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