Принцип параметричного регулювання напруги Електричні машини постійного струму мають істотний недолік: щеточноколлекторний вузол, через який проходить основний потік потужності Цей вузол обмежує максимальне значення струму, а значить моменту, і отже, і швидкодія Експлуатаційні витрати вузла великі Асинхронний двигун змінного струму простіше по конструкції, дешевше, капітальні та експлуатаційні витрати менше Однак у побудові регульованого електроприводу змінного струму є одна особливість, яка полягає в тому, що його регулювання виконується по одному каналу, в той час як в двигуні постійного струму – за двома, і існує складність у вимірюванні ряду координат електроприводу

Відомо, що одним з можливих способів регулювання координат асинхронного двигуна є зміна напруги на обмотці статора Для реалізації такого способу регулювання між мережею живлення і обмоткою статора включається регулятор напруги Як нього може виступати електромагнітний преоб-разователь, електростатичний апарат – автотрансформатор, фазорегулятор, індукційний регулятор, напівпровідниковий перетворювач: тран-

з якого ясно видно залежність моменту двигуна від напруги живлення (тут:

зісторний, тиристорний, сімісторний Механічна характеристика Μ = / (δ) асинхронного двигуна описується таким виразом [8]:

.. модуль вектора фазної напруги, що живить обмотки статора асинхронн

ного двигуна

Rs – Активний опір обмотки фази статора зіЛЧастота обертання магнітного поля статора δ = ω5 – ωΓ – Параметр абсолютного ковзання зі, – Частота обертання ротора

δκ – Критичне значення параметра абсолютного ковзання

<2Ц, <212, < ^ 2ΐ - коефіцієнти, складені з параметрів еквівалентної схеми електродвигуна змінного струму).

Механічні характеристики, відповідні даному способу регулювання, наведено на рис 513 Аналіз якості наведених характеристик по регулювальним, пусковим і перевантажувальним властивостям дозволяє зробити наступні висновки:

– із зменшенням напруги зменшуються значення пускового і максимального значення моменту двигуна,

– діапазон регулювання швидкості малий,

– модуль жорсткості статичних характеристик зменшується, що сприяє погіршенню точності регулювання

Параметричне регулювання швидкості найбільш прийнятно для механіз-мов з вентиляторної механічною характеристикою Мст = / (Ω) Однак для здійснення пуску двигуна, регулювання швидкості в невеликих межах такий спосіб регулювання використовується

У переважній більшості випадків це виконується напівпровідниковими регуляторами напруги, які реалізують фазовий спосіб регулювання напруги живлення обмоток статора асинхронного двигуна (параметричне управління, рис 514, а) Особливість такого застосування полягає в тому, що в результаті перетворення вхідного в регулятор напруги обмотку статора подається вихідна несинусоїдальна напруга, якісний гармонійний склад якого погіршується з збільшенням кута управління Відомо, що вищі гармоніки:

– по-перше, здійснюють додатковий нагрів двигуна

– по-друге, гармонійні струму з Зк + 1 і Зк – 1 (к = 0, 1, 2, 3 ..) створюють в повітряному зазорі двигуна відповідно прямо і назад обертові поля і електромагнітні моменти, в результаті чого утворюються коливання результуючого моменту на валу двигуна і, як наслідок, його швидкості

– по-третє, гармонійні струму з номерами Зк утворюють пульсуючі поля, що не беруть участь у створенні пускового моменту двигуна, а отже, ще більше зменшують значення пускового моменту, послаблюючи динаміку пуску

Але формування регульованого напруги на обмотках статора може бути виконано не настільки простим способом Можливі такі прийоми його формування, а саме:

– з одного пульсу, симетрично розташованого щодо центру полусінь-Соід (рис 514, б)

– з декількох пульсов однакової ширини, довільно розташованих на по-луперіоде (рис 514, в)

– з декількох пульсов різної ширини, довільно розташованих на напівпр періоді (рис 514, г)

– з декількох пульсов однакової ширини, розташованих на напівперіоді оп певним чином, рис 515

Рис 514 Епюри формування регульованого напруги

У завдання кожного з цих варіантів входить зменшення вищих гармонік в живильному обмотку двигуна напрузі

Рис 515 Епюри формування ПШМ-напруги

Розглянемо останній варіант і одну з його інтерпретацій, а саме формування напруги на кожному напівперіод з пульсов, центри яких відстоять один від одного на відстань π / т, де т = 3,6,9, 12 .. ціле число пульсов в напівперіоді, центр першого пульсу розташовується в точці п/2т від початку напівперіоду, положення фронтів кожного пульсу змінюється в ту і іншу сторону від центру пульсу (рис 515) Крім того, кількість пульсов на кожному напівперіод трифазної системи напруги вибирається зі співвідношення п = 2 ■ т-к ± 1, де к =

1, 2, 3, 4 .., а п – номер обраної гармоніки, яка має бути присутня в промодулірованной напрузі Епюри напруги при даному Широтноімпульсна формуванні наведено на рис 515 Тут Ucsm – Напруга живильної мережі а – кут регулювання Т \ – відстань до центру першого пульсу Уі – Відстань між пульсами Наприклад, якщо в напрузі допускаються 5, 7, 11,

13 і т д гармоніки, то число пульсов на напівперіоді m = 3, якщо – 11, 13, 23, 25, то m = 6 Отже, розглянутий спосіб широтно-імпульсної модуляції змінної напруги здійснює придушення певних гармонік, чим покращує гармонійний склад живлячої напруги і тим самим енергетичні показники, а також дозволяє сформувати симетричну трифазну систему, як для фазних, так і для лінійних напруг Інші способи можуть не дозволити отримати симетричну трифазну систему Кут а може змінюватися за будь-якого закону: лінійному, пропорційному, прямокутному, синусоидальному і т п Оскільки гармонійний склад живильного асинхронний двигун напруги визначає форму механічних характеристик, а отже, його регулювальні властивості і енергетичні показники, оцінимо пропонований спосіб методами математичного аналізу Анализируемая функція (рис 515) носить несинусоїдальний характер, є непарною, періодичною з періодом 2π і визначена на цьому інтервалі наступним способом:

де А = п / (2т)шп, п = т, п – число непарних членів натурального ряду чисел

В силу своєї непарності розглянута функція при розкладанні в ряд Фурє буде

мати коефіцієнти а о і ап, Рівними нулю Коефіцієнти типу Комерсантп функції, що відбиває напруга живлення двигуна, можуть бути представлені так:

де к – номер гармоніки, значення якої досліджується

Конкретний чисельний гармонійний аналіз розглянутого ШІМ-напруги при т = 3, 6, 9 було проведено з використанням пакету програм типу MatLab На рис 516 наведені результати проведеного гармонійного аналізу, де як приклад показані зміни значень першого і десяти перших вищих гармонійних при різній кількості пульсов на підлозі періоді вихідної напруги, а саме при т = 3, 6 і 9

Рис 516 Залежності амплітуд гармонік напруги

від кута управління а

– Відносна амплітуда – /-тої гармоніки

т – число пульсов напруги на його напівперіоді

1 – амплітуда першої гармоніки при будь-яких т

при / / 7 = 3: 2 – 5-тая гармоніка 3 – 7-ма гармоніка 4 – 11-тая гармоніка 5 – 13-та гармоніка 6 – 17-та гармоніка 7 – 19-тая гармоніка 8 – 23-тяя гармоніка 9 – 25-тая гармоніка 10 – 29-тая гармоніка, 11 – 31-вая гармоніка

при т = 6:2 – 11-тая гармоніка 3 – 13-та гармоніка 4 – 25-тая гармоніка 5 – 23-тяя гармоніка 6 – 35-тая гармоніка 7 – 37-травня гармоніка

8 – 49-тая гармоніка 9 – 47-травня гармоніка 10 – 59-тая гармоніка, 11 – 61-вая гармоніка

при т = 9: 2 – 19-тая гармоніка 3 – 17-та гармоніка 4 – 35-тая гармоніка 5 – 37-травня гармоніка 6 – 5 5-тая гармоніка 7 – 53-тяя гармоніка

Ці залежності показують, що амплітуди напруг вищих гармонійних незмінні для порядкового номера їх послідовності незалежно від числа пульсов напруги Відомо, що повний опір електричних і магнітного контурів двигуна для кожної гармоніки зростає відповідно до її номером Це призводить до малих значень струму в обмотках двигуна, а отже, і до його малим електромагнітним моментам, які створюються вищими гармонійними живлячої ШІМ-напруги

Вплив цих електромагнітних моментів буде розглянуто при дослідженні перехідних процесів електроприводу, керувати ШІМ-напругою Зменшення рівня струмів від вищих гармонійних живлячої ШІМ-напруги знижує рівень гріючих втрат у активною складовою загальних втрат двигуна, а це призводить до певного розширенню діапазону регулювання швидкості двигуна, створює умови енергозбереження в його сталих і перехідних режимах

Схемне рішення регулятора напруги Зазначені вище способи широтно-імпульсної модуляції напруги можуть бути реалізовані за допомогою напівпровідникових перетворювачів, силові схеми яких засновані на транзисторних ключах Розглянемо один з варіантів напівпровідникового регулятора напруги для реалізації запропонованого способу керування швидкістю двигуна, рис 517 Регулятор складається з двох діод-транзисторних пар на кожну фазу напруги живлення, наприклад VTI-VDI і 172-1792 для фази А Діоднотранзісторная пара – це інтелектуальний модуль, керований драйвером Робота регулятора полягає в наступному Припустимо, що в момент Д (рис 515) формування на виході регулятора (на вході навантаження) пульсу напруга фази А, на його вході іа і таз позитивно, а щ негативно Для формування переднього фронту пульсу вихідної напруги включаються транзистори 171 і 175 При включених VTI і 175 струм навантаження по фазах А і С протікає через них за вказаним шляхом, у фазі В через діод 1794 Задній фронт цього пульсу формується шляхом закриття транзисторів VTI і 175 При реактивному характері навантаження (наприклад, асинхронний двигун) щоб уникнути перенапруг, що виникають при комутації фаз навантаження, необхідно організувати шляху вільної її циркуляції

Рис 517 Схема Ua і «з ^ О, Ug <0

Для цього включаються транзистори VT2 і 17 6 Вони відкриваються і спільно з діодом VD3 організовують ланцюг вільної циркуляції струму навантаження між її фазами, тобто організовують коротке замикання всіх фаз навантаження Таким чином, напруга на навантаженні дорівнює нулю і загальне сформоване ШІМ-напругу не спотворюється реактивним характером навантаження Для випадку, коли напруга іа позитивне, а напруги іі із негативні, наведено кілька інші шляхи протікання струму (рис 518) Змінюючи час включення-виключення транзисторів регулятора по відношенню початку синусоїд, можна сформувати будь-який закон широтно-імпульсної модуляції вихідного змінної напруги, що надходить на навантаження, у тому числі і пропонований

Рис 518 Схема Ιία > 0, Щ і Uc <0

Аналіз роботи трифазного регулятора, в якому регулювання вихідної напруги здійснюється широтно-імпульсним методом підключення фаз навантаження до фаз мережі живлення з подальшим їх відключенням від фаз мережі і закорочуванням їх на час пауз, через неоднозначність процесів включення і виключення транзисторних ключів регулятора, а також через асиметрію їх імпульсів управління показує, що можливі міжфазні короткі замикання Щоб усунути цю можливість, система управління повинна для формування переднього фронту імпульсу вихідної напруги спочатку включати транзистори фази, що має найбільший негативний потенціал по відношенню до потенціалом інших фаз (у розглянутому вище випадку це момент Д, при якому іа > іь і таз > іь, А роль транзистора в фазі іь виконує діод VD3), потім транзистори фази, що має проміжне значення потенціалу між найменшим і найбільшим значеннями (у розглянутому випадку включається транзистор фази А – VT \, бо і з> іа) Потім транзистори фази, що має найбільший позитивний потенціал (у розглянутому випадку включається транзистор фази С – VT5) Для формування заднього фронту пульсу напруги вимикається транзистор фази, що має найбільший позитивний потенціал по відношенню до потенціалом інших фаз (слід вимкнути транзистор VT \ фази А, а включити VT2) Потім транзистор фази, що має проміжне значення потенціалу між найменшим і найбільшим (слід вимкнути транзистор VT5 фази С, а

включити VT6) Потім вимикається транзистор фази, що має найбільший негативний потенціал (роль транзистора в фазі і * виконує діод VD4)

523 Схема управління регулятором напруги Для реалізації розглянутого алгоритму роботи трифазного регулятора напруги розроблена схема управління (рис 519)

Схема містить синхронізатор 1 дискримінатори 2, 3, 4 Ж-тригери 7, 8, 9 і драйвери 17, 18, 19 управління транзисторними модулями 20, 21 для кожної фази живлячої напруги генератор тактових імпульсів 6 елемент 5, що задає початок і кінець пульсу напруги на фазі навантаження відповідно до закону його ШІМ, а також групу логічних елементів 11 .. 16 типу 2І-НЕ, контролюючих включене-відключене стан силових транзисторів регулятора IJZ, і елемент 10, який накладає обмеження на роботу драйверів в залежності від функціонування захисних пристроїв транзисторних модулів Синхронізатор в даній схемі виконує три функції: перша полягає в гальванічної розвязки мережі, з якою синхронізується система керування силовими транзисторами регулятора, друга – у виділенні ділянок напруги силовий ланцюги, на яких управляються силові транзистори (ділянки а – Ь, а – е, е – з, рис 42, 47), а третя – в перетворенні аналогового сигналу (синусоїдальних напруг на вході синхронізатора) в цифровий сигнал (в комбінацію логічних одиниць і нулів на виході синхронізатора) Перша і третя функції виконуються шляхом використання у схемі синхронізатора оптронні пар Друга – схемним рішенням синхронізатора Основну функціональну роль в роботі системи управління відіграють дискримінатори

Кожен діскрімінатор має (рис 520):

– два синхронізуючих входу: XI – з позитивною півхвилею напруги, Х2 – з негативною півхвилею того ж напруги

– два керуючих входу: АЗ, дозволяючий формувати передній фронт пульсу вихідної напруги, і А4, дозволяючий формувати задній фронт цього пульсу

– два інформаційних входу: А5 і А6 про включений і вимкненому стані двох інших фаз

– два виходи 71 і 72, які задають стану / А-тригерів, необхідні для керування силовими транзисторами регулятора

На ділянці а – b напруги будь фази синхронизирующий сигнал А1 кожного дискримінатора має логічне значення, рівне «1», на ділянці b – з чи b – е – рівне «О», на ділянці с – d – рівне «О», а синхронизирующий сигнал А2 цього ж дискримінатора має на ділянці а – b логічне значення, рівне «О», на ділянці b – з чи b – е – рівне «О», на ділянці с – d – рівне «1» (рис 521) Розглянемо формування ШІМ-напруги на позитивному напівпр-періоді напруги навантаження фази А, наприклад на відрізку часу t0 – T \ До моменту часу to, оскільки формувалася пауза в вихідній напрузі, транзистори 21 в кожній фазі регулятора включені, що відповідає значенням входів дискримінатора АЗ = О, А4 = 1, А5 = 1, А6 = 1 і виходам 71 = 1, 72 = 0 У момент to на керуючому вході АЗ (вхід ШІМ) зявляється логічний сигнал «1», що відповідає А4 = 0, а синхронизирующие входи дискримінаторів для каналу фази І: А1 = 1, А2 = 0, для каналу фази В: XI = 0, А2 = 0, для каналу фази С: А1 = 0, А2 = 1 Внаслідок цього виходи дискримінатора фази С набувають такі значення: 71 = 0, 72 = 1, які надходять на відповідні інформаційні входи, / А-тригера 9, і при парафії тактового імпульсу від генератора 17 тригер переходить в нульовий стан (на інверсному його виході логічна «1»), За цим сигналом драйвер, керуючий парою транзисторів 20 .. 21, включає транзистор 20 і вимикає транзистор 21 фази С, тобто здійснюється комутація фази, що має найменший по відношенню до інших фазах потенціал У той же самий час для каналу фази В (ділянка b – е або а – е) синхронизирующие входи його дискримінатора мають значення А1 = 0, А2 = 0, а інші входи – АЗ = 1, А4 = 0, А5 = 0, А6 = 1 Внаслідок цього виходи дискримінатора фази В набувають такі значення: 71 = 0, 72 = 0, а тактовий імпульс від генератора 6 не змінює стан тригера 8 цього каналу управління Однак у момент часу to станеться включення транзистора 20 фази С

Рис 5Ξ0 Схема синхронізатора з дискримінатором

Цьому відповідає наступний стан виходів тригера: в каналі фази С прямий вихід має логічний «О», інверсний вихід – логічну «1» Це призведе до зміни стану інформаційного входу Х5 дискримінатора каналу фази В (вихід елемента 12), тобто тепер Х5 = 1, а вхід Х6 збереже своє значення Зміна стану інформаційного входу Х5 призведе до наступного поєднанню виходів дискримінатора 8: 71 = 0, 72 = 1, при якому тактовий імпульс від генератора 6 через відповідний драйвер включить транзистор 20 і вимкне транзистор 21 фази В, тобто виконується комутація фази, що має потенціал між найменшим і найбільшим значеннями При цьому значення входу Х6 дискримінатора в каналі фази А змінить свій стан-Х6 = 0 (елемент 14) Для фази А синхронизирующие входи його дискримінатора мають значення XI = 1, Х2 = 0 (ділянка а-Ь) і спільно з іншими входами ХЗ = 1, ХА = 0, Х5 = 0, Хв = 0

Рис 521 Епюри напруги дискримінатора

Внаслідок цього виходи дискримінатора фази А набувають такі значення: 71 = 0, 72 = 0, тобто ті значення, які вони мали до моменту часу to, і стан транзисторів 20 і 21 у фазі А не змінюється Але в момент часу to відбудеться включення транзистора 20 фази В, чому відповідає наступний стан виходів тригера в каналі фази В: прямий вихід має логічний «0», інверсний вихід – логічну «1» Це призведе до зміни стану інформаційного входу Х5 дискримінатора каналу фази А (вихід елемента 11), тобто тепер Х5 = 1 Це дає наступне поєднання виходів дискримінаторів: 71 = 0 72 = 1, при якому тактовий імпульс від генератора 6 через тригер 7 і драйвер 17 включить транзистор 20 і вимкне транзистор 21 фази А, тобто виконується комутація фази, що має найбільший потенціал по відношенню до потенціалом інших фаз При цьому значення входів Х6 дискримінаторів в каналах фаз В і С змінює свій стан – Х6 = 0 (елементи 15 і 16) Закінчення формування імпульсу вихідної напруги здійснюється в момент часу t \, коли на керуючий вхід ХЗ надходить логічний «0» (вхід ШІМ), що відповідає Х4 = 1, а синхронизирующие входи для дискримінатора каналу фази А – XI = 0, Х2 = 0, для дискримінатора каналу фази В – XI = 1 Х2 = 0, для дискримінатора каналу фази С – XI = 0, Х2 = 1 Внаслідок цього виходи дискримінатора фази В набувають таке значення: 71 = 1 і 72 = 0, при яких тактовий імпульс від генератора 6 виставить ці значення на вихід тригера 8 і через драйвер 18 вимкне транзистор 20 і включить транзистор 21 фази В, т е відключиться напруга фази, що має потенціал, найбільший по відношенню до потенціалом інших фаз При цьому значення входів Х6 дискримінаторів каналів фази А і С змінить свій стан -2 / 6 = 1 (елементи 14, 16)

У той же самий час для каналу фази А (ділянка b – з чи а – е) синхронизирующие входи дискримінатора мають значення XI = 0 Х2 = 0, а інші входи дискримінатора: ХЗ = 0 Х4 = 1 Х5 = 1 Х6 = 0 Внаслідок цього виходи дискримінатора каналу фази А набувають таке значення 71 = 0 72 = 0, а тактовий імпульс від генератора 6 не змінює стан тригера 7 Однак у момент t \ скоєно комутація транзисторів у фазі В змінює стан входу Х6 дискримінатора каналу А – X6 = 1 Це дає наступне поєднання виходів дискримінатора: 71 = 1, 72 = 0, при якому тактовий імпульс від генератора 6 виставить це поєднання на вихід тригера 7 і через драйвер 17 вимкне транзистор 20 і включить транзистор 21 фази А, тобто відключиться напруга фази, що має потенціал між найбільшим і найменшим При цьому значення входу Х6 дискримінатора каналу фази В змінить свій стан -2 / 6 = 1 (елемент 15)

Для каналу фази С синхронизирующие входи дискримінатора мають значення XI = 0 Х2 = 1 (ділянка е-с), а інші входи – ХЗ = 0 ХА = 1 2/5 = 1 2/6 = 0 Внаслідок цього виходи дискримінатора каналу фази З набувають такі значення: 71 = 0, 72 = 0, але тактовий імпульс від генератора 6 не змінює стан тригера 9 Однак, здійснюючи комутація транзисторів фази А змінює стан входу Х6 дискримінатора каналу фази С – X6 = 1 Це дає наступне поєднання виходів дискримінатора: 71 = 1, 72 = 0, при якому тактовий імпульс генератора 6 виставить це поєднання на вихід тригера 9 і через драйвер 19 вимкне транзистор 20 і включить транзистор 21 фази С, тобто відключиться напруга фази, що має найменший потенціал по відношенню до потенціалом інших фаз

Таким чином, схема управління виконує необхідний алгоритм перемикання силових транзисторів регулятора щодо формування ШІМ-напруги на навантаженні Підвищення надійності досягається ще й тим, що проходження сигналів управління на силові транзистори виконується по команді тактового генератора Частота проходження тактових імпульсів вибирається виходячи з необхідного значення затримки проходження імпульсів на різні фази Наприклад, при необхідності затримки в 5 .. 10 мкс частота тактового генератора складе 100 .. 200 кГц

Розглянуті схеми синхронізатора і дискримінатора можуть використовуватися і для інших пристроїв автоматики, де необхідно мати гальванічну розвязку синхронизирующей частини системи управління з силовою частиною пристрою, де необхідно виявити певні ділянки змінної напруги, на яких виконується управління силовою схемою пристрою, де трифазну напругу змінного струму необхідно перетворити в цифрову форму

Система управління, що формує «Вхід ШІМ», повинна, як було показано, визначити центри пульсов напруги відповідно до законом, що розглядається і змінюються положення передніх і задніх фронтів цих пульсов Раціонально для цього використовувати властивості синусоїдального трифазного напруги, що складаються в тому, що напруги фаз мають природне перетин якраз в необхідних для цього точках, і що фазні напруги зрушені щодо

лінійних напруг на 90 ° При найменшій кількості пульсов на полуперіо-де т = 3 максимальна ширина пульсу не перевищує значення π / З, максимальний кут управління не перевищує значення π / б На ділянці 0 .. π / б значення синусоїдальної функції з найменшою похибкою відрізняються від прямолінійної залежності між двома точками, апроксимуючої синусоїду Тому, використовуючи це властивість, отримаємо, що ширина пульсу напруги буде достатньо прямо пропорційна напрузі управління Це наочно показано на рис 522

Технічна реалізація наведених вище теоретичних передумов наведена на рис 523 Пристрій складається з трансформатора TV, двухполуперіодних випрямлячів UZX .. UZ6, компараторів DI .. D6, конюнктор Z77 … D10 і суматора D \ 1, на виході якого є послідовність імпульсів, відповідна розглянутого способу формування ШІМ-напруги, а також перемикач SA, дозволяє провести вибір трьох або шести пульсов на напівпр-періоді формованого шим-напруги

Рис 523 Схема формування керуючого сигналу ШІМ

Вторинна обмотка трансформатора дозволяє отримати фазні і лінійні значення напруги, синхронізовані з мережею живлення силової схеми регулятора напруги На виході випрямлячів є напруги, призначені для отримання пульсов ШІМ-напруги на виходах компараторів шляхом порівняння їх з напругою управління Конюнктор / 97../98 збирають в єдину послідовність імпульси, що утворилися від компілювання їх у окремих видів напруги Конюнктор Ζ99 .. Ζ910, суматор Ζ911 за допомогою перемикача формують трехпульсную або шестіпульсную ШІМ-напруги Епюри напруги, що характеризують роботу елементів схеми формування ШІМ-напруги, наведено на рис 524

Рис 524 Епюри напруги системи

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р