Виноград(Вектор_управ_АД)321стр

Сигналы задания по частоте ωsz с выхода формирователя частоты

и по амплитуде напряжения статора с выхода формирователя напряжения подаются на вход векторного модулятора. Он осуществляет формирование импульсов управления шестью транзисторными ключами инвертора напряжения на основе метода векторной модуляции.

11. Системы векторного управления асинхронным электроприводом

Векторное управление электроприводом с асинхронным двигателем применяется при повышенных требованиях к динамическим или статическим характеристикам регулирования выходных переменных привода, а также в случаях, когда регулируемой переменной является момент. Векторное управление применяется в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, в намоточных механизмах, требующих регулирования натяжения материала, в сервоприводах, выполняющих задачу быстродействующего регулирования положения, в тяговом электроприводе, в приводе электродов дуговых сталеплавильных печей и множестве других механизмов.

Рассматриваются различные варианты построения систем векторного управления асинхронным электроприводом, среди которых системы векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потокосцепления и с моделью роторной цепи [34], система прямого управления моментом, система частотно-токового управления, цифровая релейно-векторная система управления асинхронным электроприводом. На примере построения системы векторного управления в асинхронном электроприводе серии ЭПВ рассмотрена процедура синтеза регуляторов.

11.1. Принцип ориентации переменных по полю

Основополагающим принципом векторного управления является ориентация векторных переменных электропривода друг относительно друга. Ориентация может выполняться практически по любой векторной переменной, однако обычно выбирают переменные, ориентация по которым позволяет получить:

1)наилучшие динамические и статические свойства привода;

2)наиболее простую структуру системы управления.

Наиболее широкое распространение в системах векторного управ-

ления получил способ ориентации переменных по вектору потокосцепления ротора (рис.11.1). Часто такой способ называют ориентацией по полю.

191

Асинхронный двигатель (АД) при ориентации по полю приобретает характеристики, близкие к характеристикам двигателя постоянного тока, а в электроприводе обеспечивается:

1)раздельное регулирование магнитного потока и электромагнитного момента двигателя;

2)предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Уравнения электромагнитных процессов АД, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат (d,q), ориентированной по вектору потокосцепления ротора, имеют следующий вид:

где Tr = Lr – постоянная времени роторной цепи; Rs , Rr – активные

Rr

сопротивления фаз статора и ротора; Ls , Lr , Lm – индуктивности фаз

Ud ,Uq , Id , Iq – проекции векторов напряжения и тока статора на оси d и q; ωψ – частота вращения вектора потокосцепления ротора;

ωre = Z pωr – электрическая частота вращения ротора; ωск – частота

скольжения.

Системы векторного управления, называемые также системами с ориентацией по полю, можно подразделить на системы с прямой и косвенной ориентацией по полю. Трактовка этих понятий не однозначна.

При первой трактовке к системам с прямой ориентацией по полю относят только те системы, в которых осуществляется непосредственное измерение потока с помощью тех или иных датчиков потока. Вторая трактовка относит к системам с прямой ориентацией и те системы, в которых поток рассчитывается по модели двигателя, так как это дает возможность, так же как при непосредственном измерении потока, построить замкнутый контур его регулирования. К системам с косвенным измерением в этом случае относят только системы, в которых поток не измеряется и не рассчитывается, а формируется путем задания других переменных (рис.11.2). На нем предполагается, что двигатель М представлен в виде математической модели во вращающейся систе-

ме координат (α, β) . Так же представлен и преобразователь частоты

(ПЧ) с инвертором, управляемым током ПЧ. На рис.11.2,а показана структура привода, поясняющая принцип векторного управления с прямой ориентацией по полю. Асинхронный двигатель получает питание от преобразователя частоты. Входными сигналами для преобразо-

вателя служат Isαz и I sβz – проекции пространственного вектора тока статора на оси вращающейся системы координат. В модели двигателя по истинным значениям токов I sα и I sβ и значению скорости двига-

ω рассчитываются значения электромагнитного момента ˆ и теля MД

потокосцепления ротора Ψˆ r . (Значком ^ над символами помечены величины, определяемые в модели.) Там же рассчитывается мгновенное

193

значение угла поворота θс вращающейся системы координат (d, q) относительно неподвижной системы координат (α, β) . Потокосцеп-

ление ротора Ψˆ r сравнивается с сигналом задания Ψrz на входе регу-

лятора потока (РПт), а момент двигателя ˆ – с сигналом задания

MД

момента на входе регулятора момента (РМ). Контур регулирования момента выполнен как внутренний по отношению к внешнему контуру скорости с регулятором скорости (РС).

Рис.11.2. Структура привода с прямой и косвенной ориентацией по полю: а – с моделью двигателя; б – с косвенной ориентацией

Система с косвенной ориентацией по полю (рис.11.2,б) не содержит узлов измерения или расчета потокосцепления ротора. Требуемые

194

сигналы задания составляющих тока статора формируются на основании заданных значений потокосцепления Ψrz и электромагнитного

момента (внешний контур скорости, аналогичный контуру с регулятором РС, на рис.11.2,б не показан). При определении задающих значений токов используется математическое описание двигателя в виде

структурной схемы с ориентацией вектора Ψr по оси d . Так, по вы-

ляется на основании равенства ωр = kr Rr I sq / Ψr как c2 =1/ kr Rr ,

где kr = LLm .

r

Структурная схема асинхронного двигателя во вращающейся системе координат содержит в качестве входных и выходных величин проекции соответствующих пространственных векторов на оси вращающейся системы координат. Эти величины являются величинами постоянного тока, что позволяет строить систему управления приводом так же, как систему управления электроприводом постоянного тока. Между тем в реальной системе с трехфазным асинхронным двигателем напряжения и токи представляют собой трехфазные системы синусоидальных величин. Поэтому при построении системы управления электроприводом в нее должны быть введены преобразователи координат, осуществляющие преобразование величин постоянного тока во вращающейся системе координат в трёхфазную систему величин в неподвижной системе координат и обратно.

Аналогия с двигателем постоянного тока становится еще более очевидной, если в преобразователе, от которого питается двигатель, с помощью быстродействующих токовых контуров формируются непо-

средственно составляющие тока статора I sd и I sq . На рис.11.3,а пока-

зана часть структурной схемы, иллюстрирующая процесс формирования электромагнитного момента в этом случае, а на рис.11.3,б – схема формирования электромагнитного момента в двигателе постоянного

тока с независимым возбуждением. На ней kФ – коэффициент, связывающий в линеаризованном описании двигателя постоянного тока поток возбуждения Ф с током возбуждения IВ . Видно, что составляю-

195

щая тока статора асинхронного двигателя I sd в приводе с векторным управлением играет ту же роль, что ток возбуждения в машине постоянного тока, постоянная времени ротора Tr эквивалентна постоянной времени возбуждения TВ , а коэффициент 3Z p kr / 2 соответствует

машинной постоянной двигателя постоянного тока cД .

Рис.11.3. Сравнение структуры асинхронного двигателя при векторном управлении (а) со структурой двигателя постоянного тока независимого возбуждения (б)

Улучшение динамических свойств привода с асинхронным двигателем при векторном управлении является результатом того, что в переходных процессах имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления ротора в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление ротора в переходных процессах изменяется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется

составляющая тока статора I sq (аналогия с изменением момента при изменении тока якоря I я в машине постоянного тока).

11.2. Система векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потокосцепления

Первая промышленная векторная система регулирования скорости электропривода с асинхронным двигателем была разработана в конце 60-х годов XX века фирмой Siemens.

В системе выполнено непосредственное измерение главного магнитного потока с помощью установленных в зазоре двигателя датчиков, действие которых основано на эффекте Холла. Он проявляется следующим образом: если пластину из проводникового или полупроводникового материала поместить в магнитное поле с напряженностью

H и пропустить через нее ток I (рис.11.4), то в ней возникает элек196

трическое поле в направлении, перпендикулярном векторам напряженности и тока. При этом на боковых гранях пластины возникает

ЭДС Холла U . Если плотность тока J постоянна, то эта ЭДС пропорциональна напряженности магнитного поля, т. е. магнитному потоку.

Рис.11.4. Принцип работы датчика Холла

В рассматриваемой системе два датчика Холла, сдвинутых в плоскости поперечного сечения двигателя на 90 эл. град. друг относительно друга, установлены в зазоре между статором и ротором двигателя, т. е. находятся под действием главного магнитного потока (потока в зазоре). Поскольку вектор потока вращается в пространстве, напряжение на выходе датчика после того, как отфильтрованы высшие гармоники, имеет синусоидальную форму. Наличие пространственного сдвига между датчиками приводит к тому, что выходные напряжения датчиков сдвинуты друг относительно друга на 90° во времени и представляют собой взятые в определенном масштабе проекции вектора

главного потокосцепления Ψmα и Ψmβ на оси неподвижной системы

координат.

В основу построения системы регулирования скорости положены принципы, вытекающие из математического описания асинхронного двигателя во вращающейся системе координат, при направлении оси

d по пространственному вектору потокосцепления ротора.

Принцип построения системы поясняет функциональная схема (рис.11.5). Асинхронный двигатель М питается от преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. На входе преобразователя действует трехфазная система

задающих напряжений U sAz , U sBz , U sCz . Система регулирования

выполнена во вращающейся системе координат. Преобразование координат в прямом канале (ПКП) и в канале обратной связи (ПКО) производится в соответствии с правилами преобразования координат в системе векторного управления.

197

Для преобразования переменных из вращающейся системы координат в неподвижную систему координат и обратно необходимо вос-

пользоваться формулами и располагать значениями sinθc и cosθc

(θc – угол между осью α неподвижной системы координат и осью d

вращающейся системы координат). Связанные с этим вычисления, а также определение модуля вектора потокосцепления ротора, по которому замыкается контур регулирования потока, выполняются в функциональном преобразователе ФП2 по выражениям

r

| Ψr |= Ψr2α + Ψr2β ; sin θc = Ψrα / | Ψr | ; cos θc = Ψrβ / | Ψr | .

Однако с помощью датчиков Холла определяются проекции пространственного вектора главного потокосцепления, а не проекции вектора потокосцепления ротора. Поэтому предварительно должен быть выполнен соответствующий пересчет. Пространственный вектор главного потокосцепления определяется суммой векторов статорного тока и роторного тока, приведенного к статору.

Потокосцепление ротора отличается от главного потокосцепления на величину потокосцепления рассеяния ротора. Эти соотношения представляютсяr равенствами, записаннымиr для пространственных

векторов: Ψm = Lm (I s + Ir ) и Ψr = Ψm + Lrσ Ir , откуда после исключения вектора тока ротора получается выражение для вектора по-

токосцепления ротора в видеΨr = Ψm / kr − Lrσ I s .

В проекциях на оси системы координат (α, β) последнее выражение запишется в виде

Ψrα = Ψmα / kr − Lrσ I sα ; Ψrβ = Ψmβ / kr − Lrσ I sβ .

Преобразования, необходимые для получения значения потокосцепления ротора в соответствии с этими выражениями, выполняются в функциональном преобразователе ФП1 (см. рис.11.5). В преобразова-

ниях используются измеренные значения Ψmα и Ψmβ и значения проекций вектора тока статора на оси неподвижной системы координат I sα и I sβ , которые вычисляются в блоке 3/2 по измеренным мгновенным значениям фазных токов статора.

199

200