Честотно управление на асинхронен двигател

Илиян Илиев*, Ростислав Райчев**

**Технически университет – Варна, 9010, ул.”Студентска”№1, е-mail: r_raychev@abv.bg

Резюме: В настоящия доклад се разглежда честотно управление на асинхронен двигател, реализирано с помощта на автономен инвертор на напрежение (АИН), който задава честотата на захранващото напрежение и симетричен синхронизиран широчинно-импулсен регулатор на напрежение, който осигурява нивата необходими за генериране на синусоидата.

Ключови думи: Асинхронен двигател, тристъпален инвертор на напрежение, тристъпален симетричен синхронизиран ШИР на напрежение, честотно управление.

Простото устройство, относително ниската цена и издръжливостта на асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор налага все по-широкото им разпространение в промишлеността и бита.

Скоростта на асинхронния двигател може да се регулира по няколко начина. Един от тях е честотното управление. То има най-добри електрически и икономически показатели: енергоспестяване, намаляване на пусковия ток, удължаване живота на механичното оборудване.

Честотното управление представлява управлението на пускането, спирането и реверса, а също и плавното регулиране на скоростта, осъществено с изменение на честотата и стойността на напрежението захранващо двигателя.

Принципна ссхема на един от начините за реализиране на честотно управление е показан на фиг.1.

ВП – Вентилен Преобразувател

ШИР – Широчинно Импулсен Регулатор

ИН – Тристъпален Инвертор на Напрежение

ЗН – Задаващо Напрежение

БУ1 – Блок за Управление на широчинно импулсния регулатор

БУ2 – Блок за Управление на тристъпалния инвертор

АД – Асинхронен Двигател.

Вентилната група преобразува променливото напрежение в постоянно, стойността на което се регулира чрез широчинно импулсен регулатор (ШИР). То постъпва на входа на управляемия инвертор, който го преобразува в променливо, трифазно със стъпаловидна форма на синусоидата (фиг.2) и дава възможност за промяна на неговата честота. Използваният закон за регулиране на скоростта е U/f=const.

ШИР и АИН се управляват от отделни блокове за управление, на чиито входове постъпват сигнали за заданието за скоростта и от обратните връзки.

Изходното напрежение на инвертора представлява тристъпална функция, чиито стъпала имат стойности съответно 0,268U_max., 0,732U_max., и U_max. Доказано е че, при такива стойности, тази функция има форма максимално близка до синусоидалната и е намалено до минимум влиянието на висшите хармоници.

За реализирането на такава форма на захранващото АД напрежение е необходимо ШИР да захранва АИН с три напрежения, чиито стойности са в съотношения съгласно посочените по-горе коефициенти. За подобряване на енергийните показатели е препоръчително да се използва синхронизиран симетричен широчинно-импулсен метод за регулиране.

При класическия широчинно импулсен метод (ШИМ), източникът на постоянно или променливо напрежение периодично се превключва към товара, в резултат на което на изхода на преобразувателя се формират импулси, като при зададена тактова честота проводимостта във веригата започва от началото на периода (фиг.3.а). Ако обаче проводимостта е разположена в средата (между две симетрични паузи), то такъв метод на широчинно импулсно управление, може да бъде наречен „симетричен” (С-ШИМ) – фиг.3.б.

В променливотокови вериги, при въвеждане на допълнителна симетрия за проводимостите спрямо максимумите на синусоидалното напрежение (фиг.3.в), симетричния ШИМ се превръща още в „синхронизиран” широчинно импулсен метод за управление (СС – ШИМ).

За такива функции фазовият ъгъл на основния хармоник от разложението в ред на Фурие е нула (φ1 = 0), а факторът на мощност на електрическата верига оценен по него е единица (cosφ1 = 1).

Това управление може да бъде реализирано като аналогово или цифрово.

В динамично отношение за повишаване на бързодействието на широчинно импулсния регулатор е желателно да се работи с по-висока пулсност. При 24-пулсна (фиг.4, показан е само положителния полупериод), която се реализира през 15°, интервала между центровете на импулсите е 833 μs. Това налага да се премине към вариант – цифрово управление.

Управлението на Широчинно-импулсния регулатор се извършва с микроконтролер PICmicro 16F877 на Microchip.

Микроконтролерът получава на входовете си управляващо напрежение за необходимата ширина на импулсите, сигнал от схемата за токова защита и сигнал за синхронизация с напрежението на мрежата.

За по-голяма точност при реализирането на този тип импулсно управление, в програма е включен алгоритъм, ползващ заявки за прекъсвания.

За формиране на 24 симетрични импулса за един период, е нужно да се формират 48 центъра. Всеки нечетен център съвпада с центъра на импулса, а всеки четен – с центъра на паузата.

Микроконтролерът работи с тактова честота 20 MHz, задавана от външен кварцов осцилатор. Следователно една инструкция се изпълнява за 200 ns. Времето между два от 48-те центъра е 417 μs или това са 2083 инструкции. Удобно е да се използва Timer1, тъй-като той е двубайтов. Модула се настройва така, че да дава заявка за прекъсване през нужния интервал от време и така се освобождава процесорно време за другите изчисления.

Задание за ширината на максималния импулс (U_max) се подава от управляващото напрежение (от 0 до 5 V) на аналогов вход. Аналоговата стойност се преобразува в цифрова от аналого-цифровия преобразовател (АЦП) на микроконтролера. Ширината на другите 2 импулса се изчислява програмно. Имайки предвид метода за формиране на импулсите, удобно е да се използват само старшите 8 бита на 10 битовия преобразовател.

Ширините на импулсите се генерират от Timer0. За да може да се отработи времето 417 μs от 8 битовия таймер, същия се настройва да работи с делител на честота 1:8, т.е. на всяка 8-ма инструкция се добавя единица в регистъра TMR0. Така интервала между между 2 центъра се разделя на 260 части, на които се съпоставя стойността, получена от модула АЦП. Максималната е 255, останалото време се обезпечава от съответни изчисления и времето за тяхното изпълнение.

Най-голям приоритет в заявките за прекъсване има сигнала от токовата защита, който се подава на цифров вход на микроконтролера с настройки да дава заявка за прекъсване при промяна на състоянието си – високо или ниско ниво. В случай на получаване на този сигнал, импулсите се преустановяват мигновено до неговото отпадане. Алгоритъмът е организиран така, че независимо от продължителността на сигнала от токовата защита, да не се губи информация за ширината на импулсите и поредността на центровете им в периода.

Следващ по значимост е сигнала за синхронизация, който се подава на цифров вход. Организиран е да дава заявка за прекъсване по нарастващ фронт. Така се гарантира точността на работа на управлението, синхронизирано спрямо захранващата мрежа.

С най-нисък приоритет е сигнала за заявка за прекъсване от модула Timer1, който отброява времето между центровете на импулсите и паузите.

С тази организация на програмата, източникът на напрежение осигурява с достатъчно голяма точност 3-те нива, необходими на инвертора за формиране на синусоидата.

Принципната електрическа схема на силовата част на инвертора е представена на фиг.6.

С помоща на електронни ключове (K1, K2, K3 за фаза А, К4, К5, К6 за фаза В, К7, К8, К9 за фаза С), показани на фиг.6, се осъществява превключване на отделните нива на напрежението от ШИР. Съответната статорна намотка ( за фаза А, В и С ) се включва в мост, изграден също от електронни ключове (К11, К12, К13, К14 за фаза А, К21, К22, К23, К24 за фаза В, К31, К32, К33, К34 за фаза С), с които се осъществява двуполярна форма на напрежението. За формиране на синусоидата, електронни ключове работят в точно определени моменти съгласно времедиаграмата, представена на фиг.7.

Управлението на инвертора е реализирано също с микроконтролер PICmicro 16F877 на Microchip. В най-общ вид алгоритъма на програмата е представен на блокова схема на фиг.8.
Продължителността на импулсите към електронните ключове се определя от задаващото напрежение (ЗН). Сигнала се подава на аналогов вход на микроконтролера, след което се преобразува в цифров от модула АЦП. След изчисления и преобразувания резултата се записва в клетка от паметта.

Програмата ползва прекъсвания от модула TMR1, с който се отброява времето между отделните импулси. При получаване на заявка за прекъсване от TMR1, новата стойност се записва в регистрите на модула и започва отброяването на новата продължителност на импулсите. Така се определя честотата на тристъпалната функция на изхода на инвертора.