Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 6 декабря
 
 


Это интересно!

Новости

Итоги Форума и премии «Живая электроника России - 2016»


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Управление ориентацией поля в электроприводах

Метод управления ориентацией поля в электроприводах с регулированием скорости вращения улучшает динамические параметры, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. В статье описаны базовые принципы метода, построение схемы управления и применение цифровых сигнальных контроллеров для эффективной реализации системы. Статья представляет собой перевод [1]. Прим.: В статье оставлена терминология оригинала. В русскоязычной литературе чаще употребляется термин «векторное управление».

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 1. Идеология проектирования КТЭО

Рассматриваются кинематические схемы гибридных транспортных средств, специфические требования к тяговым приводам и моторам-генераторам, перспективные типы электрических машин и силовых преобразователей, характерные особенности систем ДВС-генератор, буферный накопитель, силовой преобразователь — электродвигатель, редуктор и коробка передач. Рассматриваются вопросы синтеза управления электроприводом и комплектом тягово-энергетического оборудования.

Регулируемый бездатчиковый электропривод в бытовой технике

В связи с возрастающими требованиями к бытовой технике по энерго­сбережению, функциональности и снижению стоимости на рынке появляются новые решения по управлению электродвигателями. В статье рассмотрен метод векторного управления электродвигателя без датчика, использующий высокоэффективный и недорогой специализированный контроллер компании Freescale. Статья представляет собой перевод [1].

 

12 ноября

КПД электродвигателя и коррекция коэффициента мощности

В настоящее время вопросы повышения энергоэффективности электроприводов выходят на первый план в промышленных приложениях. В статье рассмотрены такие методы улучшения КПД электродвигателя как применение оптимальных алгоритмов управления и контроль коэффициента мощности (ККМ). Показано, что активная ККМ позволяет существенно улучшить энергоэффективность системы. Описаны различные варианты построения архитектуры выпрямителя и инвертора электродвигателя с активной ККМ и методы реализации алгоритмов управления с помощью DSP, ASSP и FPGA.



В

озможная экономия электроэнергии от повышения КПД электродвигателей во всем мире чрезвычайно высока. Совсем недавно (в марте 2009 г.) в ЕС были разработаны обязательные «Стандарты на минимально допустимую энергоэффективность» (Minimum Efficiency Performance Standards — MEPS), которые будут введены в действие в период с 2011 по 2017 гг.
Повышение КПД электродвигателей может быть достигнуто несколькими путями. Первый из них связан с самим электродвигателем, в котором усовершенствована конструкция и используются материалы с улучшенными свойствами. Другой метод заключается в оптимизации угла между вращающимися магнитными полями в электродвигателе, что достигается с помощью усовершенствованных алгоритмов управления электродвигателем, например за счет пространственно-векторного управления, или управления ориентацией поля. Такой метод обеспечивает оптимальный угол (как правило, около 90°) между магнитными полями ротора и статора электродвигателя при различных скоростях и крутящих моментах.
Благодаря таким алгоритмам можно улучшить и другие динамические характеристики электродвигателя. Одним из самых значительных преимуществ новых алгоритмов управления является эффективное регулирование частоты вращения электродвигателей, которое позволяет сэкономить большую часть потребляемой мощности.

Коррекция коэффициента мощности в сети питания

Одним из вопросов, которые связаны с общей эффективностью электроприводов и часто не принимаются во внимание разработчиками системы, является контроль коэффициента мощности.
В странах ЕС требуется ККМ для источников питания номинальной мощностью более 75 Вт (согласно стандарту IEC 555), а также ограничение гармонических искажений сетевого тока, которые наводятся источниками питания (IEC/EN61000-3-2). Эти стандарты требуют контроля входного тока вплоть до 40-й гармоники линейной частоты.
Асинхронные электродвигатели переменного тока с фиксированной скоростью вращения, подключенные непосредственно к сетевому напряжению, представляют собой индуктивную нагрузку для сети переменного тока. Для борьбы с низкой эффективностью таких электродвигателей на промышленных предприятиях часто включают компенсирующую емкостную нагрузку в питающую сеть.
С помощью централизованного контроллера коэффициента мощности, работающего на базе измерения реактивного тока в момент включения и отключения электродвигателей на предприятии, можно автоматически подключать или отключать конденсаторы определенной емкости. Другим вариантом является использование ненагруженного электродвигателя-генератора в качестве искусственного конденсатора, называемого синхронным компенсатором; обычно одно такое устройство используется для целого предприятия. Чем ближе находится компенсирующий конденсатор к электродвигателям, тем лучше, т.к. между индуктивной и емкостной нагрузками имеется реактивная составляющая тока. Заметим, что генерируемый производителем электроэнергии сетевой ток может иметь практически резистивный характер, а реактивная его часть почти полностью скомпенсирована.

ККМ в современных электроприводах

Несмотря на то, что современные электроприводы обеспечивают множество функций, у них имеется, по крайней мере, один недостаток. Для таких электроприводов простая схема емкостной ККМ не работает. Электроприводы, использующие контроллеры электродвигателей последнего поколения, выглядят для электрической сети как мощные AC/DC-источники питания. Без ККМ они представляют собой существенную нелинейную нагрузку. Если посмотреть на блок-схему электропривода (см. рис. 1), станет ясно, почему это так. Силовая электроника электропривода обычно состоит из двух основных частей: выпрямителя, который преобразует входное переменное напряжение сети в постоянное напряжение промежуточной шины питания, и инвертора, который преобразует постоянное напряжение шины в рабочую частоту и переменный ток. Во многих отношениях эти два блока дублируют друг друга: один блок эффективно преобразует переменный ток в постоянный, другой — постоянный в переменный. Суммарные энергетические потери этих двух блоков, которые фактически осуществляют преобразование из переменного напряжения в переменное напряжение с другими параметрами, превышают выигрыш в эффективности за счет оптимального контроля над фазой магнитного поля и регулирования скорости вращения электродвигателя.

Рис. 1. Блок-схема современного электропривода

Почти все однофазные AC/DC-пре­образователи имеют на входе двухполупериодный мостовой выпрямитель и накопительный конденсатор большой емкости, который поддерживает постоянное напряжение между пиковыми значениями половины периода входного синусоидального напряжения. Независимо от величины емкости, напряжение на конденсаторе слегка падает во время полупериода, поэтому с приходом следующего пика мост выпрямителя начинает проводить ток и разряжает конденсатор. Ток заряда конденсатора протекает, только когда входное напряжение больше напряжения на конденсаторе; когда оно меньше, выпрямитель выключается, и ток практически не протекает. В результате ток не является синусоидальным, как показано на рисунке 2. Низкий коэффициент мощности, вызванный присутствием высших гармоник тока, вызывает проблемы для компании-производителя электроэнергии. Гармоники приводят к искажению сигнала напряжения и даже могут вызвать разрушительный резонанс в электрической сети.

Рис. 2. Выходной ток выпрямителя без ККМ содержит большое число высших гармоник

Коэффициент мощности для такого выпрямителя может быть всего 0,5…0,6. Подобная ситуация возникает и в случае 3-фазной сети питания, однако в этом случае выпрямительный мост имеет шесть диодов вместо четырех и шесть фазовых пиков за период вместо двух.
Для систем малой мощности (менее 100 Вт) можно использовать пассивную коррекцию коэффициента мощности. В маломощных приложениях КПД электродвигателей с пассивной коррекцией может быть довольно высоким (например, 96%). В таких системах между входом сети переменного тока и мостовым выпрямителем включается фильтр низких частот, обычно состоящий из катушки индуктивности, конденсатора и резистора. В результате большая часть тока вытекает из электрической сети на частоте линии в полосе пропускания фильтра. Гармоники частоты линии несколько снижаются, и форма токового сигнала сглаживается. Для систем управления электродвигателями в общем случае пассивная ККМ не обеспечивает оптимальные характеристики из-за сравнительно невысокого полученного значения коэффициента мощности (обычно около 0,75) и больших размеров компонентов для мощных приложений.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активная коррекция может обеспечить весьма высокий коэффициент мощности (0,98 и выше) при приемлемых размерах компонентов, хотя энергоэффективность может быть немного ниже, чем при пассивном методе коррекции (94% вместо 96%) из-за дополнительных переключающих компонентов. В одной из самых простых архитектур активной коррекции — схеме с катушкой индуктивности — между выпрямительным мостом и конденсатором помещается ключевой транзистор (MOSFET или IGBT) и диод в конфигурации повышающего импульсного источника питания (см. рис. 3).

Рис. 3. Усовершенствованный выпрямитель с активной коррекцией коэффициента мощности потребляет из сети ток, синфазный с напряжением сети

Повышающий AC/DC-преоб­ра­зо­ва­тель действует на основе следующего принципа: постоянное напряжение проме­жуточной шины выбирается выше, чем пиковое напряжение выпрямительного моста, поэтому импульс­ный конт­роллер работает в режиме повышения напряжения. Управляющий ключом Q контроллер регулирует рабочий цикл сигнала управления ключа так, чтобы поддерживать требуемый уровень тока и напряжения. Частота переключения выбирается намного выше частоты сети (скажем, 20 кГц). Небольшие пульсации тока на частоте переключения и гармоники тока можно отфильтровать с использованием пассивного фильтра на сетевом входе, подобно пассивной ККМ, однако это достигается значительно проще, т.к. пульсации тока меньше по амплитуде и выше по частоте.
Величина тока, вытекающего из сети переменного тока, контролируется так, чтобы кратковременный средний ток был синфазным с синусоидальным напряжением сети. Таким образом, ток через катушку приблизительно равен синусоидальному току полного периода, плюс-минус частотные компоненты тока. Средняя амплитуда выпрямленного тока полной волны контролируется в течение длительного периода времени, так что постоянное напряжение шины стабилизируется на заданной величине. Это означает, что средний ток, текущий от выпрямителя и катушки индуктивности (когда транзисторный ключ выключен), должен соответствовать среднему току, вытекающему из инвертора и электродвигателя.

Эффективность выпрямителя с ККМ

Конфигурация повышающего импульсного стабилизатора с коррекцией коэффициента мощности может быть очень эффективной. Несмотря на то, что входной ток шунтируется на землю во время первой фазы, теряется небольшое количество энергии из-за того, что падение напряжения на низкоомном ключе мало. Наибольшая часть энергии расходуется на формирование магнитного поля, и эта энергия восстанавливается и передается на конденсатор во время второй фазы.
Несмотря на то, что на диодах напряжение может несколько падать, для высоковольтных схем они не имеют особого значения. В случае их существенного влияния диоды можно заменить на транзисторы (MOSFET или IGBT) с меньшим значением напряжения включения, чем у диодов. С помощью контроллера транзисторы включаются в определенное время (а именно, когда напряжение на них переходит через ноль, подобно тому, как включался бы идеальный диод). Незначительные потери энергии наблюдаются во время переключения, когда транзистор еще полностью не включен или еще полностью не выключен; поэтому для каждого короткого отрезка времени переключения потери определяются величиной I2R. Кроме того, каждый рабочий период потери динамической энергии составляют CV2; они вызываются зарядом и разрядом емкости затвора транзистора.
Катушка индуктивности может иметь I2R-потери из-за постоянного сопротивления обмоток. Часто для минимизации динамических потерь, обеспечения более высокого тока и решения проблемы насыщения используется тороидная катушка без сердечника. Накопительный конденсатор должен иметь низкое последовательное сопротивление и быть надежным в условиях высокого тока переключения. Как и в любом импульсном источнике питания, все эти потери можно уменьшить за счет оптимизации схемы и тщательного выбора компонентов.

Усовершенствование базовой архитектуры

Базовую архитектуру активной ККМ, о которой говорилось выше, можно усовершенствовать различными способами. Например, ее можно адаптировать для питания от 3-фазной сети. Простой двухполупериодный выпрямитель для 3-фазного входа состоит из шести выпрямительных диодов, вместо четырех в однофазном выпрямителе. К сожалению, трудно получить высокий коэффициент мощности, используя только диоды, т.к. они проводят только половину периода синусоидального тока при наивысшем значении мгновенного напряжения. Для достижения более высокого коэффициента мощности синусоидальный ток полуволны должен протекать через все шесть ветвей входного моста при корректном соотношении фаз. Один способ решения этой проблемы заключается в использовании переключающего транзистора вместо шести диодов и управление им с помощью ШИМ-контроллера, который гарантирует протекание тока на каждой фазе.
Другой дополнительной функцией для системы выпрямителя/инвертора является обеспечение режима динамического торможения двигателя, или режима регенерации. В этом режиме инвертор отбирает ток от электродвигателя, который работает в генераторном режиме, в накопительный конденсатор, увеличивая напряжение шины постоянного тока. Одним из простых методов предотвращения выхода постоянного напряжения шины из режима стабилизации является выброс избыточного тока в резистивную нагрузку за счет еще одного ШИМ-контроллера. В зависимости от величины момента, приложенного к электродвигателю, избыточная энергия может быть весьма существенной. Она теряется впустую и может приводить к выделению значительного количества тепла.
Более сложным решением является модификация выпрямителя таким образом, чтобы он отдавал энергию в сеть переменного тока. Вместо потребления тока от электросети синфазно с напряжением на каждой фазе, контроллер выпрямителя возвращает ток в сеть, инвертируя фазу тока так, чтобы он был в противофазе с входным напряжением. Даже после инвертирования тока необходимо, чтобы коэффициент мощности имел приемлемую величину. Другими словами, ток должен быть синусоидальным, иметь точно противоположную фазу (не быть реактивным) и содержать мало гармоник. Он должен быть подобен току, который протекал бы при нагрузке в виде идеального отрицательного резистора. При таких условиях синусоидальный, не совпадающий по фазе ток, который поступает в электросеть во время торможения, может быть использован другими потребляющими синфазный ток устройствами, что снижает локальное потребление энергии в сети. Если другая потребляющая нагрузка отсутствует, измеритель мощности работает в обратном направлении, т.е. энергия возвращается в сеть.
Заметим, что в конфигурации для динамического торможения с 3-фазной сетью переменного тока выпрямитель выглядит почти как инвертор. Он действительно поддерживает оба режима: когда энергия потребляется из сети в шину постоянного тока (режим выпрямителя) и когда она передается из шины постоянного в сеть переменного тока (режим генератора, или инвертора).
Простой представленный выше повышающий ключ не способен выполнять все эти операции. Для решения таких задач применяется более сложная архитектура, например повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации (см. рис. 4).

Рис. 4. Повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации

Еще одним вариантом архитектуры является использование одного мощного выпрямителя для обеспечения DC-питанием множественных нагрузок, включая несколько инверторов, управляющих асинхронными двигателями.

Алгоритмы управления

Многие алгоритмы, применяемые в современных системах управления электродвигателями, используют сдвоенное управление выпрямителем (dual-in rectifier control). В результате реализуются системы, которые требуют одни и те же типы компонентов почти одинаковой сложности (по крайней мере, системы высокого класса) как для инверторов электродвигателей, так и выпрямителей с ККМ.
На рисунке 5 изображена блок-схема контроллера, который использует прямую связь по нагрузке для обеспечения быстрой реакции при ее изменении благодаря мониторингу колебаний постоянного напряжения шины из-за различных режимов работы электродвигателя. Блоки преобразования abc/dq и dq/abc (см. рис. 5) осуществляют прямое и обратное преобразование между вращающейся 3-фазной системой координат, синхронизированной с напряжением сети переменного тока, и стационарной системой координат, где применим пропорционально-интегральный закон управления. Модуль ШИМ управляет затворами семи ключевых транзисторов повышающе-понижающего выпрямителя.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма управления повышающе-понижающего 3-фазного выпрямителя

Реализация контроллера

Простую систему ККМ, как и простую схему управления электродвигателем, можно реализовать несколькими методами. Один из самых распространенных способов — использование недорогого микроконтроллера (МК), которого обычно достаточно для двигателя постоянного тока и шагового двигателя или для простого однофазного повышающего стабилизатора. Некоторые компании предлагают микросхемы для специализированного применения (application specific standard product — ASSP), способные решать специфические задачи коррекции коэффициента мощности.
Системы среднего класса, такие как контроллеры для средних скоростей, можно реализовать с помощью одного из микроконтроллеров на базе DSP, предназначенного для управления электродвигателем. Эти чипы часто содержат специальные функции и блоки для поддержки электродвигателя, такие как измерители тока, компараторы и специализированные ШИМ-модули. Эти устройства адаптируются и для применения в выпрямителях среднего класса.
Если к системе предъявляются более высокие требования, МК на базе DSP не всегда могут справиться с задачей управления. Большинство DSP являются достаточно гибкими устройствами, но по своей природе они представляют собой последовательный конечный автомат, который выполняет лишь ограниченный объем вычислений за один тактовый цикл. Поскольку алгоритмы усложняются, частота выборки растет, и требуется более высокий уровень интеграции, то решения на базе DSP становятся либо нереализуемыми, либо слишком дорогими.
В этом случае идеальным решением является применение FPGA смешанного сигнала. Эти устройства обеспечивают множество специальных аналоговых функций (например, измерение тока), требуемых как для управления электродвигателем, так и для работы выпрямителя, а также содержат конфигурируемую матрицу логических элементов. В отличие от DSP, эти устройства могут выполнять множество вычислений параллельно, среди которых такие виды специализированных вычислений как расчет синусов и косинусов. Кроме того, FPGA потребляют заведомо меньше мощности, чем любой вид МК, выполняющих ту же функцию. Это объясняется тем, что лишь малая часть микроконтроллеров предназначена для вычислений; большая часть мощности этих устройств расходуется на пересылку данных, вызов следующей команды и т.д.
FPGA смешанного сигнала сочетает лучшие свойства двух видов устройств: программно-управляемый МК в программной или аппаратной реализации может быть совмещен с логикой, предназначенной для выполнения некоторых специализированных задач управления.
Еще одним интересным свойством FPGA является то, что эти устройства полностью включают в себя процессор, тогда как DSP, ASIC и ASSP не могут полностью включать в себя конфигурируемую логику.
FPGA обеспечивают высокую гибкость при разработке приложения. Например, если какой-либо алгоритм требует дополнительного модуля ШИМ, его можно без труда добавить в систему на базе FPGA. ШИМ-модуль, встроенный в DSP или ASSP, может либо не выполнять требуемый для конкретного приложения алгоритм, либо не учитывать особенности существующей схемы питания. С помощью FPGA ШИМ-модуль можно сконфигурировать точно под требования приложения. FPGA можно адаптировать для работы почти со всеми типами датчиков обратной связи (энкодеры, датчики на эффекте Холла, тахометры и т.д.), а также для реализации алгоритмов без датчиков на основе измерения противо-ЭДС электродвигателя.
FPGA смешанного сигнала позволяют значительно увеличить степень интеграции изделия. Одним из примеров такого рода служит реализация почти всех функций управления как для выпрямителя с высоким коэффициентом мощности, так и для инвертора управления электродвигателем на одном устройстве, включая многие другие функции. Другим распространенным приложением может быть включение более одного контроллера электродвигателя в один кристалл. Это было бы идеальным решением для многоканального электропривода, в котором один выпрямитель питает два и более инвертора электродвигателя. В устройстве на базе FPGA смешанного сигнала может быть достигнута более высокая частота выборки для высокоточных приложений с широким динамическим диапазоном.

Заключение

Модернизация электродвигателей и контроллеров для их управления позволяет существенно улучшить энергоэффективность системы в целом. В современных системах управления электродвигателями активная коррекция коэффициента мощности фактически является одним из обязательных требований, т.к. без нее электродвигатели представляют собой нелинейную нагрузку для сети переменного тока. Во многих странах появились стандарты, требующие применения не только более эффективных электродвигателей, но и усовершенствованных методов ККМ и снижения уровня гармоник в сетевом токе.
В то время как системы управления электродвигателями низкого и среднего класса могут сравнительно хорошо работать на базе микроконтроллеров, DSP и ASSP, для более совершенных алгоритмов и высокого уровня интеграции оптимальным решением является применение FPGA смешанного сигнала.

Литература

1. Richard Newell. Electric motor efficiency depends upon power factor. Part 1, Part 2//www.industrialcontroldesignline.com.
2. Power Factor Correction and Harmonic Control for DC Load. PQSoft Case Study.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Александров, техн. консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты