Аннотация
В настоящее время для биполярного управления шаговыми двигателями (ШД) широко применяется мостовая схема соединения силовых элементов. Среди недостатков данного решения можно отметить малый диапазон скоростей, достижимых при фиксированной нагрузке для шагового электропривода, образующийся высокий размах пульсаций фазного напряжения и, как следствие, высокие динамические потери в полупроводниковом преобразователе, а также высокий размах пульсаций генерируемого электроприводом момента. Указанные особенности, а также значительная величина реактивной составляющей мощности, потребляемой ШД при высоких скоростях вращения вала, указывают на целесообразность последовательного включения в состав классической преобразовательной системы дополнительных инверторов (по одному на каждую фазу электродвигателя), компенсирующих потребляемую ШД реактивную энергию. Целью данной работы является исследование возможности применения двойной инверторной системы в электроприводе на основе ШД, а также синтез алгоритма векторного управления ШД, адаптированного для работы с данным преобразователем. Проверка работоспособности и оценка показателей работы предложенной инверторной системы в сравнении с классической мостовой схемой проводилась методом сравнительного имитационного моделирования в графической среде Matlab/Simulink. Результаты имитационного моделирования указывают на сокращение потерь в преобразовательной части на 30%, уменьшение размаха пульсаций генерируемого момента и увеличение диапазона скоростей вращения вала при работе электропривода с применением двойной инверторной системы со сравнительно меньшим напряжением звена постоянного тока. Предложенный алгоритм работы предусматривает регулирование напряжения звеньев постоянного тока дополнительных инверторов для уменьшения размаха пульсаций напряжения на обмотках двигателя и снижения динамических потерь в преобразователе. Предположительными областями применения данного преобразователя являются автономные промышленные объекты, автономные робототехнические системы, системы аэрокосмической отрасли и т.д.
Ключевые слова
Шаговый электродвигатель, мостовой преобразователь, двойная инверторная система, автономные инверторы напряжения, векторное управление, сдвоенные инверторы напряжения.
1. The efficiency of hybrid stepping motors: analyzing the impact of control algorithms / S. Derammelaere, B. Vervisch, F.D. Belie, B.V.J. Cottyn, P. Cox, G.V.D. Abeele, K. Stockman, L. Vandevelde // IEEE Industry Applications Magazine. 2014. Is. 4. Pp. 50-60. doi: 10.1109/MIAS.2013.2288403.
2. Le K.M., Hoang H.V., Jeon J.W. An advanced closed-loop control to improve the performance of hybrid stepper motor // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. Vol. 32. Is. 9. Pp. 7244-7255. doi: 10.1109/TPEL.2016.2623341.
3. Разработка модели систем высококачественного бесколлекторного электропривода постоянного тока / Т.Х. Абузяров, А.С. Плехов, А.Б. Дарьенков, А.И. Ермолаев // Вестник ИГЭУ. 2020. № 1. С. 31-45. doi: 10.17588/2072-2672.2020.1.031-045.
4. The age of multilevel converters arrives / L.G. Franquelo, J. Rodriguez, J.I. Leon, S. Kouro, R. Portillo, M.A.M. Prats // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2008. Vol. 2. No. 2. Pp. 28-39. doi: 10.1109/MIE.2008.923519.
5. Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications / J. Rodriguez, J.S. Lai, F.Z. Peng // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2002. Vol. 49. No. 4. Pp. 724-738. doi:10.1109/TIE.2002.801052.
6. Абузяров Т.Х. Особенности имитационного моделирования сдвоенного преобразователя для электротранспорта с пространственно-векторным управлением // Интеллектуальная электротехника. 2020. № 3(11). С. 100-109. doi: 10.46960/2658-6754_2020_3_100.
7. Абузяров Т.Х., Плехов А.С. Каскадный преобразователь для электротранспорта с пространственно-векторным управлением // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородск. гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. 2020. С. 56-63. doi: 10.46960/39255930_2020_41.
8. Dual inverter-fed drives with the synchronised multilevel voltage waveforms / V.I. Oleschuk, A.S. Sizov, A.M. Stankovic, E.M. Yaroshenko // Problems of the Regional Energetics. 2006. №1. Pp. 106-119.
9. Kim J., Jung J., Nam K. Dual-inverter control strategy for high-speed operation of EV induction motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2004. Vol. 51. No. 2. Pp. 312-320. doi: 10.1109/TIE.2004.825232.
10. Graovac D., Marco P., Andreas K. MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters. Germany: Published by Infineon Technologies AG, 2006. 22 p.