ;

=150° - угол между базовыми векторами.

Преобразовав это выражение с учетом уменьшения максимальной амплитуды базового вектора V3 получим

уравнения (1) можно записать в виде

где tV2, tV3 - длительности времени включения базовых векторов и соответственно;

V2, V3 - текущие значения модулей базовых векторов;

V2max, V3max - максимальные значения модулей базовых векторов и соответственно.

Т - период напряжения несущей частоты, равный

где Т0 - время, соответствующее нулевым значениям векторов.

Для формирования кругового годографа вектора результирующего напряжения необходимо переключать сектора по порядку их следования. Переключение секторов производится путем поочередного перебора всех возможных комбинаций состояния силовых ключей инвертора (фиг.3). Предложенный способ управления позволяет получить не только максимально возможное значение величины вектора напряжения инвертора, но и повысить точность формирования вектора напряжения благодаря тому, что позиционирование вектора происходит в сколь угодно малом угле, снизить амплитуду пульсаций тока в обмотках, исключить сквозные токи согласно принципу работы устройства, реализующего предлагаемый способ управления.

Анализ гармонического состава выходного напряжения инвертора показывает улучшение качества за счет уменьшения амплитуд высших гармоник. В таблице приведены значения относительных амплитуд гармоник для различного числа m промежуточных векторов в секторе.

Итак, заявляемый способ позволяет улучшить качество выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, а также повысить надежность и технологичность устройства управления инвертором, реализующего предлагаемый способ благодаря включению в его состав меньшего количества элементов.

Формула изобретения

Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора напряжения, содержащее блок начальной установки и тактовый генератор, отличающееся тем, что дополнительно содержит генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени, причем блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) времен включения транзисторов инвертора, а блок реализации состояния содержит счетчик интервалов, счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора, причем выход блока начальной установки подключен к первому входу счетчика секторов, к первому входу счетчика интервалов, первому входу счетчика точек внутри сектора, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, выход тактового генератора подключен ко второму входу счетчика точек внутри сектора, который подает сигнал на вход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а также на вход счетчика секторов, выход генератора несущей частоты подключен ко второму входу счетчика интервалов, выход генератора управления напряжением подключен к первому входу блока выдержки времени, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора соединен со вторым входом блока выдержки времени, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов, выход счетчика секторов подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора, а второй вход ПЗУ состояний инвертора соединен с выходом счетчика интервалов, выход ПЗУ состояний инвертора подключен к автономному инвертору напряжения.

РИСУНКИ

www.findpatent.ru

Система управления инвертором

ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Система управления инвертором должна исключать воз­можность прохождения сигнала на изменение режима до окончания процесса коммутации тока в вентилях. Конст­рукция и монтаж должны максимально возможно ограни­чивать наводки и помехи из-за высоких значений несущей частоты. Защита от чрезмерных dijdt осуществляется индуктивностями. Для защиты от больших dujdt служат

резисторы и конденсатор, вклю­ченные последовательно с дрос­селем L. Этот дроссель кроме упомянутых выше функций вы­полняет важную роль при защи­те тиристоров плавкими предо­хранителями, так как ограничива­ет скорость нарастания тока при аварийном открытии одновремен­но тиристоров главных или вспо­могательных.

Трехфазные инверторы стро­ятся параллельным соединением трех однофазных инверторов и обеспечением согласованного управления силовыми и вспомо­гательными (коммутирующими) тиристорами посредством специальных логических схем.

На рис. 3.56 показана упрощенная (без обратных дио­дов) схема трехфазного инвертора Мак-Мурри. Тиристоры перенумерованы в порядке включения. Форма выходных напряжений инвертора и последовательность во времени импульсов, открывающих силовые Ті—Т6 и коммутирую­щие Ткі—Гкб тиристоры, показана на рис. 3.57.

Логическая схема управления состоит из следующих основных блоков: мультивибратора, задающего частоту на­пряжения инвертора; бинарного кольцевого счетчика па модулю шесть; логической схемы из шести комбинирован­ных элементов НЕ—ИЛИ с тремя входами; логической схемы из шести комбинированных элементов НЕ—ИЛИ с двумя входами каждый.

Частота задающего мультивибратора изменяется регу­лированием резисторов. В более совершенных схемах при­меняются сложные схемы с кварцевыми стабилизаторами и делителями частоты.

Импульсы с выходов схемы разветвляются. С шести вы­ходов 1—6 они поступают непосредственно на коммути­рующие тиристоры. С других шести выходов включение си­ловых тиристоров Т—7б осуществляется через шесть ком­бинированных элементов запрета НЕ—ИЛИ с двумя входами каждый. На вторые входы поступают сигналы от силовых тиристоров, показывающих на состояние: включен или выключен. Благодаря этому элементы запрещают включение одного силового тиристора, если включен дру­гой в той же фазе, т. с. запрещено включение Т вместе с Г4, Т2 с Т5 и Тг с Те.

Эта основная схема, обеспечивающая нормальную ра­боту инвертора с принудительной импульсной коммутаци­ей, на практике дополняется блокирующими элементами, необходимыми для нормальных условий пуска, остановки и защиты.

При достаточно большой индуктивности на входе инвер­тора питающую его сеть можно рассматривать как генера­тор постоянного тока, а ток двигателя, — как независимую переменную. Как уже говорилось, такие инверторы называ­ют инверторами тока. Электроприводы с инверторами тока имеют некоторые преимущества по сравнению с инвертора­ми напряжения. Инвертор тока обладает обратимостью, т. е. способностью передавать энергию в обоих направле­ниях только при одном вентильном коммутаторе: ток протекает в одном и том же направлении, а напряжение при рекуперации энергии меняет знак.

В большинстве случаев инверторы тока строятся на схемах с отсекающими дио­дами (см. рис. 3.59). Вен­тили коммутатора распре­деляют ток по фазам дви­гателя почти прямоуголь­ной формы при длительно­сти полуволн 120°.

При коммутации к тиристорам приложено напряжение коммутирующего конденсатора, а к диодам — напряжение, равное сумме напряжений конденсатора и двигателя. На­пряжение на диодах имеет максимальное значение в гене­раторном режиме, когда оно может вдвое превышать на­пряжение коммутирующего конденсатора. Ток через ти­ристоры и диоды составляет 1/3 тока питающего источни­ка. Для ограничения di/dt в контуре коммутации устанав­ливаются дроссели.

Электропривод с инверторами тока рекомендуется при­менять в диапазоне мощности 10—500 кВт для привода вен­тиляторов, насосов, центрифуг, станков и т. п., а также в электротяге (см.§ 5.3).

Его характерный недостаток — он не может работать на холостом ходу (с отключенным двигателем). При глубоком регулировании частоты возникает необходимость в отдель­ном источнике постоянного тока для коммутации.

"'Наибольшее распространение получили, однако, инвер­торы напряжения. Они позволяют строить преобразователи частоты с практически неограниченным диапазоном регули­рования частоты (при ШИМ для одно - и многодвигатель­ных приводов с замкнутыми и разомкнутыми системами управления и самыми разнообразными характеристиками). 10* 147

Емкость конденсаторов у них меньше, чем у инверторов тока, но они требуют большего числа вентилей.

Заметим, что с инверторами тока лучше сочетаются дви­гатели с небольшими индуктивностями рассеяния а к инверторам напряжения, наоборот, больше подходящ двигатели с большим рассеянием.

Цены на преобразователи частоты(12.11.14г.): Модель Мощность Цена CFM110 0.25кВт 1500грн CFM110 0.37кВт 1600грн CFM210 1,0 кВт 2200грн CFM210 1,5 кВт 2400грн CFM210 2,2 кВт 2900грн CFM210 3,3 кВт 3400грн Контакты …

В настоящее время большинство технологических задач решается на основе комплектных асинхронных электроприводов с частотным управлением. Сегодня все ведущие отечественные и зарубежные фирмы, работающие в области сило­вой электроники выпускают изделия, предназначенные …

Метод пространственно-векторной модуляции (ПВМ) был разработан в се­редине 90-х годов в связи расширением возможностей систем микропроцессор­ного управления. Традиционные методы ШИМ основаны на сравнении сигнала задания с сигналом линейной развертки (пилообразным …

msd.com.ua

Инверторный двигатель стиральной машины — прямого привода

Такой термин не совсем верен, потому что существует инверторное управление двигателем. В стиральных машинах нашли применение два мотора с таким преобразователем — асинхронный и трёхфазный постоянного тока, или иногда его называют бесщёточный мотор постоянного тока (BLDC — Brushless Direct Current Motor). Рассмотрим подробнее каждый вариант, а также преимущества и недостатки.

Трёхфазный асинхронный

Этот двигатель был изобретён в 1889 году русским инженером Доливо-Добровольским, и нашёл широкое применение в промышленности, где используют трёхфазное напряжение 380 вольт. В стиральных машинах он начал использоваться после развития и широкого распространения электронных систем управления. Преимуществом этих двигателей является бесшумность — он применяется в тихих стиралках. Главный недостаток — сложное управление через инвертор.

В целом такие моторы — очень надёжные, и крайне редко выходят из строя.

Управление

Так как в домах используется однофазный ток 220 вольт, то для работы такого двигателя нужен преобразователь с регулировкой скорости и направления вращения. Это довольно сложное электронное устройство, схема которого приведена ниже на рисунке.

Как видно, что сначала переменный ток преобразуется в постоянный в выпрямителе. Для этого используется мост на диодах. Катушка индуктивности L, ёмкость C и термистор (на схеме слева), служат для защиты модуля от перегрузок, а также предохраняет домашнюю электросеть от колебаний при работе машины.

Затем постоянное напряжение поступает в силовую часть, где преобразуется в трёхфазное импульсное, у которого меняется амплитуда и частота. Именно за счёт этого осуществляется изменение скорости и направления вращения двигателя. Тахометрический генератор (обозначен T) выполняет обратную связь с системой управления. С его помощью модуль понимает скорость барабана.

Силовая часть выполнена на биполярных транзисторах. Изменение вращения двигателя осуществляется путём смены включения транзисторов. Система управления, как и сам алгоритм — сложные. И это приводит к тому, что не каждый электронщик способен восстановить этот модуль.

Основной поломкой таких моторов, является повреждение платы управления. Сам двигатель сгорает редко. Отметим, что диагностировать поломку крайне тяжело. На моторе реально проверить только целостность обмоток с помощью мультиметра. Полноценно диагностировать исправность двигателя можно через модуль управления.

Инверторы бывают следующего исполнения:

  • в виде отдельной платы;
  • интегрированы с мотором;
  • находятся на общем электронном модуле.

вернуться к меню ↑

Прямой привод

Второй тип инверторных двигателей, это трёхфазные бесщёточные постоянного тока. Впервые их стала применять фирма LG в 2005 году в качестве прямого привода. Он находится непосредственно на валу барабана. Ремень при этом отсутствует. Это было революционным решением, которое стало очень удачным, и в настоящее время его применяют и другие производители: Самсунг (Samsung), Вирпул (Whirpool), Хайер (Haier) и Беко (BEKO).

Считается что эти моторы получили развитие от шаговых двигателей, которые уже широко распространены, в частности, электротехники. Считаются крайне надёжными и долговечными. Поэтому фирма ЛДЖи даёт на них расширенную гарантию — 10 лет. Одно из названий — BCDC. Такие двигатели широко применяются в посудомоечных машинах, в составе рециркуляционного насоса, а так же используются в электровелосипедах.

Одной из их особенностей — постоянные магниты на роторе. В стиральных машинах с прямым приводом ротором является металлическая чаша, которая крепится к валу барабана. Внутри неё находятся постоянные магниты. 

Статор — неподвижная часть и соединена с внешней стороной бака. Она представляет собой круг, покрытый пластиком с местами для обмотки катушек. Внутри находятся электротехнические пластины. Также здесь располагается тахометрический генератор.

Система управления схожа с асинхронным двигателем, рассмотренным выше. Инвертор преобразует переменное однофазное напряжение 220 вольт, в постоянное трёхфазное. Параметры его могут меняться по напряжению — от 0 до 120 вольт, а по частоте — от 0 до 300 Гц. Схема и логика управления довольно сложная и не рассматривается здесь, т. к. нужна только специалистам.

Инверторные двигатели прямого привода имеют следующие преимущества:

  • простая конструкция;
  • низкий шум;
  • отсутствие приводного ремня, и как следствие уменьшение потерь на трение;
  • нет щёточного узла — не нужно менять щётки и не возникают проблемы из-за оседания пыли.

Недостаток только один — сложная и дорогостоящая система управления. Отметим, что наметилась тенденция по отходу от коллекторных двигателей, но тем не менее они являются основой большинства стиральных автоматических машин.

remontcma.ru

Режимы управления инвертора для двигателей

Частотные преобразователи для электроприводов - Частотные преобразователи и двигатели
21.01.2013 00:00

Под режимами управления инвертора понимается каждый из отдельно взятых режимов, при котором инвертор по заданным параметрам управляет частотой (скоростью) и моментом вращения привода. При этом управление может быть как с замкнутым контуром (через замкнутую цепь), так и с разомкнутым (через разомкнутую цепь). Конкретно предусмотрены следующие режимы управления:Общее управление с использованием пространственного вектора в разомкнутом контуре   - управление напряжением/частотой (метод управления приводами, когда напряжение двигателя регулируется по пропорционально выходной частоте)Применим при потребности в незначительных изменениях скорости и  точности поддержания низких скоростей. Отвечает рабочим требованиям к большинству моторных приводов переменного тока.  Векторное управление в разомкнутом контуре и без обратной связи PG. Позволяет видеть только частоту вращения (скорость) привода в реальном времени. Управление происходит без обратной связи. Управляет выходным током через замкнутый контур управления в реальном времени. Поддерживает работу на 150% от номинальной мощности момента вращения привода при частоте 0.5Гц. Автоматически отслеживает изменения нагрузки. Ограничивает выходной ток в пределах максимального значения. Даже в случае внезапного изменения нагрузки (например, ее стремительного возрастания или падения) инвертор не допустит размыкания цепи током перегрузки, равно как и короткого замыкания цепи. И при резких перепадах нагрузки инвертор сможет обеспечить надежный и стабильный режим работы привода.Управление моментом вращения привода (векторное управление в замкнутом контуре и без обратной связи PG).Позволяет не только видеть частоту вращения (скорость) привода в реальном времени, но также осуществляет управление с обратной связью. Скорость и ток контролируются через замкнутую цепь управления. Обеспечивает регулировку не только скорости, но и момента вращения привода. В данном режиме управления привод можно преобразовать из асинхронного двигателя переменного тока в  двигатель переменного тока с регулируемой скоростью вращения или высокомоментный двигатель переменного тока. Данный режим  обеспечивает реальное векторное управление без датчиков обратной связи по скорости (бессенсорное векторное управление). Режима управления инвертора по заданному параметру Режим управления инвертора по заданному параметру означает режим, при котором в качестве управляющего приводом задан один из двух конкретных параметров (частота вращения или момент вращения привода).  В качестве управляющего параметра задана частота (скорость) вращения приводаВ качестве управляющего параметра задан  момент вращения приводаЗадается с помощью разных гибких методов, преобразующих в математические комбинации наборы таких параметров, как цифровые уставки, аналоговое напряжение, аналоговый ток и другие. Толчковый режим управления по скорости перебивает любой из заданных текущих режимов (управления по заданному параметру) при нажатии на кнопочной панели кнопки JOG или включении FJOG and RJOG. То есть при нажатии на данную кнопку или включении FJOG and RJOG инвертор автоматически перейдет в толчковый режим управления приводом по скорости.

< Предыдущая Следующая >
 

www.i380.ru

Схема частотного преобразователя для трехфазного мотора

В этом видео канала «Rinat Pak» автор показал свою новую работу. Давно хотел собрать по схеме частотный преобразователь. Использоваться он будет на трехфазном двигателе. Нашел очень хорошую схему. На форуме полностью детально описано, как собрать преобразователь. В архиве на форуме есть все печатные платы, прошивки и подробное описание.

Устройство называется Восьмикрут. Если кто-то не поймет по инструкции или другими словами путеводителя, как собрать частотный преобразователь, читайте форум, там всё подробно расписано. На все вопросы можно найти ответы.

Мастер собирал устройство в течение 3-4 дней. Многие детали он покупал в китайском магазине. Восьмикрут рассчитан на двигатели до 4 киловатт. На Youtube можно найти много обзоров его. Устанавливают на токарные станки, дровоколы, сверлильные станки. Схема отлично показала себя в работе.Найти схему можно по ссылке radiokot.ru/circuit/digital/security/31/

В показанном случае трехфазный мотор на 600 ватт. Частотный преобразователь изготавливался для сверлильного станка. В мастерской уже было старое устройство, но надоело переключаться с одного станка на другой.

Для тех, кто соображает в электронике, показана схема — простой и бюджетный вариант. Готовые устройства стоят очень дорого. Много денег пришли заплатить за силовые транзисторы. Они установлены на радиаторе. Все остальные радиодетали не такие дорогие. Многие удалось использовать из старых запасов. Всё прекрасно работает, без каких-либо блоков.

Структура. Сборка конденсаторов, dc преобразователь, блок питания на 24 вольта, плата управления, кнопки включения, дисплей, регулятор частоты для управления оборотами трехфазного двигателя.Работает конструкция от 220 вольт. Схема несложная, но очень много радиодеталей. Надо внимательно собирать.

Установлен микроконтроллер, которой надо прошивать программатором. Также установлена показаметре. Ты на плате управления. Здесь также требуется прошивка.

Включи мы посмотрим, как частотный самодельный преобразователь работает. При включении щелкает реле. Кнопка реверс, пуск, сброс. Есть ли защита от короткого замыкания, от сверхтока. В описании все это есть. Кому интересно, сможете прочитать. Нажимаем кнопку сброса. Пуск. Регулятором можно менять обороты трехфазного мотора. Нажимаем пуск и смотрим, как двигатель крутится. Мастер плавно регулирует скорость обращения с помощью крутилки. Есть функция auto реверса.

izobreteniya.net