Технические науки / Электротехника и радиоэлектроника

Трубаев П.В.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Разработка преобразователя частоты для асинхронного высокочастотного двигателя малой мощности

В высокоскоростных шпинделях с частотой вращения ротора до 96 тысяч об/мин используют в качестве привода только бесконтактные электрические машины, чаще всего это асинхронный двигатель (АД). Как правило, при мощности более 300 Вт АД выполняются трёхфазными. Высокочастотное (1600Гц) трёхфазное напряжение для электропитания обмоток вырабатывается специальным электронным преобразователем – инвертором. Современным вентильным преобразователям присущими недостатки - наличие в выходном напряжении заметных амплитуд высших гармоник, что является причиной значительного нагрева двигателей и приводит к термическому повреждению их обмоток.

В статье излагается иной подход к построению преобразователя высокочастотного напряжения для асинхронного двигателя. Преобразователь позволит приблизить форму выходного напряжения к синусоиде без привлечения импульсной модуляции.

Форма выходного напряжения импульсных преобразователей частоты определяется используемым алгоритмом управления силовыми элементами инвертора.

а) б) в)

Рисунок 1. а)схема трехфазного инвертора; б)диаграмма коммутации;

в)форма напряжений на выходе инвертора.

Простейший алгоритм управления с α =180⁰ приведен на рис.1. Действующее значение первой гармоники фазного напряжения: . В силу симметрии в спектре выходного напряжения отсутствуют четные гармоники и гармоники кратные трем. Относительная амплитуда высших гармоник:, где k - номер гармоники. Поскольку АД в первом приближении можно рассматривать как фильтр нижних частот, такое распределение высших гармоник в спектре выходного напряжения является неблагоприятным. Повышение частоты коммутации силовых ключей и развитие микропроцессорных систем управления значительно уменьшило число применяемых схем автономных инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), сведя их многообразие к простейшим вариантам. Известны две основные бестрансформаторные схемы трехфазных инверторов [1] Трехфазный мостовой инвертор рис. 2,б) применяется при питании симметричной нагрузки, не имеющей вывода нулевой точки. Схема «три однофазных полумоста» рис. 2,а) может быть применена при работе на нагрузку, имеющую вывод нулевой точки, в том числе на несимметричную нагрузку. Исследование спектров выходных напряжений инверторов было осуществлено с помощью имитационной модели в пакете Matlab с использованием блоков SimPowerSystem.

В схеме инвертора рисунке 2,а) в каждой фазе независимо формируется двухполярная однофазная ШИМ-последовательность, взаимный сдвиг основных гармоник на 120° осуществляется системой управления.

На рисунке 3 приведен спектр ШИМ-последовательности. В приведенных примерах частота коммутации f_к = А f_вых = 18f_вых, коэффициент модуляции K_м = 0,8. Подобный характер спектра характерен для ШИМ по синусоидальному закону. В низкочастотной части спектр содержит только основную гармонику с частотой f_вых (k = 1), а в области высоких частот группы комбинационных гармоник, расположенные вблизи частот, кратных частоте коммутации f_к.

а) б)

Рисунок 2. Модели инверторов с синусоидальной ШИМ.

а) б)

Рисунок 3. а)спектр выходного напряжения при классической однофазной ШИМ по синусоидальному закону; б)спектр выходного напряжения трехфазной ШИМ по синусоидальному закону.

В этой схеме происходит взаимовлияние ШИМ-последовательности одной фазы на другую фазу, поэтому речь идет о формировании трехфазной широтно-импульсной модуляции, при этом значительно изменяется спектр выходных напряжений. В спектре трехфазной ШИМ уменьшаются гармонические составляющие вблизи частоты коммутации, но значительно растут гармоники в области второй гармоники частоты коммутации. Эти гармоники, несмотря на вдвое большую частоту, могут заметно влиять на ток нагрузки, имеющей индуктивную реакцию для высших гармоник [2].

Анализ приведенных зависимостей показывает, что улучшение формы тока при использовании ШИМ происходит за счет ослабления высших гармоник напряжения в низкочастотной части спектра. Число ослабленных гармоник определяется частотой ШИМ. Учитывая тот факт, что фазные обмотки высокоскоростных АД обладают малыми значениями индуктивного и активного сопротивлений, частота ШИМ может достигать нескольких десятков кГц. При частоте основной гармоники 1600Гц предельная кратность частот для современных полупроводниковых приборов А ≤ 25[3].

Предлагаемый подход к построению инвертора основан на непрерывном синтезе – требуемое синусоидальное напряжение формируется непосредственно без промежуточного преобразования постоянного напряжения в импульсный сигнал. Синусоиду получаем на выходе усилителя мощности, активные элементы которого работают в линейном режиме и управляются по входной цепи синусоидальным сигналом. Задающий трехфазный генератор – цифровой на базе микроконтроллера AtMega8515. Он программно реализует метод прямого цифрового синтеза (DDS). Основные преимущества метода прямого цифрового синтеза (DDS): а)очень высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде; б)экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных со временем установления [4]. В генераторе применен дешевый 10-разрядный ЦАП типа КР572ПА1, работающий в 8-разрядном режиме. Отношение частоты дискретизации к максимальной выходной частоте . В связи с процессами дискретизации и цифро-аналогового преобразования выходного сигнала в спектре выходного сигнала присутствуют побочные составляющие (наиболее значительны составляющие с частотами равными тактовой, её гармониками и суммой тактовой и выходной частот). Для устранения побочных компонентов на выходе DDS используется фильтр низкой частоты. В качестве активного ФНЧ применен фильтр Баттерворта 4-го порядка с частотой среза 2 КГц. С выходов фильтров аналоговые сигналы поступает на входы трех усилителей фазных напряжений. Усилитель мощности состоит из предварительного усилителя мощности, нагруженного на трансформатор Т1, и оконечного усилителя мощности с непосредственным питанием от сети. В качестве предварительного усилителя применен серийный УНЧ с выходной мощность 10Вт. Оконечный каскад выполнен по двухтактной бестрансформаторной схеме на высоковольтных биполярных транзисторах одной структуры. Трансформатор Т1 имеет несколько назначений. Первое из них это получить два противофазных и одинаковых по величине сигнала, необходимых для возбуждения выходного каскада. Трансформатор, так же, служит для гальванической изоляции предварительного усилителя от сети. Регулятор амплитуды в задающем генераторе позволяет приблизить размах напряжения сигнала к напряжению питания, кроме того, низкое напряжение насыщения U_ces=3V(Max.) выходных транзисторов 2SC5570 и высокое напряжение питания (±310В) выходного усилителя позволяют реализовать высокий КПД каскада «класса В». Мощные двухтактные выходные каскады каждой фазы с непосредственным питанием от сети обеспечивает наилучшее соотношение мощность – вес и снижают ресурсоемкость преобразователя.

а)

б)

Рисунок 4. - Принципиальная схема преобразователя напряжения:

а) - цифровая часть; б) - силовая часть

Разработанный инвертор напряжения для питания электрошпинделя позволяет питать устройства, основой которых является асинхронный двигатель, максимальной мощностью до 1,2 кВт. Преобразователь обеспечивает плавный запуск двигателя, что позволило снизить установленные мощности элементов силовой цепи и потребляемую при включении нагрузки мощность. В понятие минимизации ресурсоемкости мы вкладываем, кроме минимизации энергоемкости (расход топлива, электроэнергии), ещё и минимизацию потерь от износа конструктивных материалов (электродвигателей, редукторов и др.), обеспечивая с помощью ПЧ-АД минимальное исчерпание технических ресурсов электромеханических систем. По нашему мнению применение предложенного преобразователя частоты позволит значительно улучшить энергетические характеристики двигателя, исключит импульсные перенапряжения и повысит надежность двигателя и системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» в длительном режиме работы.

Перечень ссылок:

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники, учебное пособие, изд. 3-е. – Новосибирск: изд. НГТУ, 2004, 672 с.

2. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество, № 7, 2008

3. Звонарев Е. Транзисторные модули Trench IGBT компании International Rectifier для промышленных применений // Новости электроники № 13, 2009.

4. Трубаев П.В., руководитель доц. Константинов С.В. Высокочастотный преобразователь постоянного напряжения в трехфазное синусоидальное //Збірка праць молодих науковців кафедри “Автоматики та телекомунікацій” Донецького національного технічного університету. Донецьк: ДонНТУ, 2010. – 214 с.