Siuolaikines elektros pavaros
-
Upload
regimantas-murka -
Category
Documents
-
view
238 -
download
34
description
Transcript of Siuolaikines elektros pavaros
-
MOKOMOJI KNYGA
!"#$%&%$'(($)*$"$)#$)#) +, -+&
SAULIUS LISAUSKAS
-
Recenzavo: prof. dr. Vygaudas Kvedaras ir
prof.habil. dr. Steponas Geys
S. Lisauskas, 2012
KTU Mechanikos ir mechatronikos
fakultetas, 2012
UAB TEV, 2012
e-ISBN 978-609-433-097-1 (internete)
e-ISBN 978-609-433-102-2 (CD)
doi: 10.5755/e01.9786094330971
-
3
TURINYS
VADAS .................................................................................................................. 5
1. IUOLAIKINI ELEKTROS PAVAR RAIDA IR
PLTROS TENDENCIJOS ............................................................................... 6
2. ELEKTROS PAVAR GALIOS KEITIKLIAI ................................................ 9
2.1. Lygintuvai .................................................................................................. 9
2.1.1. Nevaldomieji lygintuvai ................................................................. 10
2.1.2. Pusiau valdomieji lygintuvai .......................................................... 15
2.1.3. Valdomieji lygintuvai .................................................................... 18
2.2. Nuolatins tampos keitikliai .................................................................... 19
2.3. Inverteriai ................................................................................................. 20
2.3.1. tampos inverteris ........................................................................... 20
2.3.2. Impuls ploio moduliacija ............................................................ 22
2.3.2.1. Sinusin impuls ploio moduliacija ................................ 22
2.3.2.2. Histerezin impuls ploio moduliacija ........................... 23
2.3.2.3. Erdvikojo vektoriaus impuls ploio moduliacija .......... 25
2.3.3. Srovs inverteris ............................................................................. 29
2.3.4. Tiesioginiai danio keitikliai .......................................................... 31
2.3.5. Inverteriai su autonomins komutacijos tiristoriais ....................... 31
2.4. Danio keitikliai ....................................................................................... 33
3. ELEKTROS VARIKLIAI ................................................................................ 37
3.1. Nuolatins srovs varikliai ....................................................................... 37
3.2. Asinchroniniai varikliai ............................................................................ 40
3.2.1. Fazini koordinai modelis .......................................................... 42
3.2.2. Erdvikojo vektoriaus metodas ...................................................... 45
3.2.3. Asinchroninio variklio koordinai sistemos ................................ 45
3.2.4. Koordinai transformacijos .......................................................... 46
4. NUOLATINS SROVS ELEKTROS PAVAROS ....................................... 51
5. KINTAMOSIOS SROVS DANINS ELEKTROS PAVAROS ................ 56
5.1. Skaliarinis asinchronini elektros pavar valdymo metodas ................... 56
5.1.1. Pastovaus maitinimo tampos ir danio santykio palaikymas ........ 57
5.1.2. Pastovaus statoriaus srovs ir slydimo danio
santykio palaikymas ....................................................................... 58
5.1.3. Nepriklausomasis sukimo momento ir rotoriaus
srauto valdymas .............................................................................. 59
5.1.4. Apkrov pobdis ............................................................................ 60
5.2. Vektorinis asinchronini elektros pavar valdymo metodas ................... 61
5.2.1. Tiesioginis rotoriaus srauto erdvikojo vektoriaus valdymas ........ 63
5.2.2. Srauto vektoriaus nustatymas ......................................................... 65
-
4
5.2.3. Netiesioginis rotoriaus srauto erdvikojo vektoriaus valdymas ..... 69
5.2.4. Tiesioginis statoriaus srauto erdvikojo vektoriaus valdymas ....... 72
5.3. Tiesioginis momento ir srauto valdymas.................................................. 74
6. PAVAR VALDYMAS NAUDOJANT NERAIKIJ LOGIK ............. 80
6.1. Neraikiosios aibs ir priklausomybs funkcijos ..................................... 81
6.2. Priklausomybs funkcij tipai .................................................................. 83
6.3. Neraikiosios logikos operacijos .............................................................. 84
6.4. Tipinis neraikiosios logikos valdiklis ..................................................... 85
6.5. Nuolatins srovs pavaros valdymas neraikiuoju reguliatoriumi ........... 87
6.6. Ventiliatoriaus pavaros valdymas neraikiuoju reguliatoriumi ................ 92
6.7. Tiesioginis momento ir srauto valdymas neraikiuoju reguliatoriumi ..... 96
LITERATRA ...................................................................................................... 99
-
5
VADAS
Elektros pavaros spariai tobulja diegiant iuolaikines naujoves galios
elektronikoje, konverteri schemose, tobulinant analizs ir modeliavimo bdus
bei valdymo metodus. Pavaroms ir galios elektronikai valdyti vis daniau pasitel-
kiamas dirbtinis intelektas (neraikioji logika, neuroniniai tinklai ir genetiniai
algoritmai). Galios elektronika ir reguliuojamosios pavaros yra pagrindins eko-
logikai vari atsinaujinani energijos sistem, pavyzdiui, vjo, sauls, sude-
damosios dalys. iuolaikins pavaros ir galios elektronika efektyviai naudodamos
energij padeda isaugoti nykstanias ikastinio kuro energijos atsargas ir suma-
inti aplinkos tar.
iuolaikins elektros pavaros sistem sudaro elektromechaninis energijos
keitiklis (variklis), galios keitiklis ir valdymo taisas. i sistema utikrina elektros
energijos keitim mechanin energij pagal pasirinkt technologinio objekto
algoritm. Elektros pavar pritaikymo galimybs pramons, transporto, buities
srityse nuolat pleiasi. Pavaros sunaudoja apie 60 % visos iuo metu pasaulyje
gaminamos energijos, o technologij, taupani elektros energij, efektyvum i
dalies nusako elektros pavar efektyvumas. Todl kompaktik ir ekonomik
pavar sistem krimas yra pagrindin iuolaikins technikos pltros kryptis.
iuolaikins elektros pavaros yra svarbus vair sistem elementas, todl
studentams svarbu suprasti j sandar, veikimo principus, valdymo metodus, i-
mokti sudaryti j matematinius ir kompiuterinius modelius, nustatyti ir tirti dina-
mines charakteristikas, gebti panaudoti intelektualiuosius neraikiosios logikos
pavar valdymo reguliatorius.
-
6
1.
IUOLAIKINI ELEKTROS PAVAR RAIDA IR
PLTROS TENDENCIJOS
Pritaikant elektros pavaras daugeliu atvej (siurbliai, ventiliatoriai, konve-
jeriai, kompresoriai ir t. t.) pakanka santykinai mao greiio reguliavimo diapazo-
no (iki 1:10, 1:20) ir labai nedidels greitaveikos, todl tikslinga naudoti klasiki-
ns struktros skaliarines valdymo sistemas. Norint naudoti didelio greiio
reguliavimo diapazono (iki 1:10000) stakli, robot, transporto greitaeiges pava-
ras, btina valdyti sudtingesnes vektorinio valdymo struktras. Tokios pavaros
sudaro tik 5 % vis pavar, taiau majant valdymo tais kainoms reguliuoja-
mosios pavaros taikomos vis daniau.
Laimjimai elektronikos srityje leido valdyti dvipoli tranzistori su izo-
liuotja utra, taip pat i j sudaryt galios moduli gamybos metodus. Tiesiogi-
nio skaitmeninio valdymo sistema utikrina galimyb valdyti kiekvien keitiklio
galios rakt, taip pat numato tiesiogin grtamj ryi (analogini, diskreij ir
impulsini) vedim valdikl. Todl atsiradus tiesioginio skaitmeninio valdymo
sistemai buvo galima atsisakyti papildom valdymo element ir sukurti bendr
vienos plokts valdymo sistem.
Sudtingos pavar valdymo sistem struktros reikalavo auktesni centri-
nio procesoriaus greitaveikos rodikli, todl buvo pereita prie specializuot pro-
cesori, pritaikyt skaitmeninio valdymo uduotims sprsti realiuoju laiku. Kelios
bendrovs (Intel, Texas Instruments, Analog Devices ir kt.) m gaminti naujus
varikli valdiklius. ie valdikliai veikia pagal skaitmenini signal procesoriaus
princip ir utikrina reikalaujamus centrinio procesoriaus greitaveikos rodiklius
(daugiau kaip 20 mln. operacij per sekund), be to, turi integruot specializuot
iorini rengini, skirt optimaliam valdiklio ryiui su inverteriu ir jutikliais u-
tikrinti, rinkin. Tarp valdiklio iorini rengini ypa svarbs universalieji peri-
odini signal generatoriai, utikrinantys iuolaikini inverteri valdymo ir erd-
vikojo vektoriaus impuls ploio moduliacijos (EVIMP) algoritm realizavim.
Paangios pavar valdymo sistemos projektuojamos siekiant visikai auto-
matizuoti technologinius objektus, todl daugumoje bendro pramons tinklo val-
dymo sistem veikia kelios pavaros. Daugelis iuolaikini pavar turi RS-485 ir
CAN ssajas, o CAN palaipsniui tampa transporto ir mechatronikos valdymo sis-
tem standartu.
-
7
Daugelyje pramons ir buities pavar (siurbli, skalbimo main, kondi-
cionieri ir t. t.) vietoj mechanini jutikli pradtos taikyti jutikli neturinios
valdymo sistemos, kai mechanins pavaros padiai (pavyzdiui, greiio, pagrei-
io) nustatyti naudojami specials taisai. Norint realizuoti tokias valdymo siste-
mas, centrinio procesoriaus naumas turi bti labai didelis, nes diferencialini
lygi sistema, nusakanti pavaros bsen, turi bti sprendiama realiuoju laiku.
Tam naudojamos vienkristals valdymo sistemos, sudarytos i diskreij signal
procesori (DSP).
Elektros pavaras galima skirstyti nereguliuojamsias (1.1 pav.) ir regu-
liuojamsias (1.2 pav.). Nereguliuojamj pavar sudaro kintamosios srovs asin-
chroninis variklis, mova, mechanin apkrova (darbo maina), elektromechanin
arba elektronin paleidimo, stabdymo ir apsaugos sistema (jos vieta paveiksluose
paymta punktyrais).
1.1 pav. Nereguliuojamoji elektros pavara
1.2 pav. Reguliuojamoji elektros pavara
Daugeliu atvej elektros pavar greiio reguliuoti nereikia utenka auto-
matizuoti j paleidim, stabdym ir apsaug. Taiau iuo metu greiio ar momen-
to reguliavimas reikalingas vis daniau, taigi reguliuojamojoje pavaroje atsiranda
dar vienas elementas elektroninis galios keitiklis (1.2 pav.).
Tradicikai dl galimybs tiksliai valdyti greit, tiesins mechanins charak-
teristikos reguliuojamosiose pavarose buvo naudojami nuolatins srovs elektros
varikliai, taiau nuo 1990 m. vis daniau imta naudoti asinchroninius kintamosios
srovs variklius (1.3 pav.) [1].
-
8
1.3 pav. Kintamosios srovs (KS) ir nuolatins srovs (NS) varikli naudojimas reguliuojamosiose
pavarose
iuolaikin valdymo pavar sudaro (1.4 pav.):
1. Nuolatins ar kintamosios srovs elektros maina.
2. Galios keitiklis lygintuvas, inverteris, konverteris.
3. Pavaros valdiklis, formuojantis galios keitiklio valdymo signal pagal
nurodyt valdymo signal ir kintam apkrov.
4. Elektrini ir mechanini parametr jutikliai arba stebikli apskaiiuo-
jantys reikiamus parametrus i kit jutikli duomen (pavyzdiui, ju-
tikli neturinios pavaros greitis apskaiiuojamas pagal statoriaus
tampas ir sroves).
5. Valdymo pultas ar kompiuteris, leidiantis keisti valdymo dsn ar val-
diklio parametrus.
6. Maitinimo altinis.
7. Darbo maina renginys, kuriam perduodama variklio kuriama me-
chanin energija.
Elektros
altinis
Galios
keitiklis
Elektros
variklis
Darbo
maina
Elektrini dydi
jutikliai arba
stebikliai
Pavaros
valdiklis
Sukimosi greiio,
padties, momento
jutikliai arba sekikliai
Elektrini
dydi jutikliai
Valdymo pultas
Nuostoliai dl
harmonik
Komutacijos
nuostoliai
Magnetiniai, elektriniai ir
mechaniniai nuostoliai
1.4 pav. iuolaikins valdomosios elektros pavaros sandara
-
9
2.
ELEKTROS PAVAR GALIOS KEITIKLIAI
2.1. Lygintuvai
Lygintuvai skirti kintamj srov keisti pulsuojania nuolatine srove. Pagal
gebjim keisti kintamosios srovs pusbangi energij lygintuvai skirstomi
vienpusius ir dvipusius; pagal keiiamos kintamosios srovs fazi skaii
vienfazius, trifazius, daugiafazius; pagal gebjim keisti ilygintosios tampos
vert nevaldomuosius, pusiau valdomus ir valdomuosius. Vis lygintuv vei-
kimo principas pagrstas j ventili vienpusiu laidumu.
Pagrindiniai lygintuv parametrai yra ie: vidutin ilygintoji tampa, pul-
sacij koeficientas, pulsacij danis, naudingumo ir galios koeficientai, vidin
vara, valdymo charakteristikos.
Vidutin ilygintoji tampa:
0 00
1
( )T
U u t dt
T
= ; (2.1)
ia T ilygintosios tampos periodas; 0( )u t momentin ilygintosios tampos
vert.
Pulsacij koeficientas:
1
0
p m
p
U
K
U
= ; (2.2)
ia 1p m
U tampos pulsacij pirmosios harmonikos amplitud; 0
U vidutin
ilygintoji tampa.
Pulsacij danis daniausiai nusakomas pasitelkiant pulsacij danio dau-
gikl:
p
in
f
m
f
= ; (2.3)
ia p
f pulsacij danis; in
f lygintuvo jimo kintamosios tampos danis.
Naudingumo koeficientas:
-
10
0 0 0P U I
P P
= = ; (2.4)
ia P
lygintuvo vartojama aktyvioji galia.
Galios koeficientas:
0
cos
P
S
= = ; (2.5)
ia S pilnutin lygintuvo galia; 1in in
I I = tinklo srovs ikraipymo koefi-
cientas (srovs pirmosios harmonikos ir efektins verts santykis), fazs
kampas tarp tampos ir srovs.
Vidin lygintuvo vara:
0
0
0
.
U
r
I
=
(2.6)
Iorin lygintuvo charakteristika 0 0
( )U f I= nusako ilygintosios tampos
priklausomyb nuo apkrovos srovs. Valdymo charakteristika 0
( )U f= yra
valdomj lygintuv tampos priklausomyb nuo valdomojo parametro . Kai
valdomas tik ventili atidarymo momentas, tai ventili atidarymo kampas
yraskirtumas tarp nevaldomojo ir valdomojo ventili atidarymo moment. Visi
ivardytieji lygintuvo parametrai priklauso nuo lygintuvo schemos, valdymo ds-
nio, naudojam ventili, kintamosios tampos ir apkrovos parametr. Lygintuvai
isamiai nagrinjami knygoje [2], todl iuo atveju apsiribojama tik daniausiai
pavarose taikomais lygintuvais.
2.1.1. Nevaldomieji lygintuvai
Vienfazio ir trifazio dvipusio nevaldomojo lygintuvo principins elektrins
schemos pavaizduotos 2.1 paveiksle. Paveiksle C yra kondensatorius, mainantis
pulsacijas, L altinio induktyvumas.
di
L
C
+
ki
di
C
+
ki
L
)a )b
2.1 pav. Nevaldomieji lygintuvai: a) vienfazis, b) trifazis
-
11
Toliau nagrinjama paprasiausia lygintuvo schema (2.2 pav.).
D1 LU
+
dU
U
)a
)b
U
i
t1
t2
t3
A A i=
Uc
t T+1
dU
2.2 pav. Lygintuvo principin schema (a), srovs ir tampos kreivs (b)
Diodas D1 atsidaro laiko momentu 1t , kai
cU U . Laiko momentu
2t al-
tinio tampa
U tampa lygi c
U ir maja, taiau dl induktyvumo srov toliau
teka per diod, kol plotai iA A= . tampos
LU integralas laiko intervale nuo
1t
iki 1t T+ turi bti lygus nuliui:
1
1
=0= .
t T
L i
t
U dt A A
+
(2.7)
Laiko momentu t3 srov yra lygi nuliui ir nekinta iki kito teigiamojo puspe-
riodio.
2.1 paveiksle a) parodyto dvipusio lygintuvo tampos ir srovs kreivs pa-
rodytos 2.3 paveiksle.
i
U =constd
t +T1
d
i
U
2.3 pav. Vienfazio dvipusio nevaldomojo lygintuvo srovs ir tamp kreivs
Kadangi srov i nelygi nuliui, tai tampa:
2 sin ;d
L s d
di
U L U t U
dt
= = (2.8)
-
12
( ) ( )1
1
2 sin ; .
t T
s d d i
t
L i U t U d t t
+
= < < (2.9)
Tuomet galima urayti:
2 sin .c
U U= (2.10)
Kai = ,i
t ( )=0d t ; taikant (2.9) formul galima nustatyti i priklau-
somyb nuo
.
Galima urayti:
( ) ( )1
.
i
s d s dL I L i t d t
=
(2.11)
Vienfazio lygintuvo srovs ir tampos kreivs, kai =constd
I ir 0,L pa-
vaizduotos 2.4 paveiksle. Idealiuoju atveju ( 0L = ) ir srov keisis nuo
dI iki
dI+ laiko momentais, kai 0t = ir t = . Komutacijos metu, kai 0
L , tam
tikr laik srov praleidia visi keturi diodai, todl 0.d
U = Tada altinio tampa
krinta esant L induktyvumui:
( )
2 sin .
di
U t L
d t
=
(2.12)
Integruojant komutacijos period nuo 0 iki u gaunama:
( )
0
2 sin 2 .
d
d
Iu
d
I
U t d t L di L I
= = (2.13)
I (2.13) lygties gaunama:
2
cos 1 .
2
d
L
u I
U
= (2.14)
Tada vidutin ilygintoji tampa d
U bus lygi:
0
2s
d d d
L
U U I
=
; (2.15)
ia ( )0
0
2 2 2
2 sin 0.9 .
2
d U U t d t U U
= = =
-
13
di
du
2.4 pav. Vienfazio lygintuvo srovs ir tampos kreivs, kai L 0
Pramonje daniausiai naudojami trifaziai lygintuvai. 2.5 paveiksle pavaiz-
duoto lygintuvo apkrovos var ir filtravimo kondensatori galima pakeisti ekvi-
valentiniu nuolatins srovs altiniu. Tada galima urayti:
0
3
;
d d d
L
U U I
=
(2.16)
2
cos 1
2
s
d
LL
L
u I
V
= ; (2.17)
ia 0
3 2
d lU U=
, l
U linijin tampa.
C
+
a
U
bU
c
U
L
L
L
dU
a
R
+
2.5 pav. Trifazis nevaldomasis lygintuvas
2.6 paveiksle pavaizduotos trifazio lygintuvo tamp ir srovi kreivs, kai
altinio induktyvumas 0L = . Kai 0
L , kaip ir vienfazio lygintuvo, ijimo
tampa sumaja dl komutavimo kampo u (2.7 pav.).
-
14
dU
anU
bnU
cn
Uan
Ubn
Ucn
U
bnU
cn
Uan
Ubn
Ucn
Uan
Ubn
U
a
i
bi
ci
U
t
t
t
t
t
2.6 pav. Trifazio nevaldomojo lygintuvo srovi ir tamp kreivs, kai L = 0
0 u
i
u u u u
aic
ib
ia
ib i
c
Uan
Ubn
Ucn
2.7 pav. Trifazio nevaldomojo lygintuvo srovi ir tamp kreivs, kai L 0
altinio induktyvumas L sumaina ijimo tampos amplitud,o fazin
srovi perjungimo metu dl komutacijos kampo u vienu metu yra atidaryti keturi
diodai.
-
15
2.1.2. Pusiau valdomieji lygintuvai
Trifazio pusiau valdomojo lygintuvo schema (2.8 pav.) gaunama schemoje
(2.5 pav.) nevaldomuosius ventilius pakeitus pusiau valdomaisiais.
AU
BU
CU
a
u
bu
c
u
0R
0L
+
0i
. .d teigu
. .d neigu
2.8 pav. Pusiau valdomasis trifazis dvipusis tiltelinis lygintuvas
Ilygintosios tampos momentin vert apskaiiuojama pagal toki iraik:
0
2
( ) 6 sin , kai .
3in
u t U t t
= + (2.18)
Kai ,
6
t
= ventili valdymo kampas 0, = taiau ventilio ilgiausias lai-
dumo periodas gali siekti 180o
. Vidutin ilygintosios tampos vert
0
3 6
cos .in
U
U =
(2.19)
Jei apkrovos laiko pastovioji yra daug didesn u altinio kintamosios
tampos pusperiodio trukm (0 0 0
/ / 6 1 / 6L R T f = >> = ), tai vidutin apkro-
vos srovs vert
0
0
3 6
cos .in
U
I
R
=
(2.20)
Lygintuvo tamp kreivs pavaizduotos 2.9 paveiksle.
-
16
cu
a
ubu
c
u
a
u
max
U
. .d teigu
. .d neigu
0U
0u
t
1VSu
0I
0,
abcu I
0 0, u U
1VSu
1VSu
2.9 pav. Pusiau valdomojo trifazio dvipusio tiltelinio lygintuvo tamp kreivs
2.1 lentelje pateiktos pagrindins pusiau valdomj lygintuv schemos,
maksimalioji toki lygintuv galia, pulsacij danis ir elektros pavaros darbo
kvadrantas.
2.1 lentel. Pusiau valdomj lygintuv schemos
Schemos Galia
Pulsacij
danis
Darbo
kvadrantas
0L
inE
Uiki 0,5 kW f
1
Uin
iin
inE
A
B
C
N
iki 50 kW 3f1
Uin
iin
inE
U
iki 75 kW 2f1
Uin
iin
-
17
2.1 lentels tsinys
Schemos Galia
Pulsacij
danis
Darbo
kvadrantas
inE
3U
iki 100 kW 3f1
Uin
iin
inE
U iki 75 kW 2f1
Uin
iin
inE
3U
iki 150 kW 6f1
Uin
iin
inE
U U iki 15 kW 2f1
Uin
iin
inE3U 3U iki 1500 kW 6f
1
Uin
iin
Pavaros darbo kvadrantai yra keturi:
1. Pirmame kvadrante atlekamas tiesioginis darbas, pavaros greitis ir
momentas yra teigiami;
2. Antrame kvadrante vyksta tiesiogin regeneracija, pavaros greitis tei-
giamas, o momentas neigiamas;
3. Treiame kvadrante atliekamas atvirkias darbas, pavaros greitis ir
momentas yra neigiami;
4. Ketvirtame kvadrante vyksta atvirktin regeneracija, pavaros greitis
neigiamas, o momentas teigiamas;
-
18
2.1.3. Valdomieji lygintuvai
iuose lygintuvuose naudojami valdomieji ventiliai. J laidum valdant
impuls ploio moduliavimu (IPM), galima visikai kontroliuoti altinio energijos
perdavimo apkrovai proces. Toki ventili komutacija gali vykti iki keli imt
kart per cikl. Valdomieji lygintuvai gali veikti kaip tampos (2.10 pav.) ar sro-
vs altinis (2.11 pav.).
a
U
bU
cU
L
L
L
0U
0i
0I
Apkrova
IPM (PWM)0nust
U
2.10 pav. Valdomasis lygintuvas, veikiantis kaip tampos altinis
a
U
bU
c
U
0L
0u
0U
0nustU
0I
2.11 pav. Valdomasis lygintuvas, veikiantis kaip srovs altinis
Valdomieji lygintuvai gali keisti tampos dyd, todl puikiai tinka valdyti
nuolatins srovs elektros pavaras ar kitus prietaisus kuriems reikalingas valdo-
mas nuolatins tampos ar srovs altinis. J valdymui naudojamas IPM metodas
plaau inagrintas skyriuje (2.3.2).
-
19
2.2. Nuolatins tampos keitikliai
ie keitikliai daniausiai vadinami pertraukikliais, jie keiia nuolatins
tampos vert. Jie naudojami nuolatins srovs pavaroms valdyti moduliuojant
impuls plot. 2.2 lentelje pateiktos pagrindins nuolatins tampos keitikli
schemos ir darbo kvadrantai.
2.2 lentel. Nuolatins tampos keitikliai
Schema Kvadrantas Veikimas
inE
inRin
L
1s
0i
+
inU
0U
+
Uin
iin
Uin
= U0, kai s
1 jungtas;
Uin
= 0, kai s1 ijungtas ir
veikia D1.
inE
inRin
L
+
inU
0U
+
2s
Uin
iin
Uin
= 0, kai s2 jungtas;
Uin
= U0, kai s
2 ijungtas ir
veikia D2.
inE
inRin
L
0U
1s
D1
D2
+
2s
Uin
iin
Ein
= U0, kai s
1 ar D2 jung-
tas, iin
> 0;
Ein
= U0, kai s
2 ar D1 jung-
tas, iin
< 0.
inE
D2
D1
inL
inR
1s
2s
+
0U
Uin
iin
Uin
= +U0, kai jungti s
1 ir s
2.
Uin
= U0, kai s
1 ir s
2. ijung-
ti, o veikia D1 ir D2.
inE
D3
D2
inL
inR
4s
1s
+
0U
D1
D42s
3s
Uin
iin
Uin
> 0, kai s4 jungtas, o s
3
ijungtas;
Uin
< 0, kai s2 jungtas, o s
1
ijungtas.
-
20
Yra sukurta daug pirmini elektros energijos altini sukuriani nuolatin
tamp fotoelektrini, termoelektrini, nuolatins srovs generatori, elektros
energijos akumuliatori. Pertraukikliai naudojami j sukuriamai tampai pritaiky-
ti, stabilizuoti, reguliuoti. Valdomose elektros pavarose jie naudojami kai pirminis
altinis yra nevaldomasis lygintuvas ar kuris nors i anksiau mint nuolatins
tampos altinis.
2.3. Inverteriai
Inverteriai nuolatin tamp arba srov keiia vienfaze ar trifaze kintamojo
danio tampa arba srove. Daniausiai naudojami tampos ir srovs inverteriai.
Naudojant tampos inverter, lygintuvas turi turti tampos altinio savybi,
o naudojant srovs inverter srovs altinio savybi. Valdomojo lygintuvo i-
jimo tampos amplitud reguliuojama keiiant nuolatins tampos dyd, o jos
danis veikiant autonominio tampos inverterio valdymo kanal.
Sukrus neigiamj ilygintosios srovs grtamj ry, valdomajam lygintu-
vui galima suteikti srovs altinio savybi ir, naudojant srovs inverter, gauti regu-
liuojamojo danio srovs altin. Kai naudojamas nevaldomasis lygintuvas, inverte-
ris dar atlieka ijimo tampos danio ir jos amplituds reguliatoriaus funkcijas.
2.3.1. tampos inverteris
tampos inverterio (I) principin schema pavaizduota 2.12 paveiksle. In-
verter sudaro pagal tiltelin schem sujungti ei valdomieji raktai VS1VS6,
kuri valdymo impulsus generuoja rakt valdymo grandin. Prie danio keitiklio
ijim jungiamas asinchroninis variklis M, s
R yra stabdymo reostatas, 1s
stabdymo metu jungiamas jungiklis (arba valdomasis raktas). Paprastai kiekvie-
nas toki inverteri raktas untuojamas prieinga kryptimi jungiamu diodu, kurio
paskirtis blokuoti virtampius, atsiradusius vykstant rakt komutacijai. Diodai
paprastai jau bna integruoti daugelyje raktams naudojam element, pavyzdiui,
MOP ar IGBT tranzistoriuose.
Yra sukurta vairi VS1VS6 rakt komutacijos algoritm, jie apraomi
daugelyje literatros altini. Visi jie skiriasi sudtingumu, ijimo tampos har-
monine sudtimi, variklio elektromagnetinio momento tolydumu ir kitomis cha-
rakteristikomis. Paprasiausias yra vadinamasis 180 algoritmas. VS1VS6 rakt
komutacijos pagal algoritm metu visas signalo periodas T suskaidomas eias
lygias dalis, kuriose rakt padtys bna tokios, kaip pavaizduota 2.13 paveiksle.
Inverterio ijimo tampos ir A fazs srov pavaizduotos 2.14 paveiksle.
Algoritmas, realizuojamas danio keitikliu, pasirenkamas atsivelgiant
daugel eksploatacini pavaros savybi, pavyzdiui, leidiam greiio pulsacij
dyd, algoritmo paprastum ir pan. Taikant 180 algoritm, visas maitinimo tam-
pos periodas suskaidomas eis intervalus ir kiekviename intervale palaikoma
pastovi fazin variklio tampa.
-
21
+
0U
s
R
1s
M
VS1 VS3 VS5
VS4 VS6 VS2
2.12 pav. Inverterio, maitinamo i tampos altinio, principin schema
VS1
VS3
VS5
VS4
VS6
VS2
561 612 123 234 345 456
360
o
0
o
180
o
2.13 pav. Ventili komutacijos ciklas
0
o
60
o
120
o
180
o
240
o
300
o
360
o
AU
BU
CU
0
0
0
01/ 3U
02 / 3U
01/ 3U
02 / 3U
01 / 3U
02 / 3U
t
t
t
t
Ai
2.14 pav. Inverterio ijimo tampos ir A fazs srov
-
22
is algoritmas naudojamas paparastose pavarose, jis lengvai realizuojamas
ir nereikalauja galingo valdymo procesoriaus. Taiau gauta ijimo srov yra pul-
sauojanti, dl to galimos momento pulsacijos ir nuostoliai dl auktesnij har-
monik.
2.3.2. Impuls ploio moduliacija
iuo metu reikiama ijimo tampa daniausiai nustatoma taikant impuls
ploio moduliacij (IPM), t. y. parenkant valdymo signalui proporcing impulso
jungimo trukm per komutacijos period 1/ .k k
T f= Komutacijos periodo metu
impulso trukm nustatoma vienkart, todl vis inverteri, veikiani moduliuo-
jant impuls plot, darbo reimas yra diskretusis. is bdas paplits labiausiai, nes
j paprasta realizuoti, be to, mai galios nuostoliai; be jo dar naudojamos impuls
amplituds (IAM) ir danio moduliacijos (IDM). Visus ivardytuosius bdus ga-
lima palyginti nagrinjant 2.15 paveiksl.
( )s t
A
A
A
t
t
t
t
)a
)b
)c
)d
2.15 pav. Impuls moduliacijos: a) nustatytasis signalas; b) IAM, c) IPM; d) IDM
Impulso ploiui generuoti daniausiai taikomi trys metodai:
1) sinusin impuls ploio moduliacija;
2) histerezin impuls ploio moduliacija;
3) erdvikojo vektoriaus impuls ploio moduliacija.
2.3.2.1. Sinusin impuls ploio moduliacija
Daugelis iuo metu gaminam danio keitikli, skirt trifazi varikli grei-
iui reguliuoti, realizuoja sinusin impuls ploio moduliacij (SIPM) tampos
-
23
inverteriui valdyti. Metodo esm tokia: vienu metu pagal nustatyt neamj dan
(220 kHz) visi ei inverterio raktai turi bti valdomi taip, kad vidutiniuose in-
verterio takuose bt gaunamos sinusins formos tampos bangos, pasislinkusios
viena nuo kitos 120 elektrini laipsni. Taiau kiekvienos fazs virutinio ir apa-
tinio inverterio rakt komutacija vyksta prieingai. iuo atveju maksimali ijimo
signalo amplitud lygi pusei nuolatins srovs grandins tampos.
Inverter sudaro trys pusiau tilteliai (kiekvienai fazei); ia virutinis VS1 ir
apatinis VS4 raktai valdomi vieno jungimu, o kito ijungimu (2.12 pav.). Inver-
terio rakt isijungimo trukm yra ilgesn negu sijungimo, todl tarp i vyksm
kartais terpiama vadinamoji mirties, arba nejautrumo, sritis, realizuojama papil-
domais renginiais. Kai trifaz varikl maitina sinusins IPM inverteris, inverterio
ijimo tampa nustatoma lyginant neamojo danio signal su bazinio danio
sinusins bangos signalu. i signal sankirtos takai nusako inverterio rakt
jungim (2.16 pav.).
Virutinis
raktas VS1
Apatinis
raktas VS4
t
t
t
2.16 pav. Sinusin impuls ploio moduliacija
is IPM bdas yra danai naudojamas, jis lengvai realizuojamas naudojant
analoginius ar skaitmeninius elementus. Daugumoje iuolaikini danio keitikli
is budas yra naudojamas inverteri valdymui.
2.3.2.2. Histerezin impuls ploio moduliacija
Histerezin impuls ploio moduliacija (HIPM) yra lengvai realizuojama,
turi geras dinamines savybes, taiau norint formuoti rakt perjungimo impulsus
reikia sukurti srovs (ar tampos) grtamj ry. Valdymo impulsai formuojami
naudojant histerezs element. Histerezine srovs impuls ploio moduliacija
(HSIPM) valdomas trifazis inverteris pavaizduotas 2.17 paveiksle, o ijimo sro-
-
24
vs kreiv 2.18 paveiksle. Taip pat realizuojama ir histerezin tampos impuls
ploio moduliacija (HIPM), tik valdymo ir grtamasis signalas yra tampa.
+
0U
VS1 VS3 VS5
VS4 VS6 VS2
M
ai
bi
c
i
*
ai
*
bi
*
c
i
+ + +
2.17 pav. Histerezine srovs impuls ploio moduliacija valdomas vienfazis inverteris
a
i*
a
i
a
i
t
2.18 pav. Inverterio ijimo srovs kreiv
HIPM lengvai realizuojama, nepriklauso nuo kintani variklio parametr,
komutacijos danis kinta priklausomai nuo darbo reimo, greita reakcij valdy-
mo signalo pokyius.
-
25
2.3.2.3. Erdvikojo vektoriaus impuls ploio moduliacija
Dl nuostoli, patirt sinusins IPM metu, sumaja inverterio ijimo
tampa. Siekiant utikrinti nominaliuosius variklio parametrus danio zonoje, ar-
timoje nominaliesiems daniams, naudojama trapecins, o ne sinusins formos
ijimo tampa.
Erdvikojo vektoriaus impuls ploio moduliacijos (EVIPM) (kitaip ba-
zini vektori IPM) metodo esm tokia: prieingai nei sinusins IPM atveju, kai
vis rakt komutacija vyksta vienu metu, realizuojama komutacija tarp keli i
anksto pasirinkt inverterio bsen, i kuri kiekviena atitinka tam tikr tampos
vektoriaus erdvin padt. 2.3 lentelje pateiktos inverterio rakt jungimo sche-
mos ir daniausiai naudojam bazini vektori, atitinkani ei takt komutaci-
j, vektorins diagramos.
2.3 lentel. EVIPM inverterio bsenos ir tamp vektorins diagramos
Ua U
b U
c
000V
a
bc
A B C
a
bc
0
0 0 0
100V
a
bc
A B C a
bc
dcU
2
3
dcU
3
dcU
3
dcU
110V
a
bc
A B Ca
bc
dcU
3
dcU
3
dcU
2
3
dcU
010V
a
bc
A B Ca
bc
dcU
3
dcU
2
3
dcU
3
dcU
011V
a
bc
A B Ca
c
dcU
2
3
dcU
3
dcU
3
dcU
001V
a
bc
A B Ca
bc
dcU
3
dcU
3
dcU
2
3
dcU
-
26
2.3 lentels tsinys
Ua U
b U
c
001V
a
bc
A B Ca
bc
dcU
3
dcU
2
3
dcU
3
dcU
111V
a
bc
A B Ca
bc
0
0 0 0
Naudojami atuoni baziniai vektoriai, i kuri du yra nuliniai, o kiti ei ak-
tyvs, pasislink erdvje 60o
elektrini laipsni kampu. Reikiamas ijimo tam-
pos vektorius gaunamas IPM metodu perjunginjant inverterio raktus tam tikrame
sektoriuje tarp dviej bazini vektori (pavyzdiui, 100V ir
110V ) ir nulini vekto-
ri 000V ir
111V .
Moduliacijos metu gauto tampos vektoriaus amplitud ir faz priklauso
nuo bazini vektori moduliacijos gylio. 2.19 paveiksle pavaizduotas eiakampio
formos tampos vektoriaus hodografas, gaunamas moduliacijos metu, kai nenau-
dojami nuliniai vektoriai.
Norint gauti variklyje sinusin bang, btina sukurti tok inverterio rakt
perjungimo dsn, kuris ne tik sudaryt eis bazinius vektorius, bet ir utikrint
tarp j nenutrkstamus perjimus. Tik taip galima gauti tolygiai besisukant tam-
pos vektori x
U . Kiekviename sektoriuje EVIPM metodu nustatomas gretim
vektori atstojamasis vektorius, o naudojant atitinkamus IPM signalus, tarp sekto-
ri sukuriamas tolygus perjimas. Norint gauti IPM signalus, kurianius besisu-
kant vektori, kiekviename sektoriuje reikia nustatyti IPM laiko intervalus.
2.19 pav. Erdvikojo vektoriaus diagrama
-
27
Toliau nagrinjamas pirmas sektorius (2.19 pav.), apribotas vektoriais 100V
ir 110V bei nuliniais vektoriais
000V ir
111V . io sektoriaus ribose vektori
xV
galima nustatyti taip:
sin sin ;
3 3
x a
V V
=
(2.21)
sin sin
3x bV V
= . (2.22)
I (2.21) ir (2.22) formuli gaunama:
2
sin ;
33
a x
V V
=
(2.23)
2
sin ;
3
b xV V= (2.24)
ia a
V , bV
x
V dedamosios pagal 100V ir
110V kryptis.
x
V galima ireikti taip:
0
0 0 0
100 110 000 111( ) ;
a bt t t
x a bT T T
V V V V V V V= + = + + (2.25)
arba
0 000 110 000 111 0
( ) ;x a b
V T V t V t V V t= + + (2.26)
ia:
0
100
;
a
a
V
t T
V
=
(2.27)
0
110
;
b
b
V
t T
V
=
(2.28)
0 0
(1 )a b
t t t T= . (2.29)
raius (2.23) ir (2.24) formules (2.27)(2.29) gaunama:
1
cos sin ;
3
a
t U
=
(2.30)
-
28
2
sin ;
3
b
U
t = (2.31)
ia U 100,110x
V V , t. y. tampos vektori pirmame sektoriuje santykis 0T laiko-
tarpiu. is santykis dar vadinamas moduliacijos indeksu, kurio modulis 0..1.m =
EVIPM atveju moduliacijos indeksas 0,866m = (2.20 pav.).
2.20 pav. EVIPM metodo moduliacijos indeksas
I (2.29)(2.31) formuli galima apskaiiuoti a
t , bt ,
0t ir nubraiyti im-
puls perjungimo diagram. Pirmo ir antro sektoriaus impuls diagrama pavaiz-
duota 2.21 paveiksle.
000V
100V
110V
111V
111V
110V
100V
000V
0T
0T
0/ 2t
a
tbt
0/ 2t
0/ 2t
0/ 2t
bt
a
t
0T
0T
0/ 2t
a
tbt
0/ 2t
0/ 2t
0/ 2t
bt
a
t
000V
010V
110V
111V
111V
110V
010V
000V
1VS
3VS
5VS
4VS
6VS
2VS
1VS
3VS
5VS
4VS
6VS
2VS
1 sektorius 2 sektorius
2.21 pav. EVIPM impuls diagramos pirmame ir antrame sektoriuje
Klasikinio SIPM atveju atstojamasis vektorius sukasi apskritime, kurio
spindulys 1 2dc
U , o EVIPM atveju apskritime, kurio spindulys 1 3dc
U
(2.22 pav.). Dl to gaunama 15 % didesn ijimo tampos amplitud. Yra ir kito-
ki metod baziniams vektoriams valdyti. Pavyzdiui, pasirinkus dvylikos takt
komutacij inverterio ijimo tampa padidinama 27 %.
-
29
b
c
a
d
q
1
2
dcU
SIPM
EVIPM
1
3
dcU
2
3
dcU
2.22 pav. SIPM ir EVIPM hodograf palyginimas
EVIPM metodas leidia gauti didesns amplituds tamp, taiau yra sun-
kiau realizuojamas, daniausiai jis naudojamas tiesioginio momento ir srauto val-
dymo sistemose.
2.3.3. Srovs inverteris
Srovs inverter (2.23 pav.) sudaro pusiau valdomasis lygintuvas, dl nei-
giamos srovs grtamojo ryio veikiantis srovs stabilizatoriaus reimu. Droselis
L atlieka srovs pulsacij filtro funkcijas. Nuolatin srov 0
I autonomins srovs
inverteris (SI) veria reguliuojamojo danio trifaz srovi, tekani asinchroni-
nio variklio statoriaus apvijomis, sistem. 2.24 paveiksle pavaizduotos SI tampos
ir srovs kreivs.
M
3
VS1 VS3 VS5
VS4 VS6 VS2
VD1 VD3 VD5
VD4 VD6 VD2
0I
2.23 pav. I srovs altinio maitinamo inverterio principin schema
-
30
Autonominis srovs inverteris yra paprastesnis u tampos inverter. Jam
nereikalingas atgalins srovs lygintuvas, o apkrovos grandins induktyvij sro-
vs dedamj komutacijos proceso metu kompensuoja komutatyvieji kondensato-
riai. Tarkime, kad tam tikru momentu jungiami tiristoriai VS1VS2 ir srov teka
asinchroninio variklio fazi A ir C apvijomis. jungus tiristori VS3, kondensato-
rius udaro tiristori VS1. Srov variklio apvijomis A ir C nenutrksta, o teka
tiristoriumi VS3 ir kondensatoriumi, kol pastarasis perkraunamas iki prieingo
enklo tampos, lygios linijinei tampai ac
U . Didjant kondensatoriaus tampai,
variklio A fazs srov ima silpnti, o altinio srov pradeda perimti B faz taip,
kad vis laik galioja 0a b
i i I+ = ; ia 0
I srov nuolatins srovs ynose. Kai
srov bi pasidaro lygi altinio srovei, srov A fazje nutrksta.
0
0
,st
U
I
2.24 pav. Inverterio tampos ir srovs kreivs
Labai svarbi nagrinjamosios schemos savyb yra ta, kad energij galima
rekuperuoti tinkl, nes elektros varikliui tapus energijos altiniu, srovs kryptis
nuolatins srovs grandinje nekinta, o srovs reguliavimo kontras valdomj
lygintuv automatikai nukreipia invertavimo reim. SI labai tinka pavaroms,
kuriose reikalingas momento reguliavimas, nes valdant srov tiesiogiai valdomas
ir elektromagnetinis momentas.
Vienas i svarbiausi io tipo keitikli trkum tas, kad juos naudojant su-
dtinga variklio apvijose formuoti sroves, savo forma artimas sinusinms. Varik-
lio srovi auktesniosios harmonikos yra didels, jos sukelia momento ir greiio
pulsacijas bei papildomus energijos nuostolius. Kadangi komutatyvij kondensa-
tori talpa priklauso nuo induktyviosios apkrovos srovs dedamosios, io tipo
keitiklius reikia kruopiai suderinti su apkrova ir nenaudoti grupinse pavarose,
kai jungiant ar ijungiant atskirus variklius kinta apkrovos induktyvioji vara.
Nagrinjamojo tipo keitikliai daniausiai naudojami daninms pavaroms su vie-
nu varikliu sudaryti.
-
31
2.3.4. Tiesioginiai danio keitikliai
Tiesioginiai danio keitikliai naudojami galingose sinchroninse ar asin-
chroninse elektros pavarose. Tipin io keitiklio schema pavaizduota 2.25 pa-
veiksle, o tampos ir srovs kreivs 2.26 paveiksle.
Tokiame keitiklyje kiekvienai fazei taikomi du i ei rakt sudaryti keitik-
liai, leidiantys tiekti energij elektros varikliui arba rekuperuoti j atgal tinkl.
iuo metu vis daniau naudojami matriciniai tiesioginiai danio keitikliai [1].
M
2.25 pav. Tiesioginis danio keitiklis
variklio tampa
variklio srov
2.26 pav. Variklio tampa ir srov
2.3.5. Inverteriai su autonomins komutacijos tiristoriais
Plataus reguliavimo diapazono daninms elektros pavaroms realizuoti
naudojami inverteriai su autonomins komutacijos tiristoriais. Autonomin tiristo-
ri komutacija leidia sklandiai reguliuoti ne tik inverterio dan, bet ir ijimo
-
32
tampos amplitud, variklio fazinse apvijose formuojant sroves, kuri forma ar-
tima sinusinei. Danio keitiklio su autonomins komutacijos tiristoriais galios
grandins schema pavaizduota 2.27 paveiksle.
2.27 pav. Danio keitiklis su autonomins komutacijos tiristoriais
Keitikl sudaro nevaldomasis lygintuvas VD13VD18, filtras C7L7 ir au-
tonominis tampos inverteris UZ. Inverterio galios tiristoriai VS1VS6 sujungti
pagal trifazio tiltelio schem ir turi autonominius komutacijos blokus A1A6.
Komutacijos blok, pavyzdiui, A1, sudaro komutatyvusis kondensatorius C1,
pagalbinis tiristorius VS7, kondensatoriaus sikrovimo grandinl VD13L1. Tai
tipin dvipakop lygiagreiosios tiristori komutacijos sistema, ijungianti tiristo-
ri VS1, kai valdymo impulsas perduodamas komutacijos tiristoriui VS7. Kad
pauzs metu komutatyvusis kondensatorius neisikraut per apkrov, naudojami
atskyrimo diodai VD1VD6. VD7VD12 sudaro atgalins srovs tiltel, kuriuo
komutacijos metu cirkuliuoja reaktyvioji asinchroninio variklio srov, kraudama
-
33
kondensatori C7. I schemos matyti, kad kiekvien asinchroninio variklio faz
maitina nuolatins tampos altinis per reversin tampos reguliatori, kur sudaro
du nereversiniai impulsiniai keitikliai, susidedantys i inverterio galios tiristori
bei j komutacijos blok. Vienas i i keitikli valdomas teigiamu, o kitas nei-
giamu nustatymo signalu. Abu keitikliai turi identikas tiesines valdymo charakte-
ristikas ir suderinti taip, kad esant nustatytam signalui, pavyzdiui, A fazs tam-
pos reguliatoriui UnA = 0, abu vis laik yra ijungti, esant UnA > 0, veikia
anodins grups keitiklis, o esant UnA < 0, veikia katodins grups keitiklis.
Sklandiai keiiant valdymo tamp (Unmax UnA Unmax), atitinkamos variklio
fazs kinta Ufmax UfA Ufmax intervale. Jei valdymo tampa keiiama pagal
harmonin dsn UnA = Unm cos0t, variklio fazs tampa irgi kinta pagal harmoni-
n dsn UfA = Ufm cos0t. io tipo autonominio inverterio valdymo blokas A i
dviej valdymo signal Un ir Un turi suformuoti trifaz atitinkamo danio ir am-
plituds sinusini tamp, atliekani impulsini keitikli moduliuojani signal
funkcijas, sistem. Dl to io tipo danio keitiklius patogu naudoti vektorinio val-
dymo daninse elektros pavarose. iuo atveju valdymo sistemos ijime ir su-
formuojama harmonini valdymo signal UnA, UnB, UnC trifaz.
Danio keitikliai su autonomins komutacijos tiristoriais ir impulsiniu
tampos reguliavimu turi ir kit privalum: naudojant nevaldomj lygintuv, pa-
gerja pavaros galios koeficientas ir sumaja alingas keitiklio poveikis maitini-
mo tinklui; tiristori komutacijai vykstant dideliu daniu, gerokai didesniu u
variklio maitinimo tampos dan, sumaja auktesnij harmonik poveikis
pavaros charakteristikoms, taip pat sumaja ir j sukeliami nuostoliai.
2.4. Danio keitikliai
Kintamosios srovs varikli savyb elektrin energij keisti mechanine pa-
grsta elektromagnetine indukcija. Statoriaus apvij tampa lemia srovs ir mag-
netinio srauto atsiradim. io srauto krypt galima nustatyti pagal deins rankos
taisykl. Keiiant statoriaus apvij tampos krypt, galima keisti variklio srauto
krypt. Trifaz maitinimo tampa sukuria sukamj magnetin sraut. Variklio ro-
torius seka sraut, susidarant nedideliam slydimui. Tai yra pagrindinis princi-
pas, pagal kur valdomi kintamosios srovs varikliai. valdym galima realizuoti
naudojant danio keitikl. Danio keitiklis keiia kintamosios srovs ir tampos
dan. Paprastai danio keitikl sudaro trys dalys. iuolaikinio danio keitiklio
struktra pavaizduota 2.28 paveiksle. Danio keitikl sudaro lygintuvas, nuolati-
ns srovs (NS) grandins filtras ir inverteris.
Struktrin danio keitiklio schem, pavaizduot 2.29 paveiksle, sudaro:
trifazis puslaidininkinis lygintuvas, kuris ilygina tinklo tamp; filtras, skirtas
ilygintosios tampos pulsacijoms filtruoti; trifazis tampos inverteris, skirtas nuo-
latinei tampai keisti kintamj; srovs jutikliai, kuriais, matuojant kiekvienos
fazs variklio srov, nustatoma ne tik variklio apkrova, bet ir variklio srauto vek-
-
34
toriaus padtis sudtingesnio valdymo danio keitikliuose. Be jutikli, einani
apsaugos grandin, danio keitiklis turi jimo (maitinimo) tampos jutiklius ir
temperatros jutikl, kuris signalizuoja, jei per aukta inverterio rakt temperat-
ra. Danio keitiklio valdymo sistem sudaro ne tik jutikliai, i kuri nuskaityta
informacija perduodama jutikli modul, bet ir valdymo moduliai. Impulso plo-
io moduliatorius (IPM) formuoja valdymo signalus, kuriais valdomi inverterio
raktai. Vidutini tamp srityse (500600 V ir didesni) daniau taikomi dvipoliai
tranzistoriai su izoliuotja utra IGBT (angl. Insulated Gate Bipolar Transis-
tors). i puslaidininkini element atsiradimas lm ymius galios pokyius
elektronikoje. iuo metu IGBT realizuoja srovs komutacij iki 1800A esant
4,5 kV tampai. i tranzistori persijungimas trunka apie 200400 ns.
2.28 pav. Danio keitiklio sandara: 1 lygintuvas, 2 nuolatins srovs (NS) grandins filtras, 3
inverteris
2.29 pav. Struktrin danio keitiklio schema
-
35
Visus signalus apdoroja, taip pat generuoja valdymo signalus valdymo pro-
cesoriaus modulis. Danio keitiklis valdomas valdymo pulto klaviatra, o naudo-
tojo ir kiti duomenys rodomi to paties pulto skystj kristal monitoriuje. Duo-
menims ivesti ir priimti numatytas nuoseklusis perdavimo kanalas su RS 485
ssaja (gali bti universali nuoseklioji USB jungtis, tinklo RJ 45 jungtis). Tokia
keitiklio struktra daniausiai naudojama iuolaikiniuose danio keitikliuose, tik
realizuojant skirtingus valdymo bdus.
Trifaz impulsin tampa yra priemon, kuria danio keitiklis valdo asin-
chronin varikl. Yra du asinchroninio variklio valdymo metodai skaliarinis ir
vektorinis. Daugeliu danio keitikli taikymo atvej variklio mechanins apkro-
vos priklausomyb nuo sukimosi greiio yra i anksto inoma, o reikalavimai
dinaminms asinchronini pavar savybms nra svarbs. Tokiais atvejais varik-
liui valdyti pakanka skaliarinio valdymo danio keitiklio. Daniausiai jie naudo-
jami siurbli, ventiliatori ir dalies konvejeri valdymo srityse.
I tinklo trifaz srov tiekiama lygintuvui, kuris paveria srov nuolatine.
Nuolatin tampa perduodama nuolatins srovs (NS) grandin, kuri filtruoja
pulsuojani tamp. Keitiklis tam tikra tvarka sujungia kiekvien variklio apvijos
faz su neigiamu arba su teigiamu NS grandins dydiu. Srautas, pavaizduotas
2.30 paveiksle, gaunamas udarant V1, V4 ir V5 raktus.
2.30 pav. Magnetinio srauto modeliavimas danio keitikliu
Keitiklis (inverteris) turi atuonias skirtingas perjungimo padtis. Dviej
padi tampa yra nulin, t. y. visos fazs sujungtos su ta paia neigiama arba
teigiama NS grandins linija. Esant likusioms eioms perjungimo padtims,
variklio statoriaus apvijose susidaro tampa, kurianti magnetin sraut. 2.31 pa-
veiksle pavaizduotos eios perjungimo padtys ir srauto kryptys, kurios kiekvie-
nu atveju susidaro variklio apvijose.
-
36
2.31 pav. Srauto kryptys, susidaranios esant eioms skirtingoms perjungimo padtims
I 2.31 paveikslo matyti, kad naudojant toki komutacij gaunamas besisu-
kantis magnetinis laukas.
-
37
3.
ELEKTROS VARIKLIAI
Viena pagrindini elektros pavar sudtini dali yra elektros variklis, at-
liekantis sukamj ar tiesin judes. Seniau dl tiesini charakteristik ir paprasto
valdymo reguliuojamosiose pavarose buvo naudojami nuolatins srovs varikliai,
iuo metu juos visikai pakeit danins asinchronins pavaros. Elektros varikli
klasifikacija pateikta 3.1 paveiksle.
Elektros
varikliai
Kintamosios
srovs
Nuolatins
srovs
Specialios
konstrukcijos
SinchroniniaiAsinchroniniai
Fazinis
rotorius
Trumpojo
jungimo
rotorius
Vienfaziai
Trifaziai
(Daugiafaziai)
Skeltapoliai
Kondensa-
toriniai
Vienfaziai
Daugiafaziai
Su
nuolatiniais
magnetais
Histereziniai
Reaktyvieji
Lygiagretusis
adinimas
Nuoseklusis
adinimas
Su nuolatiniais
magnetais
Beepeiai
NS varikliai
ingsniniai
varikliai
Tiesiaeigiai
varikliai
Su
nuolatiniais
magnetais
Reaktyvieji
Maitinami i
inverterio
Elektroniniai
komutatyvieji
Nepriklauso-
masIs adinimas
3.1 pav. Varikli klasifikacija
3.1. Nuolatins srovs varikliai
Nuolatins srovs (NS) varikliai vis reiau naudojami pramonje, taiau be j
neapsieinama vairi autonomini transporto priemoni (automobili, lktuv), ne-
iojamosios elektronikos rengini gamyboje, taip pat robot technikos srityje ir t. t.
Kaip ir visos rotacins mainos, NS varikliai susideda i dviej pagrindini
dali statoriaus ir rotoriaus. prastins konstrukcijos NS variklis pavaizduotas
3.2 paveiksle, NS variklio su diskiniu rotoriumi konstrukcija 3.3 paveiksle, NS
varikli klasifikacija pagal adinimo tip 3.1 paveiksle. Nepriklausomojo adi-
nimo atveju adinimo apvija maitinama i atskiro nuolatins srovs altinio. adi-
nimo apvijas galima pakeisti nuolatiniais magnetais.
-
38
adinimo apvija
Jungas
epetys
Oro tarpas
Polius
Inkaro apvija
Rotorius
(inkaras)
Inkaro apvija
Statorius
3.2 pav. NS variklio konstrukcija
NM
NM
NM
NM
N
N
S
S
+
Nuolatiniai magnetai
epeiai Kolektorius
Statorius
Diskinis rotorius
3.3 pav. NS variklio konstrukcija su diskiniu rotoriumi
NS variklio matematinis modelis sudaromas pagal inkaro ir adinimo sis-
tem atstojamsias schemas (3.4 pav.).
a
Ea
U
a
ia
RaL
U
i
R
L
)a )b
3.4 pav. NS variklio atstojamosios schemos: a) inkaro; b) adinimo grandins
-
39
Galima urayti toki adinimo grandins lygt:
;
di
U L R i
dt
= + (3.1)
ia
U adinimo apvijos tampa; L adinimo apvijos induktyvumas;
R
adinimo apvijos aktyvioji vara;
i adinimo apvijos srov.
Magnetoelektrinio adinimo varikl adina nuolatins srovs magnetai, ku-
riantys pastov adinimo sraut, todl jo matematinis modelis apraomas tokio-
mis lygtimis:
( )
( ) ( );a
a a a a a
di t
U R i t L E t
dt
= + + (3.2)
( ) ( );a
E t C t= (3.3)
0
;
U
c
=
(3.4)
( );em a
M C i t= (3.5)
;em a m
d
J M M B
dt
= (3.6)
ia a
U inkaro tampa; a
i inkaro srov; a
R aktyvioji inkaro vara; a
L
inkaro apvijos induktyvumas; a
E inkaro elektrovara, C konstantos, pri-
klausanios nuo mainos konstrukcini parametr; J inkaro inercijos momen-
tas; em
M elektromagnetinis momentas; a
M apkrovos momentas; m
B
klampiosios trinties koeficientas.
Gautosios lygtys (3.2)(3.6) uraomos operacinio skaiiavimo forma:
( ) ( ) ( ) ( );a a a a a a
U s E s R I s L sI s= + + (3.7)
( ) ( );a
E s C s= (3.8)
0
( )
( )a
U s
s
C
=
; (3.9)
( ) ( );em a
M s C I s= (3.10)
( ) ( ) ( ) ( )em a m
M s M s Js s B s = + . (3.11)
Lygtis (3.7) perraoma taip:
-
40
( ) ( ) (1 ) ( );a
a a a a
a
L
U s E s R s I s
R
= + . (3.12)
Lygties (3.12) skaitiklis ir vardiklis dalijamas i C ir paymima
a
e
a
L
T
R
= :
( ) ( )
(1 ) ( )a a a
e a
U s E s R
T s I s
C C C
= +
. (3.13)
Pritaikius (3.8) ir (3.9) lygtis, gaunama:
0( ) ( ) (1 ) ( )
a
e a
R
s s T s I s
C
= +
. (3.14)
Inkaro srov nustatoma i (3.10) lygties ( )
( )em
a
M s
I s
C
=
ir raoma (3.14)
lygt:
0
2 2
( ) ( ) (1 ) ( );in
e em
R
s s T s M s
c
= +
(3.15)
Pagal gautas iraikas sudaryta struktrin NS variklio atstojamoji schema
pavaizduota 3.5 paveiksle.
1
C
2 2
( 1)a e
C
R T s
+
1
m
Js B+
a
U0
em
M
a
M
M
3.5 pav. NS variklio struktrin schema
Gauta (3.5 pav.) struktrin schema gali bti naudojama NS variklio dina-
mini charakteristik tyrimui ir modeliavimui ar struktrinse sudting sistem
su NS varikliais schemose.
3.2. Asinchroniniai varikliai
Paprastos konstrukcijos ir gana patikimi asinchroniniai varikliai yra plaiai
paplit; trifaziai daniausiai naudojami pramonje, o vienfaziai ir pramonje, ir
buityje. Dalis i varikli, kai nereikia reguliuoti greiio, yra jungiami tiesiogiai
-
41
tinkl, kiti naudojami daninse elektros pavarose. Atpigus galios ir valdymo
elektronikai, tokias pavaras pradta naudoti daniau nei NS elektros pavaras ir
beveik visur, kur reikalingas greiio ar momento reguliavimas.
Kaip ir NS variklis, asinchroninis variklis susideda i dviej pagrindini
dali statoriaus ir rotoriaus (3.6 pav.). 3.7 paveiksle pavaizduotas trifazio asin-
chroninio variklio modelis, magnetins indukcijos vektoriai, statoriaus suadinto
magnetinio lauko indukcijos linijos.
Guoliai
Korpusas
Vdinimo grotels
Trumpai jungtas
rotorius
Vdinimas oru
Ventiliatorius
Statorius ir statoriaus
apvijos
Prijungimo
dut
Velenas
3.6 pav. Asinchroninio variklio konstrukcija
3.7 pav. Trifazio asinchroninio variklio modelis
-
42
3.2.1. Fazini koordinai modelis
Daniausiai varikliai parenkami i katalog, todl j konstrukcija ir tam tik-
ri parametrai jau yra inomi. Svarbiu udaviniu tampa variklio savybi ir charak-
teristik, turini poveikio visos dinamins sistemos savybms, tyrimas siekiant
isiaikinti elektromechanins energijos keitimo dsnius, utikrinanius optimali,
pagal tam tikrus nustatytus parametrus pavaros veik.
Tiriant asinchroniniame variklyje vykstanius elektromagnetinius pereina-
muosius procesus, daromos tam tikros prielaidos. Pavyzdiui, jei elektros variklis
laikomas elektromechanins (mechatronins) sistemos elementu, variklio roto-
riaus inercija ir veleno nuostoli trintis priskiriama mechaninei sistemos daliai, o
variklio sukuriamas elektromagnetinis momentas ir jo kampinis greitis laikomi
mechaniniais kintamaisiais. Jei elektros maina yra simetrin, vis statoriaus fazi-
ni apvij savieji induktyvumai LA
, LB
, LC yra lygs; vis statoriaus apvij abipu-
siai induktyvumai MS yra lygs; abipusiai induktyvumai M
SR tarp statoriaus ir
rotoriaus apvij yra lygs; rotoriaus apvij abipusiai induktyvumai irgi yra lygs;
statoriaus ir rotoriaus savieji induktyvumai nepriklauso nuo rotoriaus poskio
kampo, lygiai kaip ir statoriaus apvij abipusiai induktyvumai bei rotoriaus apvij
abipusiai induktyvumai.
Taiau abipusiai induktyvumai tarp statoriaus ir rotoriaus apvij priklauso
nuo rotoriaus poskio kampo. 3.8 paveiksle pavaizduotos asinchroninio variklio
apvijos ir fazini apvij elektromagnetiniai ryiai.
S
M
SR
M
R
M
S
M
SR
M
R
M
3.8 pav. Trifazio asinchroninio variklio apvij schema
Nagrinjant trifaz asinchronin varikl, uraoma tokia statoriaus apvij
tamp balanso lygi sistema:
-
43
,
,
.
A
A A A
B
B B B
C
C C C
d
u R i
dt
d
u R i
dt
d
u R i
dt
= +
= +
= +
(3.16)
Analogikai uraoma ir rotoriaus apvij tamp balanso lygi sistema:
,
,
.
a
a a a
b
b b b
c
c c c
d
u R i
dt
d
u R i
dt
d
u R i
dt
= +
= +
= +
(3.17)
(3.16) ir (3.17) lygi sistemose uA, u
B, u
C yra statoriaus maitinimo tamp
fazs; ua, u
b, u
c rotoriaus tampos; i
A, i
B, i
C statoriaus srovi momentins ver-
ts; ia, i
b, i
c rotoriaus srovi momentins verts; R
A, R
B, R
C statoriaus apvij
aktyviosios varos; Ra, R
b, R
c rotoriaus apvij aktyviosios varos;
A,
B,
C
statoriaus sraut momentins verts; b,
b
c rotoriaus sraut momentins ver-
ts.
Asinchroninio variklio statoriaus visuminiai srautai apraomi tokia lygi
sistema:
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
,
,
.
cos
cos 120 cos 120
cos
cos 120 cos 120
cos
cos 120 cos 120
A A A S B C SR a
SR b c
B B B S A C SR b
SR a c
C C C S A B SR c
SR b a
L i M i i M i
M i i
L i M i i M i
M i i
L i M i i M i
M i i
= + + + +
+ + +
= + + + +
+ + +
= + + + +
+ + +
(3.18)
Analogika lygi sistema apraomi ir rotoriaus visuminiai srautai:
-
44
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
( ) ( )
,
,
,
cos
cos 120 cos 120
cos
cos 120 cos 120
cos
cos 120 cos 120
a a a R b c SR A
SR B C
b b b R a a SR B
SR A C
c c c R a b SR C
SR B A
L i M i i M i
M i i
L i M i i M i
M i i
L i M i i M i
M i i
= + + + +
+ +
= + + + +
+ +
= + + + +
+ +
(3.19)
ia MSR
statoriaus ir rotoriaus fazini apvij abipusis induktyvumas, kai apvij
ays sutampa; MS
(MR)
skirting statoriaus (rotoriaus) apvij fazini apvij abi-
pusis induktyvumas; , , A B C
L L L statoriaus apvij savasis induktyvumas,
, ,
a b cL L L rotoriaus apvij savasis induktyvumas; rotoriaus poskio kam-
pas tarp rotoriaus ir statoriaus rii ai elektriniais laipsniais.
Asinchroninio variklio kuriam elektromagnetin moment galima apskai-
iuoti taip:
( )
( ) ( )
( ) ( )
sin
sin 120
sin 120 .
SR A a B b C c
SR A b B c C a
SR A c B a C b
em
M pM i i i i i i
pM i i i i i i
pM i i i i i i
= + +
+ + +
+ +
(3.20)
Mechaninis rotoriaus judesys apraomas pagrindine judesio lygtimi:
,em s
d
M M J
dt
= ; (3.21)
ia em
M sukuriamas elektromagnetinis momentas ir s
M statinis apkrovos
momentas, rotoriaus greitis. Rotoriaus poskio kampas apskaiiuojamas
taikant toki lygt:
.d
dt
= (3.22)
Gautosios lygtys turi harmoninio kitimo koeficientus, o (3.20) lygtis yra ne-
tiesin, todl varikl apraanti diferencialini lygi sistema neturi analitinio
sprendimo, taigi tenka taikyti skaitmeninius diferencialini lygi sprendimo me-
todus.
Asinchroninio variklio lygi fazinje koordinai sistemoje sprendimas
plaiau nagrinjamas kituose altiniuose [1,9,10]. Naudojant ias lygtis sudaromas
dinaminis asinchroninio variklio modelis.
-
45
3.2.2. Erdvikojo vektoriaus metodas
Tirti asinchroninio variklio dinamik gana sudtinga, nes veikianio varik-
lio apvijos juda viena kitos atvilgiu, ir lygtyse vyksta harmoninis parametr ki-
timas.
Bet kurios simetrins daugiafazs mainos (kurios statorius turi m fazi, o
rotorius n fazi) dinamika gali bti aprayta ekvivalentins dvifazs mainos
lygi sistema, bet tam daugiafazs mainos kintamuosius reikia transformuoti
dvifazs mainos kintamuosius. Trifazis asinchroninis variklis transformuojamas
ekvivalentin dvifaz varikl taip sumainamas lygi kintamj ir mainos pa-
rametr skaiius ir ivengiama harmoninio parametr kitimo.
Trifazio variklio tampas, sroves ir srautus galima nagrinti naudojant erd-
vikj vektori kompleks. Statoriaus srovs vektori galima urayti taip:
2
;s A B Ci i i i= + + (3.23)
ia
2
3
j
e
= ir
2
23
j
e
= galima interpretuoti kaip pavienius vektorius, i kuri
vienas sutampa su statoriaus B, kitas su C aimis, o atskaitos aimi laikoma A
ais. Statoriaus srovs erdvikj vektori kompleksas pavaizduotas 3.9 paveiksle.
A
B
C
Ai
2
Ci
Bi
s
i
3.9 pav. Statoriaus srovs erdvikieji vektoriai
3.2.3. Asinchroninio variklio koordinai sistemos
1920 metais R. H. Parkas isprend asinchroninio variklio lygi sistem su
kintamaisiais, priklausaniais nuo poskio kampo, naudodamas naujus kintamuo-
sius. Statoriaus kintamuosius (sroves, srautus, tampas) mokslininkas pakeit fik-
tyviais kintamaisiais, sinchronikai besisukaniais su rotoriumi. I esms jis trans-
formavo (redukavo) statoriaus kintamuosius sinchroniniu greiiu judani
koordinai sistem, susiet su rotoriumi. R. H. Parkas nustat, kad laike kintan-
ius induktyvumus, atsiradusius dl apvij judjimo viena kitos atvilgiu, taip pat
elektrines grandines su kintamomis induktyviosiomis varomis galima eliminuoti.
-
46
1930 metais H. C. Stanley rod, kad laike kintanius induktyvumus, atsi-
radusius dl apvij judjimo, galima eliminuoti transformuojant rotoriaus kinta-
muosius kintamuosius, susietus su fiktyviomis statoriaus apvijomis. H. C. Stan-
ley stacionarioji koordinai sistema tvirtai susieta su statoriumi. Kai kada ji
vadinama , koordinai sistema.
Vliau H. Kronas pasil statoriaus ir rotoriaus kintamuosius transformuoti
koordinai sistem, judani sukamojo magnetinio lauko greiiu (kartais jos
ays vadinamos x, y aimis). O po kiek laiko D. S. Beretonas pasil dar vien
transformacij statoriaus kintamuosius transformuoti besisukani koordinai
sistem, tvirtai susiet su rotoriumi, t. y. sistem, kuri sukasi rotoriaus greiiu.
Visas ias koordinai sistemas galima pritaikyti kuriant valdomj elek-
tros pavar modelius.
Koordinai transformavimo tikslas suprastinti nagrinjamj dinamini
proces matematin model. Taikant tok model panaikinama apvij induktyvum
ir abipusi induktyvum priklausomyb nuo sukiojo variklio rotoriaus poskio
kampo arba tiesiaeigio variklio antrinio elemento poslinkio, be to, atsiranda gali-
myb operuoti ne kintamaisiais, kintaniais sinusu, bet j amplitudmis. Koordi-
nai transformacija gerokai palengvina dinamini proces nagrinjim.
3.2.4. Koordinai transformacijos
Bet kurios simetrins daugiafazs mainos dinamika gali bti aprayta ek-
vivalentins dvifazs mainos lygi sistema, bet tam daugiafazs mainos kinta-
muosius reikia transformuoti dvifazs mainos kintamuosius. Trifazis asinchro-
ninis variklis transformuojamas ekvivalentin dvifaz varikl.
3.10 pav. Trifazio variklio transformacija dvifaz main
3.10 paveiksle pavaizduotos simetrins trifazs asinchronins mainos apvi-
jos (a) ir dvifazs mainos apvijos (b). Indeksu s ymimi statoriaus apvij kinta-
mieji, indeksu r rotoriaus apvij kintamieji. Statoriaus kintamojo laipsn yminti
-
47
raid s reikia, kad koordinai sistema yra dvifaz, stacionarioji, tvirtai susieta su
statoriumi, raid e kad koordinai sistema juda sinchroniniu greiiu, raid r
kad koordinai sistema susieta su rotoriumi (sukasi rotoriaus greiiu r
).
Fazins koordinai sistemos statoriaus tampas asbscs galima transfor-
muoti (perskaiiuoti) s
dsv ir
s
qsv dedamsias. i transformacija ireikiama mat-
ricos forma:
0 0
0 0
0
cos sin 1
cos( 120 ) sin( 120 ) 1 .
cos( 120 ) sin( 120 ) 1
s
qsas
s
bs ds
s
css
v
v
v v
vv
=
+ +
(3.24)
Atvirktin priklausomyb yra tokia:
0 0
0 0
0
cos cos( 120 ) cos( 120 )
2
sin sin( 120 ) sin( 120 )
3
0,5 0,5 0,5
s
qsas
s
ds bs
s
css
v
v
v v
vv
+
= +
; (3.25)
ia 0
s
v nulins fazi sekos tampos komponent, kuri galima rayti arba nera-
yti; jei maina simetrin, ji prilyginama nuliui. Visose iose lygtyse tampa lai-
koma kintamuoju. Sroves ir surituosius srautus galima transformuoti taikant ana-
logikas formules. Paprastai yra patogu, kai 0 = , t. y., kai s
q ais sutapatinama
su as aimi. Paneigus nulins sekos dedamj, transformacij ryius galima su-
prastinti taip:
2 1 1
,
3 3 3
1 1
.
3 3
s
qs as bs cs as
s
ds bs cs
v v v v v
v v v
= =
= +
(3.26)
Atvirktin transformacija vyksta taip:
,
1 3
,
2 2
1 3
.
2 2
s
as qs
s s
bs qs ds
s s
cs qs ds
v v
v v v
v v v
=
=
= +
(3.27)
-
48
3.11 paveiksle pavaizduotos sinchroniniu greiiu besisukanios ays
e e
d q ir elektrinis kampas e e
t = tarp fazins koordinai sistemos ir siste-
mos, besisukanios greiiu e. Dvifazs sistemos
s s
d q apvijos yra transfor-
muotos hipotetines apvijas, tvirtai susietas su e e
d q aimis. Stacionarij ai
s s
d q tampas konvertuoti judanias e e
d q ais galima taip:
cos sin ,
sin cos .
e s s
ds ds e qs e
e s s
qs ds e qs e
v v v
v v v
= +
= +
(3.28)
Atvirktin transformacija stacionarij koordinai sistem vyksta taip:
cos sin ,
sin cos .
s e e
ds ds e qs e
s e e
qs ds e qs e
v v v
v v v
=
= +
(3.29)
s
d
s
q
e
d
e
q
s
v
e
s
dsv
s
qsv
e
qsv
e
dsv
3.11 pav. Ryiai tarp koordinai sistem
Panaias transformacijas galima atlikti ir su rotoriaus grandins kintamai-
siais.
Koordinai transformacijos, kompleksinis variklio modelis, dinamins at-
stojamosios schemos ir variklio kompiuterinis modeliavimas isamiau nagrinja-
mi kituose altiniuose [1, 10].
Atlikus matematinius veiksmus ir koordinai transformacij, eliminavus
sroves ir bsenos kintamaisiais pasirinkus surituosius srautus, asinchroninio va-
riklio tamp balanso lygi sistema esant besisukaniai koordinai sistemai
uraoma taip:
-
49
( )
( )
' '
1
' '
1
' '
' '
cos ,
sin ,
,
,
qs
m e s qs e s r qr e ds
ds
m e s ds e s r dr e qs
qr
e r qr e r s qs e r dr
dr
e r dr e r s ds e r qr
d
U K
dt
d
U K
dt
d
K
dt
d
K
dt
= + +
= +
= + +
= +
(3.30)
ia ,
qs ds visuminio statoriaus srauto projekcijos d ir q ais; ,
qr dr
visuminio rotoriaus srauto projekcijos d, q ais;1mU tinklo fazins tampos
amplitudin vert; tinklo tampos faz jungimo metu; e
variklio maiti-
nimo tampos kampinis danis, kai 2 ;e
f = r
vienos poli poros asinchro-
ninio variklio greitis (variklio elektrinis greitis). Lygi koeficientai apskaiiuo-
jami i variklio parametr taip:
;
s
s
s
R
x
=
r
r
s
R
x
= ;
2
1 ; m
r m
x
x x
= ;
m
s
s
x
K
x
= ;
m
r
r
x
K
x
=
'
;
r
r
=
'
.
s
s
=
Kiti vartojami ymenys: m
x magnetinimo kontro induktyvioji vara;
s m lsx x x= + statoriaus apvijos pilnutin induktyvioji vara;
r m lrx x x= +
rotoriaus apvijos pilnutin redukuotoji induktyvioji vara; s
R aktyvioji stato-
riaus vara; r
R rotoriaus apvijos redukuotoji aktyvioji vara; , ls l rx x stato-
riaus ir rotoriaus redukuotosios induktyviosios sklaidos varos.
Variklio momentui e
M apskaiiuoti kartu su (3.30) lygi sistema patogu
taikyti lygt:
( )3
.
2
e r
e qr ds qs dr
s
K
M p
x
=
(3.31)
Pavaros dinamikai tirti lygi sistema (3.30) papildoma pavaros judesio
lygtimi (3.21) ir formule (3.22), pagal kuri apskaiiuojamas rotoriaus poskio
kampas r
, lygus rotoriaus kampinio greiio r
ivestinei pagal laiko moment.
3.12 paveiksle pavaizduotas pagal lygtis (3.30), (3.31), (3.21) ir (3.22) sudarytas
kompiuterinis MATLAB Simulink variklio modelis; 3.13 paveiksle pateiktos grei-
-
50
io ir momento dinamins charakteristikos. Modeliuojant variklis paleidiamas be
apkrovos, o prajus 2,5 s jis pradedamas veikti 40 Nm apkrova.
(/)v0'
s
(/)v0'
s
(/)v0'
r
(/)v0'
r
(/)v0'
s
Kr
(/)v0'
s
Kr
(/)v0'
s
Ks
(/)v0'
s
Ks
Ux1
Uy 1
(/)v0
x1
x2
Mem
y 1
y 2
x2
x1
y 2
y 1
1
3.12 pav. Asinchroninio variklio kompiuterinis modelis
0 1 2 3
0
50
100
150
, rad
/s
0 1 2 3
0
100
200
300
t, s
Mem
, N
m
3.13 pav. Asinchroninio variklio greitis ir momentas
3.13 paveiksle gautos dinamins griio ir momento charakteristikos, parodo
asinchroninio variklio reakcij uolin tampos pokyt ir apkrovos tak besisukan-
iam varikliui. I gaur charakteristik galima nustatyti pereinamj vyksm truk-
m (1.8 s), momento maksimali dinamin nuokryp (298 Nm) paleidimo metu.
-
51
4.
NUOLATINS SROVS ELEKTROS PAVAROS
Nuolatins srovs reguliuojamosioms pavaroms reikalingas reguliuojamas
nuolatins tampos altinis. Naudojant iuolaikinius elektroninius galios keitiklius,
galimi du NS pavar maitinimo i kintamosios srovs tinklo bdai: 1) maitinant i
valdomojo lygintuvo arba 2) maitinant i nuolatins tampos keitiklio (4.1 pav.).
4.1 pav. NS pavar maitinimo bdai i kintamosios srovs tinklo
Galinti dirbti keturiuose kvadrantuose NS elektros pavara, maitinama i
dviej trifazi valdomj lygintuv, pavaizduota 4.2 paveiksle. Srovei ir greiiui
reguliuoti naudojami PI reguliatoriai, kuri sandara pavaizduota 4.3 ir 4.4 pa-
veiksluose.
4.3 paveiksle n*
yra greiio nuostato signalas, ngr. greiio grtamasis sig-
nalas, nv vardinis greitis, ki ir kp integralinis ir proporcinis reguliatoriaus koefi-
cientai, 1/s integratorius, *
a
i srovs nuostato signalas, siuniamas srovs re-
guliatori. Ribotuvas neleidia srovei viryti maksimaliosios verts, o pirmosios
eils emj dani filtras apdoroja grtamojo ryio signal.
-
52
r
4.2 pav. Keturi kvadrant NS elektros pavara, maitinama i trifazio tinklo
1
v
n
ik
*
n 1
s
.grn
pk
sisukimo ir
stabdymo
ribojimas
Filtras
+
n+
+
*
a
i
Srovs
ribotuvas
4.3 pav. Greiio reguliatoriaus struktrin schema
ik
*
a
i 1
s
.gri
pk
+
a
i+
+
180
o
1
v
i
arccos
+
1
2
4.4 pav. Srovs reguliatoriaus struktrin schema
Srovs reguliatorius valdo abiej lygintuv tristori atidarymo kampus
taip gaunama reikiama keitiklio ijimo tampa ir reikiamas variklio elektromag-
netinis momentas. Kampas gali kisti nuo 0 iki 180. Abu lygintuvai veikia vienu
metu, o atidarymo kampai valdomi taip, kad j suma visada bt lygi 180, todl
vienas keitiklis dirba lygintuvo, kitas invertavimo reimu.
-
53
NS pavaros, kurios galia 149 kW, dinamins charakteristikos pateiktos 4.5
paveiksle.
0 2 4 6 8 10 12
50
100
150
,
0 2 4 6 8 10 12
-200
0
200
400
Ua
, V
0 2 4 6 8 10 12
-500
0
500
Mem
, N
m
0 2 4 6 8 10 12
-200
0
200
400
600
t, s
n, ap
s/m
in
4.5 pav. NS pavaros dinamins charakteristikos
I nevaldomojo lygintuvo maitinama NS pavara su vieno kvadranto per-
traukikliu pavaizduota 4.6 paveiksle. Pertraukikl sudaro nevaldomasis VD1 ir
valdomasis VS1 elektroniniai raktai. Induktyvumas leidia mainti srovs pulsaci-
jas, o jungiklis J1 keisti valdymo signal (reguliuoti moment arba greit). Grei-
iui reguliuoti naudojamas PI reguliatorius (4.3 pav.). Srovs reguliatorius pa-
vaizduotas 4.7 paveiksle.
M
I
+
VS1
VD1IPM (PWM)
impulsai
4.6 pav. NS pavara su vieno kvadranto pertraukikliu
-
54
ik
*
a
i 1
s
.gri
pk
Filtras
+
a
i+
+
Ribotuvas
1
v
i
>
Neaniojo signalo
generatorius
Impulsai
4.7 pav. Srovs reguliatoriaus struktrin schema
Kaip formuojami IPM impulsai, pavaizduota 4.8 paveiksle, dinamins cha-
rakteristikos pateiktos 4.9 paveiksle.
IPM
PI
Neantysis
signalas
4.8 pav. Impuls formavimas
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
5
10
15
20
t, s
Ia
, A
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-200
0
200
400
600
n, ap
s/m
in
4.9 pav. Dinamins charakteristikos
-
55
4.9 paveiksle gautos greiio ir srovs dinamins charakteristikos, i j ma-
tome, kad greitis kinta pagal uduot dsn, paleidimas vyksta sklandiai dl si-
sukimo ribojimo (250 aps per sekund). Pavara 500 aps/min greit pasiekia per
dvi sekundes. Srov kinta pagal apkrov. Pavaros modeliavimas leidia tirti vai-
rias dinamines charakteristikas (greiio, poskio kampo, srovs momento ir pan.),
sudtingose sistemose aktualu suderinti keletos ar keliolikos pavar darb, todl
tokie tyrimai yra svarbs.
-
56
5.
KINTAMOSIOS SROVS DANINS
ELEKTROS PAVAROS
5.1. Skaliarinis asinchronini elektros
pavar valdymo metodas
Kintamosios srovs valdomj elektros pavar varikli greitis daniausiai
reguliuojamas daniniu, parametriniu ir pakopiniu bdais.
Perspektyviausios yra danins kintamosios srovs elektros pavaros su
asinchroniniais arba sinchroniniais kintamosios srovs varikliais. i pavar cha-
rakteristikos yra artimiausios nuolatins srovs pavar, valdom reguliuojant in-
karo tamp, charakteristikoms.
Danini elektros pavar reguliavimo metod klasifikacija pateikta 5.1 pa-
veiksle [1].
Danins pavaros reguliavimo
metodai
Skaliarinis Vektorinis
Udara sistema, su
greiio jutikliu
Atvira sistema
Bejutiklis
Udara sistema, su
greiio jutikliu
Bejutiklis
Tiesioginis srauto ir
momento valdymas
Srauto erdvikojo
vektoriaus valdymas
Oro tarpoRotoriausStatoriaus
Netiesioginis
lauko valdymas
Tiesioginis lauko
valdymas
Srauto nustatymas
naudojant srauto jutiklius
Srauto nustatymas
naudojant kitus elektrinius ir
mechaninius jutiklius
Matuojant statoriaus
tampas ir sroves
Momento ir srovi
jutikliai
5.1 pav. Danini pavar reguliavimo metod klasifikacija
-
57
Taikant danio keitiklius daugeliu atvej variklio mechanins apkrovos
priklausomyb nuo sukimosi greiio yra inoma i anksto, o reikalavimai dinami-
nms asinchronini pavar savybms nra svarbs. Tokiais atvejais varikliui val-
dyti pakanka skaliarinio valdymo danio keitiklio. Vienas i populiariausi skalia-
rinio valdymo metod yra vadinamasis skaliarinis U f (tampos / danio)
metodas, kai valdomieji kintamieji yra fazinio danio ir maitinimo tampos (ar
srovs) verts.
Pagrindiniai skaliarinio valdymo metodo principai yra ie:
1. Pastovaus maitinimo tampos ir danio santykio palaikymas.
2. Pastovaus statoriaus srovs ir slydimo danio santykio palaikymas.
3. Nepriklausomas sukimo momento ir rotoriaus srauto valdymas.
5.1.1. Pastovaus maitinimo tampos ir danio santykio palaikymas
Palaikant pastov tampos ir danio santyk (U /f = const), oro tarpe galima
sukurti pastov magnetin sraut. Statoriaus tampa ir sukimo elektromagnetinis
momentas ireikiamas taip:
( )
2
2 2
;
sl s
s m s e m
e r
R
U I R L
R
= + +
(5.1)
( )
2
22 2
3 .
2/ ( )
sr
e
e
s r e ls lr
URp
T
sR R s L L
=
+ + +
(5.2)
Tipin atviroji skaliarinio valdymo sistemos schema pavaizduota 5.2 pa-
veiksle. Galios dal sudaro lygintuvas ir inverteris, *
yra sukimo greiio nuosta-
to signalas (j galima laikyti rotoriaus sukimosi greiiu r
, jei paneigiamas roto-
riaus slydimo sunkimosi greitis sl
), 0
U papildomoji tampa, leidianti
pasiekti pakankam moment esant maiems greiiams.
Kampinis greitis *
yra integruojamas, o gautas kampas *
ir tampa *
s
U
taikant paveiksle pateiktas formules paveriami trifaze tamp sistema.
Tokios sistemos geriausiai tinka pompoms ar ventiliatoriams, kai tikslumas
nra labai svarbus. Padidjus apkrovos momentui, sumaja pavaros greitis, nes
nra greiio grtamojo ryio. Sukimo momentas ir srautas yra glaudiai susij su
statoriaus srovs verte, todl, kai ji bent kiek pakinta, pasikeiia ir srauto dydis, o
tai turi takos ltai sistemos sukimo momento reakcijai.
-
58
*
s
U
2 sin
2
2 sin
3
2
2 sin
3
a s
b s
c s
u U
u U
u U
=
=
= +
LC
a
u
bu
c
u
0U
*
s
U
0U
*
*
*
s
U
5.2 pav. Atviroji skaliarinio valdymo sistema, kai U /f = const
Tipin skaliarinio valdymo sistemos su greiio signalo grtamuoju ryiu
schema pavaizduota 5.3 paveiksle. Greitis reguliuojamas PI reguliatoriumi. Grei-
io matavimui galima naudoti tachogeneratori arba enkoder.
5.3 pav. Udaroji skaliarinio valdymo schema, kai U /f = const
5.1.2. Pastovaus statoriaus srovs ir slydimo danio santykio palaikymas
Statoriaus srovs ir slydimo greiio sl
santykis ireikiamas tokia formule:
1
1
1
r
sl r
r
s m
sl r
I I
+ +
=
+
; (5.3)
ia r
rotoriaus laiko pastovioji, r
rotoriaus sklaidos faktorius.
Valdant statoriaus srovs vert, oro tarpe manoma ilaikyti pastov sraut.
Tokios pavaros schema pavaizduota 5.4 paveiksle.
-
59
2
3
2
3
j
e
*
r
sl
r
r
e
s
dsi
s
qsi
dsu
qsu
dsi
qsi
5.4 pav. Skaliarinis valdymo metodas, kai s
I s const=
is valdymo metodas gali apriboti sukimo moment ir srov, taiau tarp
srauto ir sukimo momento ilieka labai glaudus ryys, veikiantis lt sistemos
reakcij.
5.1.3. Nepriklausomasis sukimo momento ir rotoriaus srauto valdymas
Kai didinamas srautas, variklis sisotina. Siekiant ivengti ios problemos,
naudojamas nepriklausomasis momento ir srauto valdymo algoritmas (5.5 pav.).
Akimirkins statoriaus srauto ir sukimo momento verts apskaiiuojamos pagal
matuojamas tampas ir sroves. Tinkamai parinkus tranzistori rakt bsenas, ga-
lima tiesiogiai ir nepriklausomai valdyti sukimo moment ir sraut. Nepriklauso-
masis momento ir srauto reguliavimo algoritmas yra kur kas paprastesnis nei vek-
torinio valdymo metodas, nes nereikalauja transformuoti koordinai i
stacionariosios sinchronikai besisukani sistem.
Be to, nenaudojamas impuls ploio moduliatorius ir mechaniniai veleno
padties jutikliai. is reguliavimo metodas veikia dq su statoriumi susietoje sta-
cionariojoje koordinai sistemoje. Didelis io reguliavimo metodo privalumas
tas, kad formuojant impulsines ijimo tampas galima pasiekti greit sukimo
momento atsak apkrov, sumainti inverterio rakt persijungimo dan ir artim
sinusinei pirmosios harmonikos form.
5.5 pav. Nepriklausomasis momento ir srauto valdymas
-
60
Visais skaliarinio valdymo atvejais galima naudoti standartinius PI regulia-
torius. Momento reguliatoriaus ijimo signalas yra slydimo danis, kuris turi bti
apribotas atsivelgiant didiausij moment. Skaliarinio valdymo metu nusisto-
vjusi greiio reikm nustatoma i mechanins charakteristikos ir nedaug skiriasi
nuo nuostato, taiau i reguliatori nerekomenduojama naudoti renginiuose,
kuriuose reikalinga tiksli pavaros dinamika.
5.1.4. Apkrov pobdis
Norint palaikyti variklyje pastov sukimo moment, oro tarpe reikia ilai-
kyti pastov magnetin sraut, proporcing statoriaus apvij srovei s
I , kuri yra
magnetinimo reaktyviosios m
I ir aktyviosios R
I srovi vektori suma. Rotoriaus
srov ireikiama tokia formule:
2 2
( )
( )
s
r
r s r
U
I s
R X X
=
+ +
; (5.4)
ia r
I rotoriaus srov, s
U statoriaus maitinimo tampa, , s r
X X
statoriaus
ir rotoriaus sklaidos vara, s slydimas.
Aktyvioji rotoriaus srovs dedamoji, kurianti rotoriaus sukimo moment,
priklauso nuo mechanins rotoriaus apkrovos ir yra proporcinga slydimui. Kai
padidja apkrova, padidja ir slydimo greitis. Kai variklis veikia tuija veika,
sumaja slydimas, o kartu ir srovs vert. i srov yra tiesiogiai proporcinga
statoriaus tampai.
Praktikoje daniausiai taikomi ie statins apkrovos variantai: kai sukimo
momentas yra pastovus; kai galia ilieka pastovi ir veikiant ventiliatorinei apkro-
vai.
Taigi, kai statin veleno apkrova Tst = const, turi bti laikomasi tokios sly-
gos:
,s
U
const
f
= (5.5)
t. y. esant pastoviam statiniam apkrovos momentui, maitinimo altinio tampos
amplituds dydis turi kisti proporcingai jo daniui. Toks reguliavimas vadinamas
tiesiniu. Siekiant ilaikyti pastovi gali, taikomas toks tampos reguliavimo ds-
nis:
.s
U
const
f
= (5.6)
-
61
Kai apkrovos galia yra pastovi, maitinimo altinio tampos amplitud yra
tiesiogiai proporcinga kvadratinei akniai i maitinimo tinklo danio.
Veikiant ventiliatorinei apkrovai, maitinimo altinio tampos amplitud turi
bti atvirkiai proporcinga maitinimo tinklo danio kvadratui:
2
.
s
U
const
f
= (5.7)
is dsnis vadinamas kvadratinio valdymo dsniu.
5.2. Vektorinis asinchronini elektros
pavar valdymo metodas
Trifazio variklio, veikianio varikliniu reimu, fazins srovs valdomos
taip, kad sukurt sukamj magnetin lauk ir rotorius suktsi ta paia kryptimi
kaip ir laukas. Tada tinkamai valdant statoriaus sroves, t. y. transformuotoje koor-
dinai sistemoje valdant abiej srovs dedamj amplitudes, sudaromas vekto-
rius, kuris seka statoriaus