0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое векторное и скалярное управление асинхронным двигателем

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Содержание

Математический аппарат векторного управления

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом:

Необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d,q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x,y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d,q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, т.е. индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока).

Векторное управление может быть реализовано не только при определении направления и углового положения вектора потокосцепления ротора (система «Transvektor»). Практический интерес представляют аналогичные устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, которые в нашей стране стали именоваться векторными системами. Указанные устройства управления имеют свои особенности. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе, в соответствии с этим имеется системы координат связанные со статором, ротором и полем.

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика , что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование«, являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление«.

Что такое векторное и скалярное управление асинхронным двигателем

Группа: New
Сообщений: 12
Регистрация: 29.8.2014
Пользователь №: 243315

Группа: Участники форума
Сообщений: 216
Регистрация: 1.9.2006
Пользователь №: 3858

Почему надежность сомнительная? Высокая сложность для кого для разработчика или пользователя (автонастройку запустить не может)?

Группа: New
Сообщений: 12
Регистрация: 29.8.2014
Пользователь №: 243315

Группа: Участники форума
Сообщений: 857
Регистрация: 27.4.2008
Пользователь №: 18181

Векторное управление — это не реклама, а реальная технология управления двигателем. Для ее реализации используются более мощные микропроцессоры внутри преобразователя частоты для расчета математической модели. Это уже о чем-то говорит.

В скалярном управлении регулируемыми координатами являются частота f и напряжение U. Частота f определяет частоту вращения (об/мин), а напряжение U — максимальный (критический) крутящий момент. В некоторых задачах требуется регулировать не просто максимальный момент, а саму величину момента, чтобы крутить нагрузку более аккуратно, без рывков, равномерно. В скалярном управлении это обеспечивается плавным изменением частоты и соответственно напряжения. Обрати внимание: частота — это характеристика, которая имеет смысл для некоторого периодического сигнала. То есть частота определяет форму синусоиды на протяжении хотя бы одного периода.
В векторном же управлении управляют вектором, т.е. мгновенным значением напряжения. То есть выходное напряжение необязательно может быть синусоидальным и каждое значение u(t) в каждой из фаз пересчитывается в соответствии с изменяющимися внешними условиями (нагрузка, задание скорости) в реальном времени и очень точно.

Еще попытка сравнения скаляра и вектора: скаляр основывается на статической модели двигателя, в которой не учитываются переходные процессы — эта модели точна, если внешние воздействия (задание по скорости, момент сопротивления нагрузки) неизменны во времени.
Вектор основывается на обобщенной математической модели электрической машины, которая более-менее учитывает переходные процессы в приводе, а значит вектор рассчитывает выходное напряжение более точно. Вектор дает на выход ровно столько, сколько необходимо нагрузке для того, чтобы изменять частоту вращения в соответствии с заданием скорости.

В скаляре при снижении частоты где-то ниже величины номинального скольжения (порядка 1 Гц) нагрузка может остановить двигатель и даже заставить вращаться двигатель в обратном направлении. С чем это связано? У скаляра обычно нет обратной связи по скорости (хотя ее можно сделать) и при этом величина фактической скорости зависит от нагрузки. Чем больше нагрузка, тем меньше скорость — все это в соответствии с механическими характеристиками.
Если частота f выше величины номинального скольжения, то вроде как ничего страшного, но как только частота снижается ниже плинтуса, то можно увидеть останов и реверс двигателя. В этом случае регулирование скорости теряет смысл, т.к. преобразователь не может достойно управлять даже направлением вращения.

если честно, не знаю, что это за режим. Это когда частота f = 0,5 Гц, а соответственно напряжение U = 380*(0,5/50) = 3,8 В?

наверное после теоретического экскурса это уже не имеет смысла?

Читать в учебниках тему «Обобщенная математическая модель электрической машины».

P.S. Между тем, помимо преимуществ, у векторного управления есть недостатки:
1. Чуть более высокая цена из-за более мощных вычислительных ядер.
2. В связи с наличием множественных обратных связей в векторной системе управления работа системы может быть неустойчивой, имеется вероятность резонансов в контурах и, как следствие, срабатывание тех или иных защит, останов привода по ошибке, простой производства. Особенно это может проявляться если какие-то коэффициенты в модели заданы неточно. (Скаляр вообще не имеет обратных связей — выдал частоту и напряжение на выход в соответствии с заданием скорости и доволен.)

Читать еще:  Чем диагностировать дизельные двигатели

По второй причине векторное управление, например, не применяется в ЖКХ (для регулирования производительности насосов в водоснабжении). Динамика здесь не имеет значения, а сбои могут привести в перерыве подачи воды. К тому же можно сэкономить, применив скаляр.

Группа: Участники форума
Сообщений: 857
Регистрация: 27.4.2008
Пользователь №: 18181

Еще вспомнил недостаток:
3. В векторном управлении обычно нельзя подключить два двигателя параллельно. Кстати, некоторые производители допускают параллельное подключение двигателей в векторном режиме, но при этом вероятность сбоя из-за резонансов в контурах еще более высокая!
Параллельное подключение асинхронных двигателей применяется для выравнивания нагрузки между двигателями, работающими на одну общую нагрузку, т.е. между валами таких двигателей должна быть жесткая механическая связь. Что может быть проще, чем параллельное подключение асинхронников для выравнивания нагрузки. Так вот: при векторном управлении это, как правило, невозможно. Есть только один выход — обмен информацией о загруженности двигателей между двумя векторными ПЧ. Геморрой, короче.

Сообщение отредактировал Михайло — 29.8.2014, 16:20

Создание векторной системы управления асинхронным двигателем под управлением 1986BE91T

Что делаем: Создаём векторную систему управления асинхронным двигателем на 1986BE91T. Для отладки применим скалярное формирование напряжение и частоты по закону U/f. Будет создан виртуальный пульт управления — переключение режимами и задания с помощью визуальных органов управления MexBIOS Development Studio.

Как делаем: Для создания векторной системы управления будем использовать готовые шаблоны, которые необходимо добавлять на поле набора MexBIOS Development Studio в строго описанном далее порядке. В шаблонах выполнена привязка к буквенным константам. Численное значение констант необходимо добавить сначала в файл проекта, затем начинать собирать схему из шаблонов.

Отладку и настройку системы управления будем производить в режиме моделирования , поэтому первым этапом создания СУ будет добавление модели, затем уже построение самой СУ.

Установить MexBIOS Development Studio.

Установить библиотеку MDR32F9QX.

Распаковать в папку Templates готовые шаблоны https://yadi.sk/d/6zk0UGd1t79Qd​ (ОБЯЗАТЕЛЬНО выполнить этот пункт). Нужно, чтобы все файлы из архива оказались в каталоге: C:Users%USERNAME%AppDataRoamingNPF Mechatronica-ProMexBIOS Development StudioTemplates

Создать проект MDR32F9QX.

Перейти на вкладу Models.

Добавить константы ACIM_constant (файл с константами добавлен, при добавлении шаблонов. См. в папке :Users%USERNAME%AppDataRoamingNPF Mechatronica-ProMexBIOS Development StudioTemplates). .

В Models, на поле набора алгоритмов, добавить шаблон Alg_iqACIM_Model.

Подключить его в линию с BACKGROUND.

Перейдите в формулу IM MODEL.

Откройте осциллограф SCOPE_wr.

Запустите моделирование и получите такой график:

Для дальнейших действий, в IM MODEL удалите следующую часть схемы:

Примечание : Не обращайте внимание на исчезновение привязки к TP_OUT. При дальнейшей работе со схемой связи восстановятся в процессе добавления других шаблонов.

Перейти в библиотеку MDR32F9QX.

Добавить на поле набора алгоритмов Alg_SYSTICK.

Добавить на поле набора алгоритмов Alg_IM_SCALAR.

Добавить на поле набора алгоритмов Alg_Current_Speed_Loops

Добавить на поле набора алгоритмов Alg_iqACIM_VoltControl

Теги Ualpha Ubeta в MODELSIM MODEL должны были восстановиться.

Перейти в формулу Drivers (добавлена вместе с шаблоном Alg_Current_Speed_Loops). На поле набора формулы Drivers добавить следующие шаблоны:

Примечание: Дискретный выводы: PA9 — управления тормозным резистором, PA12 — управление разрешением ШИМ и др. были выбраны для управления отладочной платой 1986BE91T силовой платой от ПЧ MBS FC-01.

Перейти в формулу MAIN.

Добавить на поле набора шаблон S_iqACIM_GUI_Start.

Перейти в главное поле набора и произвести соединения добавленных частей схемы:

Перейти в формулу SCALAR.

Заново открыть проект (кнопка Открыть, выбрать сохранённый файл проекта).

Перейти в формулу MAIN.

Изменять задание частоты в Гц в разделе Скалярное управление, Гц.

Убедиться, что при задании 50 Гц скорость чуть меньше 1500 об/мин.

Векторная система управления

Перейти в формулу Speed_Loop.

Добавить шаблон S_iqACIM_CS_Speed_Loop_MDR32F9QX.

Перейти в Current Loop

Заново открыть проект (кнопка Открыть, выбрать сохранённый файл проекта).

Проверить работу Векторной СУ через пульт управления в формуле MAIN.

Переключить Режим управления на Векторное управление .

Скорость в Об/мин после запуска должна установиться в заданную величину.

Изменяйте задание, убедитесь, что скорость регулируется.

Добавление защит

Перейти в Drivers.

Удалить TP_OUT с именем hStop.

На главное поле набора алгоритмов добавить Alg_iqACIM_Protect.

Подключить формулу iqProtect сразу после блока SYSTICK.

Перейти в формулу MAIN.

Нажать кнопку Показать/скрыть блоки и линии , для отображения всех блоков и линий.

Нажать — Ctrl+A , Del — удалить всё содержимое формулы MAIN.

Добавить шаблон S_iqACIM_GUI_addProtect

Заново открыть схему.

Перейти в фомрулу MAIN и запустите моделирование:

Убедитесь, что скалярная и векторная системы управления работают.

Переключите в Скалярный режим управления.

Задайте частоту 50 Гц.

Нажмите кнопку Старт/Стоп.

Произойдёт авария Превышение тока в фазе .

Нажмите кнопку Сброс аварий.

Измените задание на 5 Гц. Убедитесь, что модель двигателя запускается.

Добавление драйвера ШИМ

Перейти в формулу iqVoltControl.

Добавить шаблон MDR32F9Qx_PWM.

Особенности векторной системы управления

Для режима отладки на ограничение выхода регулятора скорости было установлена на ±0.5 (двигатель будет развивать не максимальный момент).

Выходы регуляторов тока также ограничены ±0.5 (вектор напряжения не будет полностью использоваться).

Для контура тока можно изменить схему, включив подсистему iq_adaptiveUs, которая позволяет более эффективно использовать вектор напряжения. При этом ограничения регуляторов тока необходимо выставить ±1.0.

Использовать iq_adaptiveUs необходимо после проверки работы на макетном образце.

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Содержание

  • 1 Причины появления
  • 2 Математический аппарат векторного управления
  • 3 Варианты режимов работы векторного управления
    • 3.1 Точность математической модели электродвигателя
    • 3.2 Использование датчика скорости электродвигателя
  • 4 Терминологические нюансы
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература
  • 7 См. также

Причины появления [ | ]

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

Читать еще:  Что с двигателями mh17

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Математический аппарат векторного управления [ | ]

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

< σ L s d I d d t = − R s I d + U d + σ L s ω ψ I q − L m L r d ψ r d t σ L s d I q d t = − R s I q + U d − σ L s ω ψ I d − L m L r ω ψ ψ r T r d ψ r d t = − ψ r + L m I d ω ψ = ω r e + ω c k = ω r e + L m T r I d ψ r M = 3 2 Z r L m L r ψ r I q sigma L_>

>=-R_I_+U_+sigma L_omega _I_>>>>

>\sigma L_>

>=-R_I_+U_-sigma L_omega _I_>>>omega _psi _\T_>

>=-psi _+L_I_\omega _=omega _e+omega _k=omega _e+>>>>>>\M=<2>>Z_>>>psi _I_end>right.>

При этом могут быть два варианта метода:

  • ориентирование по полю ротора
  • ориентирование по полю главного потокосцепления

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Варианты режимов работы векторного управления [ | ]

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя [ | ]

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя [ | ]

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы [ | ]

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование», являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление». Кроме того часто данный метод называют также «принципом ориентирования по полю», что также является буквальным переводом с немецкого «Das Prinzip der Feldorientierung».

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Содержание

  • 1 Причины появления
  • 2 Математический аппарат векторного управления
  • 3 Варианты режимов работы векторного управления
    • 3.1 Точность математической модели электродвигателя
    • 3.2 Использование датчика скорости электродвигателя
  • 4 Терминологические нюансы
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература
  • 7 См. также

Причины появления

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

Читать еще:  Двигатель d4ea технические характеристики

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Математический аппарат векторного управления

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

< σ L s d I d d t = − R s I d + U d + σ L s ω ψ I q − L m L r d ψ r d t σ L s d I q d t = − R s I q + U d − σ L s ω ψ I d − L m L r ω ψ ψ r T r d ψ r d t = − ψ r + L m I d ω ψ = ω r e + ω c k = ω r e + L m T r I d ψ r M = 3 2 Z r L m L r ψ r I q sigma L_>

>=-R_I_+U_+sigma L_omega _I_>>>>

>\sigma L_>

>=-R_I_+U_-sigma L_omega _I_>>>omega _psi _\T_>

>=-psi _+L_I_\omega _=omega _e+omega _k=omega _e+>>>>>>\M=<2>>Z_>>>psi _I_end>right.>

При этом могут быть два варианта метода:

  • ориентирование по полю ротора
  • ориентирование по полю главного потокосцепления

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование», являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление». Кроме того часто данный метод называют также «принципом ориентирования по полю», что также является буквальным переводом с немецкого «Das Prinzip der Feldorientierung».

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector