Электропривод – просто, как «раз, два, три» Часть 2.1. Асинхронный электропривод

В первой части статьи (см. «КиТ» № 4 и 5’2004) были описаны возможности построения приводов двигателей постоянного тока — коллекторных и вентильных. Предлагаемый вниманию читателей материал посвящен силовым элементам ООО «Электрум АВ», предназначенным для построения привода двигателей переменного тока, в частности трехфазных асинхронных двигателей.

Все статьи цикла:

• Электропривод просто как «раз, два, три». Часть 1.1. Электродвигатели постоянного тока — коллекторные и вентильные
• Электроривод — просто как «раз, два, три». Часть 1.2. Электродвигатели постоянного тока коллекторные и вентильные
• Электропривод – просто, как «раз, два, три» Часть 2.1. Асинхронный электропривод
• Электропривод — просто, как «раз, два, три» Часть 2.2. Асинхронный привод. Продолжение
• Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 3. Модули управления вентильными электродвигателями без датчиков положения ротора

Основная функция привода асинхронных двигателей — получение переменного напряжения с регулируемой амплитудой и частотой для управления скоростью асинхронного двигателя. В связи с этим такой привод часто называют преобразователем частоты (ПЧ). В общем случае структурная схема такого преобразователя (рис. 1) может быть представлена в виде трех основных блоков:

1. Силовой части.
2. Управляющей части.
3. Интерфейсной части.

Силовая часть

Силовая часть преобразователя содержит:

1. Входные фильтры, предотвращающие попадание в ПЧ помех и пиков напряжения, возникающих во входной сети при работе различного силового оборудования, и светодиодные индикаторы сетевого напряжения.
2. Неуправляемый или управляемый однофазный или трехфазный выпрямитель, преобразующий входное переменное напряжение в постоянное напряжение промежуточного контура преобразователя частоты (эти элементы были подробно описаны в первой части статьи, поэтому здесь на них останавливаться не будем).
3. Накопительный конденсатор со схемой контроля заряда, являющийся важнейшим элементом, обеспечивающим качество преобразованного напряжения и, следовательно, параметры работы двигателя.
4. Инвертор напряжения, преобразующий постоянное напряжение промежуточного контура в выходное трехфазное синусоидальное напряжение, передаваемое затем на двигатель, выполненный в виде монолитного модуля М13А-75-12.
5. «Тормозная» схема, позволяющая подключить между «плюсовой» и «минусовой» шинами звена постоянного тока ПЧ специальный резистор, рассеивающий на себе избыточную энергию, которая может возникнуть вследствие генераторного режима работы двигателя, и затормозить двигатель.
6. Выходные фильтры, предотвращающие прохождение на двигатель высоковольтных помех и выбросов, которые могут возникнуть при определенных режимах работы ПЧ. Кроме того, силовая часть содержит так называемый тормозной ключ — IGBT-транзистор с последовательным диодом (чопперная схема), включенный между шинами постоянного питания промежуточного контура параллельно накопительному конденсатору. Это важнейший элемент, обеспечивающий работу ПЧ в режиме торможения, когда двигатель фактически превращается в генератор и начинает возвращать энергию в цепи питания промежуточного контура, и соответственно, повышает напряжение в нем. При достижении некоторого порогового значения, близкого к предельному напряжению промежуточного каскада, этот транзистор может включить баластный резистор между шинами питания и рассеять на себе избыточную энергию. Другим назначением этого транзистора может быть включение тормозной муфты на двигателях, оснащенных ею, с целью скорейшего останова ротора двигателя, и, соответственно, предотвращение накачки избыточной энергии в ПЧ.
7. IGBT-инвертор с тормозным чоппером и схемами управления М13А-75-12

Трехфазный IGBT-инвертор (рис. 1) выполнен на высокоэффективных IGBT и FRED-структурах с малыми статическими и динамическими потерями с предельно допустимым напряжением 1200 В и предельно допустимым током 50 А и предназначен для применения в составе частотных преобразователей для электродвигателей и в системах вторичного электропитания для DC/AC-преобразова-ния напряжения.

Максимальный номинальный ток через каждый из транзисторов инвертора составляет 7,2 А (среднеквадратичное значение) или 10 А (пиковое значение) для управления двигателем 3,5 кВт. Для управления двигателями другой мощности устанавливаются другие предельные уровни тока. Модуль обеспечивает следующие функции:

1. Выдача логических сигналов состояния:
   • FAULT1: КЗ в нагрузке, открывающий сигнал на обоих транзисторах одного полумоста;
   • FAULT2: перенапряжение или недона-пряжение на затворах;
   • FAULT3: превышение температуры;
   • CL: перегрузка по току.
   • Выдача аналогового сигнала, пропорционального уровню тока в «минусовой» шине инвертора.
   • Выдача аналоговых сигналов, пропорциональных токам в выходных фазных шинах (CU, CV, CW).

Контроль тока (CL) производится в каждом такте ШИМ в насыщенном состоянии транзисторов (в течение 500 мкс после 5мкс после подачи импульса ШИМ). Сброс модуля при превышении тока производится в каждом такте ШИМ.

При превышении температуры, КЗ или недостаточном (избыточном) питании все транзисторы модуля находятся в выключенном состоянии до восстановления нормальных условий работы.

Восстановление работы модуля при одновременной подаче на входы управления верхнего и нижнего транзисторов одного полумоста низкого уровня происходит только при подаче высокого уровня на один из транзисторов. Выдача сигнала CL происходит при превышении допустимого уровня тока через любой из транзисторов или диодов силового модуля.

Величина напряжения на выводах контроля тока в зависимости от тока и временная диаграмма контроля перегрузки и КЗ показаны на рис. 2 и 3.

Последовательность включения модуля:

1. Подать питание на силовые шины модуля Ucc.
2. Подать питание U_DH, U_DL.
3. Подать серию (10-500) коротких импульсов длительностью около 20 мкс для заряда емкостей плавающего питания верхних транзисторов. 4) Подать сигналы управления в следующей последовательности: Br — U_N/V_N/W_N — Up/Vp/Wp.
4. часть

Управляющая часть ПЧ выполнена в виде монолитного модуля МУАД7 (рис. 4), предназначена для интеллектуального управления 3-фазными асинхронными двигателями и для управления входным выпрямителем и «тормозной» схемой.

МУАД7 обеспечивает:

• Контроль собственного состояния:
  • напряжение питания;
  • сбой кварцевого резонатора.
  • Контроль уровня напряжения в шине питания инвертора и управление его величиной путем включения тормозного резистора между плюсовой и минусовой шинами инвертора или снижения напряжения входного выпрямителя.
  • Изменение скорости двигателя от 1 до 128 Гц.
  • Ускорение и замедление двигателя от 0,5 до 128 Гц/с.
  • Работу в автоматизированных системах управления по командам внешнего контроллера, осуществляя обмен по порту RS-232 с опторазвязкой со скоростью 9600 бод по протоколу, совместимому с IBM pC (порт COM).

Условное графическое обозначение модуля МУАД7 и его выводов представлено на рис. 4.

МУАД7 позволяет задавать скорость и направление вращения двигателя, скорость разгона и торможения двигателя, обеспечивает изменение частоты ШИМ для получения необходимого качества преобразованного синусоидального напряжения. Кроме того, модуль обеспечивает контроль напряжения в выходном инверторе и его стабилизацию, а также защиту от помех.

Для компенсации потерь в статоре, которые на малых частотах становятся значительно большими, чем реактивные потери на индуктивности, модуль МУАД7 позволяет обеспечить подъем генерируемого синусоидального напряжения (рис. 5). Величина этого подъема определяется в % от полного напряжения и может изменяться в программируемом режиме.

Режим ручного управления

Этот режим обеспечивается, если при включении питания или при подаче сигнала

RESET вывод MANUAL/AUTO находится в высоком состоянии (логическая «1»). При этом для управления двигателем используются выводы модуля, приведенные в таблице 2.

Выводы U_T, U_B, V_T, V_B, W_T, W_B, R BRAKE, BRIDGE CONTROL, FAULT I, FAULT T, FAULT SC, FOR/REV, START/STOp являются логическими.

Выводы DC BUS, SpEED, ACCEL, DECEL являются аналоговыми и управляются уровнем напряжения от 0 до 5 В.

Обработка ошибок и сбоев

Модуль МУАД7 обрабатывает следующие внешние и внутренние сигналы сбоя.

Снижение напряжения питания V_S ниже допустимого уровня:

• Превышение температуры в управляемом инверторе (логическая «1» по выходу F03). В инверторном модуле М13А-75-12 сигнал F03 формируется при следующих условиях:
  • порог срабатывания защиты по превышению температуры T_MAX1 = 100 110 °С;
  • порог несрабатывания защиты по превышении температуры T_MAX2=90 100 °С;
  • гистерезис защиты по превышению температуры ATmax=10 °C.
  • Превышение тока в минусовой шине модуля М13А-75-12 и соответствующего допустимой токовой перегрузке двигателя. При возникновении всех этих ошибок немедленно прекращается генерация по выходам ШИМ-модуля. При исчезновении причины сбоя (логический «0» на всех входах F0) включается таймер времени выдержки до возобновления нормальной работы. Длительность этой выдержки в ручном режиме составляет около 30 с, а в автоматическом режиме может быть в любой момент установлено значение от 0,25 с до 4,5 ч.
  • управления от внешнего контроллера (режим автоматического управления)

Режим автоматического управления обеспечивается, если при включении питания или при подаче сигнала RESET вывод MANUAL/ AUTO находится в низком состоянии (логический «0»). При этом управление преобразователем осуществляется по последовательному интерфейсу RC-232 (UART) со скоростью 9600 бод, например, через порт СОМ персонального компьютера. При этом состояние выводов FOR/REV, START/STOp, SpEED, ACCEL, DECEL не влияет на работу преобразователя. Управление в этом случае осуществляется через выводы GNDCOM, DTR, TxD, RTS, RxD. Выводы U_S, U_SA, GND, GNDA, U_T, U_B, V_T, V_B, W_T, W_B, FAULT, R BRAKE, BRIDGE CONTROL, DC BUS и RESET выполняют те же функции, что и в режиме непосредственного управления.

В режиме автоматического управления помимо режимов управления, предусмотренных в ручном режиме управления, могут быть изменены и другие параметры:

1. Изменена частота сигналов ШИМ. Если в ручном режиме она составляет стандартно 20 кГц, то в автоматическом режиме она может быть установлена в любое значение из ряда 5, 10, 15, 20 кГц.
2. Изменение полярности сигналов ШИМ раздельно для верхних и нижних транзисторов (В+Т+, В+Т-, В-Т+, В-Т-).
3. Установка времени переключения верхнего и нижнего плеча инвертора относительно друг друга («мертвое» время). Если в ручном режиме эта величина установлена в 4,5 мкс, то в автоматическом режиме она может изменяться от 0 до 32 мкс.
4. Изменена частота синусоидального напряжения, формируемого преобразователем с 50 Гц (типичных для ручного режима) на 60 Гц.
5. Изменено время блокировки преобразователя после поступления сигнала аварийной работы инвертора на входы F0.

На рис. 7 приведены диаграммы состояний модуля МУАД7 в программном режиме. 1)Сброс (RESET) — состояние, возникающее при включении питания, внутреннем сбое, по сигналу с вывода RESET, внешней команды RESET. По этой команде происходит инициализация регистров и автоматический переход в состояние установки высокоимпедансного состояния выходов ШИМ.

2) Высокоимпедансное состояние ШИМ (PWM High Z). Это состояние возникает при выходе из состояния сброса, или как результат (Set Dead Time) инициализации параметра «мертвого» времени или параметра полярности ШИМ (Set Polarity). При выходе из состояния RESET система ожидает инициализации параметров «мертвого» времени и полярности ШИМ.

3) Установка «мертвого» времени (Set Dead Time). Это состояние позволяет записать переменную «мертвого» времени. Эта переменная может быть записана только однократно после команды RESET.

4) Установка полярности ШИМ (Set Polarity). Это состояние позволяет установить параметры полярности ШИМ. Это может быть сделано только однократно после команды

RESET.

5) ШИМ выключен (PWM OFF). Это состояние возникает после того, как будут установлены оба параметра (полярность ШИМ и «мертвое» время). При этом все выходы ШИМ устанавливаются в состояние «выключено» в соответствии с выбранной полярностью. При выходе из этого режима система ожидает ввода базовой частоты, скорости и ускорения (Set Base Freq, Set Accel, Set Speed).

6) Состояние установки базовой частоты (Set Base Freq). Это состояние может быть реализовано в любой момент по команде Cmd Base Freq XX, которая определяет частоту. 7) Состояние установки ускорения (Set Accel). Это состояние может быть реализовано в любой момент и позволяет записать переменную ускорения.

8) Состояние установки скорости (Set Speed). Это состояние может быть реализовано в любой момент и позволяет записать переменную скорости.

9) Состояние «нулевой» скорости (PWM0RPM). Это состояние возникает после состояния PWM OFF, когда установлены базовая частота, ускорение и скорость. Это состояние также может возникнуть из состояния Fwd Decel или Rev Decel в случае, если была получена команда Cmd Stop и действительная скорость двигателя уменьшилась до 0 об/мин. В этом состоянии выходы ШИМ переходят в состояние «выключено» в соответствии с выбранной полярностью. Аналогично состояние системы и во время задержки после снятия команды FAULT. Выходом из состояния PWM0RPM является состояние PWM Pump, возникающее при получении команды Cmd Fwd, Cmd Rev.

10) Состояние PWM Pump. В этом состоянии выходы ШИМ верхних транзисторов выключены, а нижние транзисторы включаются со скважностью 2. Это позволяет управлять драйверами транзисторов со схемой накачки. Это состояние автоматически завершается через время t_PUMP.

11) Состояние ускоренного движения вперед (Fwd Accel). Это состояние возникает после состояния PWM Pump по команде Cmd Fwd после завершения интервала t_PUMP. Это состояние может возникнуть также в случаях:

• если в состоянии стабильной скорости заданная скорость окажется меньше действительной;
• если в состоянии реверсивного торможения действительная скорость будет равна 0 об/мин и поступит команда Cmd Fwd.
• Состояние стабильной скорости вперед
• Steady).
• Состояние замедленного вращения вперед (Fwd Decel).
• Состояние ускоренного вращения назад (Rev Accel).
• Состояние стабильной скорости назад (Rev Steady).
• Состояние реверсивного торможения (Rev Decel).
• Состояние сбоя (FAULT). Это состояние является следствием любого возможного сбоя. В этом состоянии все выходы ШИМ переходят в состояние «выключено» (за исключением случая, когда сбой происходит в состоянии PWM High Z. При этом выходы установлены в вы-сокоимпедансное состояние). Когда проблема, вызвавшая сбой, исчезает, запускается специальный таймер отсчета (задаваемого программно) времени выхода из этого состояния. При выходе из этого состояния система переходит в состояние PWM0RPM и для начала вращения двигателя необходимо поступление команды Cmd Fwd или Cmd Rev. В случае возникновения состояния FAULT из состояний PWM OFF или PWM High Z возврат из состояния FAULT будет осуществляться в эти же состояния.

Младшие 8 бит в диапазоне $00 — $FF определяют точную настройку скорости от 0 до ~1 Гц.

Vb_us — аналоговое напряжение на выводе DC BUS. Оно преобразуется в цифровую величину 10-разрядным АЦП в диапазоне 0.5 В. Цифровая величина напряжения определяется как V_bus/5 $03FF.

«Мертвое» время = величина * 125 нс.

«подъема» напряжения = величина / $FF.

«минимальный уровень помехи» = величина / $FF.

«максимальный уровень помехи» = величина / $FF.

Время выдержки = величина * 0,262 с.

Период ШИМ = величина * 250 нс.

Время нахождения в аварии = величина * 250 нс.

Регистры состояния модуля МУАД7

1 — двигатель ускоряется или замедляется, 0 — двигатель имеет стабильную скорость. Бит 5 индицирует направление движения двигателя и его остановку:

1. — движение вперед;
2. — движение назад.

Если этот бит в состоянии «1», а частота двигателя (адрес $0085 и $0086) в состоянии «0», то двигатель остановлен.

Бит 4 индицирует активное состояние выходов ШИМ:

1. — все выходы ШИМ активны;
2. — выходы ШИМ неактивны или выходы ШИМ нижних транзисторов находятся в состоянии предзаряда.

Бит 3 — резистивный тормоз:

1. — выход R BRAKE активен;
2. — выход R BRAKE неактивен.

Бит 2 индицирует получение по выходу FAULN IN сигнала об аварии в управляемом инверторе:

1. — FAULN IN в состоянии «1», преобразователь остановлен;
2. — FAULN IN в состоянии «0», преобразователь ожидает окончания времени выдержки.

Бит 1 индицирует, что напряжение на шине питания инвертора превысило величину порога, заданную по адресу $0068 и $0069:

1. — напряжение на шине питания превысило порог и преобразователь находится в ожидании завершения времени выдержки;
2. — напряжение на шине питания не превышает порога и преобразователь не находится в ожидании завершения времени выдержки.

Бит 0 индицирует, что напряжение на шине питания ниже величины порога заданной по адресу $0066 и $0067:

1. — напряжение на шине питания ниже порога и преобразователь находится в ожидании завершения времени выдержки;
2. — напряжение на шине питания выше порога и преобразователь не находится в ожидании завершения времени выдержки.

Регистр установок (адрес $00АЕ)

Бит 4: 1 — параметр базовой частоты установлен;

0 — параметр базовой частоты не установлен.

Бит 3: 1 — параметр скорости установлен; 0 — параметр скорости не установлен. Бит 2: 1 — параметр ускорения установлен;

0 — параметр ускорения не установлен. Бит 1: 1 — параметр полярности ШИМ установлен;

0 — параметр полярности ШИМ не установлен.

Бит 0: 1 — параметр «мертвого» времени установлен;

0 — параметр «мертвого» времени не установлен.

Регистр переключателей (адрес $0001) Бит 6: 1 — вывод START /STOP в состоянии «1»;

0 — вывод START /STOP в состоянии «0».

Бит 5: 1 — вывод FVD/REV в состоянии «1»;

0 — вывод FVD/REV в состоянии «0».

Бит 3: 1 — вывод FAULT OUT не индицирует состояние сбоя;

0 — вывод FAULT OUT индицирует состояние сбоя.

Бит 2: 1 — вывод R BRAKE активен, состояние «торможения»;

0 — вывод R BRAKE неактивен, «торможения» нет.

Регистр состояния последнего сброса (адрес $00АЕ)

0 — сброс вызван не внешним сигналом. Биты 5, 4 индицируют сброс, связанный с внутренней системой ошибок:

1. — сброс связан с внутренней ошибкой;
2. — сброс не связан с внутренней ошибкой.

Бит 3 индицирует сброс, связанный с командой RESET от внешнего контроллера:

1. — сброс связан с внешней командой как результат записи $30 по адресу $1000№
2. — внешняя команда не является причиной сброса.

Бит 1 индицирует сброс, связанный с питанием:

1. — последний сброс был связан со снижением питания;
2. — снижение питания не является причиной сброса.
3. часть

Интерфейсная часть позволяет вписать ПЧ в состав систем управления различными технологическими процессами или вручную задать режим его работы, при этом управление ПЧ может осуществляться от удаленного компьютера по стандартным протоколам (RS-232), по потенциальным или токовым интерфейсам (0-5 В, 0-10 В, 4-20 мА), либо с помощью соответствующих тумблеров или кнопок. При этом все сигналы управления гальванически развязаны от силовой цепи с помощью линейных оптронов.

• Электроривод — просто как «раз, два, три». Часть 1. Электродвигатели постоянного тока коллекторные и вентильные. Начало
• Электроривод — просто как «раз, два, три». Часть 1. Электродвигатели постоянного тока коллекторные и вентильные. Продолжение
• Электропривод – просто, как «раз, два, три» Часть 2. Асинхронный электропривод. Продолжение
• Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 3. Модули управления вентильными электродвигателями без датчиков положения ротора