Архив / 2001 / №2(20) / Опыт применения

Альтернатива ШИМ-управлению в преобразователях частоты с векторным регулированием

В подавляющем большинстве современных ПЧ для управления током статора используется принцип векторной ШИМ (Широтно Импульсная Модуляция).

Главный недостаток данного принципа заключается в том, что для получения малых гармонических искажений тока необходимо повышать тактовую частоту ШИМ, что приводит к увеличению динамических потерь в ключах инвертора. Кроме того, принцип ШИМ не позволяет полностью использовать напряжение источника питания, что приводит к потере момента, особенно при высоких частотах ШИМ.

В НТЦ «Приводная Техника» разработана и реализована векторная система регулирования преобразователя частоты, в основу которой положен альтернативный ШИМ-у принцип управления вектором тока. Система позволяет получать хорошую динамическую и статическую точность поддержания скорости. Диапазон регулирования (в замкнутой по скорости конфигурации) может достигать 10 000, а полоса пропускания - 200 Гц и выше.

Опытные образцы преобразователей изготовлены на СП «ГАМЕМ» (г. Истра). В настоящее время идет подготовка к серийному выпуску.

Примененный в данной системе метод регулирования тока свободен от недостатков, характерных для ШИМ-управления. Его суть - в минимизации частоты переключения ключей при заданном уровне допустимых гармонических искажений тока.

Благодаря высокой динамике управления током, вследствие более полного использования напряжения источника питания, он обладает преимуществом по сравнению с методом ШИМ.

Ниже приведено краткое описание системы регулирования.

Система управления построена по двухконтурной схеме:

- внешний контур: контур скорости
- внутренний контур: контур тока

Контур скорости

Система реализует векторное регулирование скорости, математический аппарат которого основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях (рис. 1).

Рис. 1
Рис. 1

Метод, примененный в данной системе, одинаково корректен, как для переходных, так и для установившихся процессов. Данное обстоятельство существенно повышает динамический диапазон работы системы, что приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки.

Задача контура скорости - используя сигнал обратной связи по скорости или вычисленное значение скорости (для разомкнутой системы), задать мгновенное положение вектора тока, необходимое для поддержания заданной скорости.

Контур тока

Задача контура тока - обеспечить реальное положение и амплитуду вектора тока равными заданным.

На рис. 2 изображена диаграмма, поясняющая работу контура.

Положение заданного вектора тока Is определяет центр окружности, как показано на рисунке. Амплитуда DI, вектора ошибки DI = Is - Iос непрерывно определяется в системе регулирования. В момент, когда ошибка тока достигает заданного максимального значения DI max, происходит переключение инвертора. Эта ситуация проиллюстрирована на рисунке, показывающем положение вектора тока Is на границе окружности с радиусом DI max. Следующее переключение инвертора должно уменьшить ошибку тока. Задать допустимую ошибку тока (DI max) можно, исходя из допустимых гармонических искажений тока.

Рис. 2
Рис. 2

Таким образом, момент переключения инвертора не привязан к периоду ШИМ, а зависит от реальной ошибки вектора тока.

Определяющим в работе контура является критерий выбора состояний инвертора при переключениях.

Рис. 3
Рис. 3

Критерий, используемый в данной системе для выбора следующего состояния инвертора, позволяет:

- минимизировать частоту переключения инвертора при малой амплитуде ошибки;
- уменьшить кратковременно возникающую большую токовую ошибку за минимальное время при минимальном количестве коммутаций инвертора.

Ниже приведен график, иллюстрирующий процесс отработки скачка тока.

График был снят на двигателе 7.5 кВт.

На скорости 25 Гц без нагрузки, в момент времени Т0 был осуществлен скачек тока задания по амплитуде и фазе. При этом модуль вектора ошибки между реальным и заданным значением тока составил 2,5 А.

В этот же момент Т0 система осуществила первое переключение инвертора, и модуль ошибки вектора тока начал уменьшаться. Через 500 мкСек система осуществила второе переключение, и еще через 70 мкСек ошибка тока была сведена к нулю (рис. 3).

Подобная динамика контура тока в сочетании с минимальной частотой переключений инвертора недостижимы для систем с ШИМ.

Опыт работы показывает, что данный метод управления током имеет существенные преимущества по сравнению с ШИМ-управлением. Он позволяет строить более быстрые системы, мгновенно реагирующие на возмущающие воздействия, и одновременно рассеивать меньше энергии в силовых ключах по сравнению с методом ШИМ.

НТЦ "Приводная Техника"
Тел. (095) 786-21-00
(095) 956-75-25
Факс: (095) 786-21-01
(095) 786-21-03
E-mail: info@privod.ru
www.privod.ru
107005, Москва
Посланников пер.,
д. 9, стр. 1

Юрий Калачов
НТЦ «Приводная техника»