Векторный двигатель принцип работы

Векторный двигатель принцип работы

Под параметрами машины понимается совокупность констант (или функ­ций), которые однозначно соответствуют принятой математической модели машины. Уточнение параметров опирается на развитие теории поля электрической машины. Расчетные методы позволяют исходя из картины …

Система частотного привода с управлением от ЭВМ по вектору потокосцепления статора двигателя

-м Применение микро-ЭВМ для векторного управления частотно-ре­гулируемым приводом позволяет реализовать различные алгоритмы управления. На рис. 5.6 представлена функ­циональная схема аналогоцифровой системы управления приводом ТПЧ-АД посредством ЭВМ по вектору потокосцепления статора …

Микропроцессорная система частотного привода с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя

Микропроцессорная схема системы «Трансвектор» описана в работе [25]. В системе применена комбинированная аналоговая система идентификации составляющих потокосцепления, исполь­зующая измерительные обмотки или модель статора двигателя, А. ^0 = 0, — Rjs …

Векторная система управления с опорным вектором главного потокосцепления на основе комбинированной аппаратурной реализации

Известно, что точность воспроизведения угловой скорости си­стемы электропривода определяется точностью внешнего кон­тура. Поэтому микропроцессор может реализовать функции внешних контуров угловой скорости и управления модулем 5.1. Схема комбинированной системы вектора управления …

Особенности реализации систем векторного управления на базе ЭВМ для частотно-регулируемых асинхронных приводов

Системы векторного управления характеризуются объемом вычислительных операций при значительном числе операций ум­ножения. Систему векторного управления можно представить как совокупность нескольких подсистем: информационной подсисте­мы; подсистемы векторных преобразований и управляющей под­системы. К …

Алгоритмы управления напряжением

Для определения амплитуды напряжения статора двигателя можно записать уравнение (4.16) +№■/*)*• Если Wsm = const, то

Особенности управления потокосцеплением асинхронного двигателя

(4.1) Асинхронный двигатель в системе регулирования может реа­лизовать постоянство модуля потокосцепления статора. Рассмо­трим уравнения статики для сопоставления некоторых характе­ристик двигателя: S S ”1” г ^rtn S1H (0Е9 Ctr) Usm S1П …

Система управления по вектору потокосцепления ротора приводом с синхронным двигателем

Известны многие схемы так называемых вентильных двигате­лей и бесколлекторных машин постоянного тока. Обзор подоб­ных систем с использованием регулирования модулей потоко­сцепления статора |Ws | и главного потокосцепления j^Fo) при­веден в работе …

Система управления по вектору потокосцепления ротора приводами с машинами двойного питания

Использование асинхронного двигателя с фазным ротором позволяет осуществлять питание машины и со стороны статора и со стороны ротора. Возможно включение преобразователя ча­стоты либо в цепь статора, либо в цепь ротора, …

Привод типа «Трансвектор», его схема и характеристики

Система «Трансвектор» описана в работе [23], а ее обосно­вание — в [22]. Система основана на поддержании модуля по­токосцепления ротора |Ф,| = const. Схема приведена на рис. 3.10. Информационная часть системы …

Контур регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя в системе управления по вектору потокосцепления ротора

Электромагнитный момент асинхронной машины для пере­менных |ЧМ и /л2 в системе координат, связанной с вектором потокосцепления ротора, Мзм = ^-кгУг1,2. (3.32) При 1^1 = const электромагнитный момент Мэм пропорцио­нален I …

Контур регулирования модуля вектора потокосцепления ротора двигателя и особенности его настройки

На рис. 3.2 представлена структурная схема асинхронного двигателя с контурами регулирования переменных | V,. |, /s) и контуром управления UsX перекрестная связь L’co^,r/s2 яв- і 2. Структурная схема контура регулирования …

Основные соотношения частотно-регулируемого асинхронного привода с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя

Система векторного управления с опорным вектором Уг была предложена фирмой «Сименс» [23] под названием «Трано — вектор». Система построена в виде двух каналов: канала ста­билизации модуля потокосцепления ротора и канала …

Характеристики частотно-регулируемого привода с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя

На рис. 2.17 приведена функциональная схема привода ТПЧ-АД. Система управления выполнена на микросхемах и со­брана на двух типовых элементах: операционном усилителе и умножительном элементе. Использовано два типа плат — одна …

Выделение сигналов управления модулем, частотой и фазой напряжения преобразователя частоты в системах векторного управления

При использовании преобразователя частоты с непосред­ственной связью (ТНПЧ) схема сопряжения включает в себя только преобразователь фаз. Однако нелинейность преобразо­вателя и влияние внутренних сопротивлений вынуждают при не­обходимости получения максимальных динамических характе­ристик …

Применение цепей аналитической самонастройки для подавления параметрических возмущений и влияния внутренних перекрестных связей в контурах векторного управления частотно-регулируемых приводов

Основными проблемами при расчете и настройке системы векторного управления являются: подавление перекрестных связей между каналами управле­ния модулем вектора главного потокосцепления и каналом управления угловой скоростью ротора; идентификация параметров модели Горева …

Контур регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя в системе управления по вектору главного потокосцепления двигателя

Согласно системе дифференциальных уравнений (2.9) кон­тур управления электромагнитным моментом эквивалентен кон­туру цепи якоря машины постоянного тока (рис. 2.5). Отличие состоит в том, что сопротивление, эквивалентное сопротивлению цепи якоря, для асинхронной …

Контур регулирования модулем вектора главного потокосцепления асинхронного двигателя

Структурная схема канала управления модулем главного потокосцепления представлена на рис. 2.2. Влияние составляю­щей тока статора вводится в виде сигналов:

Предлагаем

Организация производства

Линии по производству пенополистирола (пенопласта)

Линии по производству пенобетона, газобетона

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

Частотные преобразователи, конверторы, векторное управление и вентильно-индукторные машины

ЛЕКЦИЯ 11. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАННИКИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ),

ВРАЩАЮЩИЕСЯ МЕХАНИЗМЫ

С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИМ

Частотные преобразователи, конверторы, векторное управление и вентильно-индукторные машины

Переворот в современной электромеханике совершили силовые транзисторы.

Силовой транзистор — это полупроводниковое управляемое быстродействующее устройство. В сочетании с микропроцессорным управлением получается преобразователь переменного тока сначала выпрямлением в постоянный ток, а затем, с помощью инвертора, снова в переменный ток разной частоты и напряжения (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Структура преобразователя частоты

Кроме того, появилась возможность превратить преобразователь частоты в регулируемый источник тока. Преобразователь частоты — довольно сложное устройство. Теория, конструкция и эксплуатация частотного преобразователя рассматриваются в специальном курсе. Здесь же ограничимся только рассмотрением основных особенностей преобразования в двух случаях:

1. Преобразователь работает в режиме источника напряжения переменной частоты и величины напряжения.

2. Преобразователь работает в режиме источника тока, переменной частоты и величины тока.

В первом случае преобразователь обычно регулируется так, чтобы отношение напряжения к частоте было бы постоянным. Из условий электрического равновесия:

.

Можно считать, что преобразователь частоты является источником магнитного потока. Но если магнитный поток асинхронного двигателя постоянен, то реактивный ток также будет постоянным (при постоянстве воздушного зазора), ток в роторе асинхронного двигателя будет пропорционален моменту на валу двигателя. Это хорошо для обычной эксплуатации подъемных механизмов, насосов и других механизмов подобного типа. В других случаях часто надо поднимать момент при малых скольжениях при пуске механизма, когда проявляются силы сухого трения. В таких случаях переходят на режим увеличения момента при низкой частоте. Замечательным свойством является то, что реактивный ток при этом «не вырабатывается», а «сопровождает» напряжение на выходе частотного преобразователя. Реактивный ток не чувствуется на первичной стороне частотного преобразователя, а генератор работает при косинусе фи, близком к единице. Напряжение на входе частотного преобразователя при этом незначительно уменьшается за счет поворота ротора синхронного генератора относительно статора на нагрузочный угол Ɵ. Как было показано выше, это уменьшение небольшое, порядка 2%.

Во втором случае, когда преобразователь работает в режиме источника тока разной частоты и величины, лучше употреблять более общее понятие «конвертор», что в переводе на русский язык и означает преобразователь.

Для второго случая рассмотрим физику так называемого векторного управления асинхронным двигателем, рис. 11.2.

На рис. 11.2 видим привычную уже картину разложения токов по продольной и поперечной оси. Но разница состоит в том, что здесь первичным является ток. Составляющая тока по продольной оси создает магнитный поток, вращающийся с заданной частотой φ относительно фаз статора. Меняя частоту вплоть до остановки магнитного потока, можно плавно изменять частоту вращения вала. Меняя ток по поперечной оси q, можно менять момент на валу даже при заторможенном состоянии, чтобы, например, не сломать винт судна в ледовой обстановке при встрече с большой льдиной.

Рис. 11.2. Структура асинхронного двигателя с векторным управлением

Здесь рассмотрена только физика векторного управления, пригодная для практического понимания процессов при указанном управлении на судне при уже готовой установке. Получение расчетных теоретических положений оставлено для изложения в специальных курсах. Процесс совершенствования рассмотренных выше традиционных типов электрических ма­шин продолжается более ста пятидесяти лет. За это время были достигнуты значитель­ные успехи. Однако требования, предъявляемые современными электроме­ханическими устройствами к электрическим машинам, продолжают расти, а резервы повышения их показателей и характеристик только за счет выше пе­речисленных инструментов в определенной степени исчерпаны. В определенном смысле регулируемый электро­привод с традиционными электрическими машинами отражает эволюцион­ный ход развития электромеханики.

Одним из качественно новых электромеханических преобразователей энергии является вентильно-индукторный двигатель (ВИД).

Бурное развитие ВИД началось примерно 30 лет назад. Вместе с тем следует отметить, что сама концепция этой электрической машины была сформулирована еще в конце тридцатых годов XIX века. Первый двигатель был создан Дэвидсоном и использовался на железной дороге Глазго–Эдинбург для приведения в движение локомотива массой несколько тонн. В силу несовершенства элементной базы (в первом ВИД использовался меха­нический коммутатор) массового применения эти электрические машины в то время не нашли и о них забыли более чем на сто лет.

Вторая половина XX века характеризовалась, с одной стороны, стре­мительным развитием силовой и информационной электроники, а с другой — все возрастающими требованиями, предъявляемыми к электрическим машинам, которыми традиционным типам электромеханических преобразователей энер­гии становилось все труднее и труднее удовлетворять. Это создало предпо­сылки и обеспечило техническую базу для разработки и производства ВИД. В настоящее время многие крупнейшие электротехнические компании мира либо уже серийно производят эти электрические машины, либо готовятся к этому.

Несмотря на свою более чем вековую историю, ВИД представляет со­бой относительно новый тип электромеханического преобразователя энер­гии, в теории и практике которого еще много белых пятен. ВИД представляет собой систему, структурная схема которой приведена на рис. 11.3.

Рис. 113. Структурная схема ВИД

В ее состав входят: электромашина (ЭМ), преобразователь час­тоты (ПЧ), система управления (СУ), нагрузка и датчик положения ротора (ДПР). Функциональ­ное назначение этих элементов ВИД очевидно: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ЭМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ЭМ осуществляет электромеханическое преобразо­вание электрической мощности; система управления в соответствии с заложенным в нее алго­ритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.

По своей структуре ВИД ничем не отличается от классической систе­мы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако, в отличие от регулируемого электропривода, например, с асинхронным двигателем, электромашина в ВИД не является само­достаточной. Она принципиально не способна работать без преобразователя частоты и системы управления.

Электромашина, входящая в состав ВИД, может иметь различ­ные конструктивные исполнения. На рис. 11.4, для примера, приведено попе­речное сечение 4-фазной ЭМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигу­рации ЭМ первая цифра указывает число полюсов статора,
вторая — ротора.

Рис. 11.4. Поперечное сечение 4-фазной ЭМ конфигурации 8/6
Анализ рис. 11.4. показывает, что ЭМ имеет следующие конструктивные особенности.

Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру.

Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов ротора.

Сердечники статора и ротора выполняются шихтованными.

Обмотка статора — сосредоточенная катушечная.

Фаза ЭМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора.

Обмотка на роторе ЭМ отсутствует. Такие машины носят название индукторных машин. Отсюда и название «Вентильно-индукторная машина».

В последнее время в мире наблюдается устойчивая тенденция выпол­нения преобразователя частоты и двигателя в системе регулируемого элек­тропривода в одном корпусе. Такое конструктивное исполнение мо­жет быть названо как электропривод интегрального исполнения.

Принцип действия рассмотрим на примере той же машины 8/6 полюсов.

Рис. 43. К пояснению принципа действия ВИД:

а — рассогласованное положение сердечников для фазы А;

б — промежуточ­ное положение сердечников для фазы А;

в — согласованное положение сер­дечников для фазы А

Предположим, что в положении а по сигналу системы управления произойдет коммутация ключей преобразователя частоты и к фазе А будет приложено постоянное напряжение Ua, тогда по катушкам фазы потечет ток Iа, который создаст МДС Fa-. Эта МДС, в свою очередь, возбудит в машине магнитное поле.

В магнитном поле фазы А ротор будет стремиться ориентироваться таким образом, чтобы магнитный поток, пронизывающий его, принял макси­мальное значение. При этом на сердечники статора и ротора будут действо­вать одинаковые по значению и обратные по направлению электромагнитные силы (ЭМС) тяжения. Рассогласованное положение представляет собой точку неустойчиво­го равновесия. Действительно, если под действием какого-либо внешнего воздействия ротор отклонится от рассогласованного положения в том или ином направлении, то равнодействующая азимутальных составляющих ЭМС сердечников уже не будет равна нулю. Следовательно, возникнет вращаю­щий момент, который будет стремиться повернуть ротор в направлении от рассогласованного положения.

Возьмем другое положение ротора, показанное на рис. 11.4б. Здесь фаза А имеет большее потокосцепление и индуктивность, чем в рассогласованном положении, что объясняется меньшей величиной зазора между сердечника­ми. При этом равнодействующая азимутальных составляющих ЭМС сердечни­ков отлична от нуля, и созданный ею электромагнитный момент стремится повернуть ротор ЭМ против часовой стрелки.

Вращение ротора будет продолжаться до тех пор, пока он не займет положение, показанное на рис. 11.4в. Оно называется согласованным положени­ем фазы В.

Согласованным положением сердечников статора и ротора ЭМ для какой-либо фазы называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей ротора, т.е. зубцы фазы располагаются строго напротив полюсов ротора. Это положе­ние характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцеп­ленного с ней магнитного потока, что объясняется минимальной величиной магнитного сопротивления зазора между сердечниками.

В этом положении ЭМС притяжения сердечников имеют только ради­альные составляющие. В силу чего вращающий момент ЭМ в этом положе­нии равен нулю.

Согласованное положение представляет собой точку устойчивого равновесия. Действительно, если под действием какой-либо внешней силы ротор отклонится от согласованного положения в ту или иную сторону, то возникший электромагнитный момент будет стремиться вернуть его в согла­сованное положение.

Для того чтобы продолжить однонаправленное вращение ротора, не­обходимо еще до достижения согласованного положения фазы А осущест- вить коммутацию ключей преобразователя частоты, в результате которой фа­за А должна быть отсоединена от источника питания, а фаза, момент которой стремится продолжить вращение ротора в прежнем направлении, подклю­чена к нему. В данном случае это фаза В.

Взаимное положение сердечников статора и ротора, близкое к согласованному положению для фазы А, является для фазы В близким к рассогла­сованному положению. То есть при подаче на нее напряжения и протекании по ее катушкам тока возникнет отличный от нуля вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор против часовой стрелки.

а б в

Рис. 11.5. Этапы коммутации фаз:
а — этап возбуждения; б — этап начального интенсивного гашения поля, в — этап полного гашения поля.
Жирными линиями выделены контуры протекания тока
при различных состояниях ключей S1 и S2 (точечный пунктир означает, что ключ разомкнут)

Необходимость коммутации фаз еще до достижения согласованного положения сердечников диктуется желанием получить как можно меньшее значение тока в отключаемой фазе при достижении ее согласованного поло­жения. Дело в том, что после отключения фазы магнитное поле не может исчезнуть мгновенно. Работа электрической сети, затраченная на создание поля, должна быть израсходована (отдана обратно в сеть или выделиться в виде тепла). В силу этого в обмотке фазы возникает ЭДС самоиндукции, и ток фазы остается отличным от нуля еще некоторое время после ее коммутации. Он замыкается через встречно включенные диоды D1, D2 преобразователя частоты (учтем известное в электротехнике правило — «диод для обратного тока имеет бесконечную проводимость для обратного тока не более тока текущего в прямом направлении и «внутреннее сопротивление источника ЭДС равно нулю») и питающую сеть (рис. 11.5б). В конеч­ном итоге ток достигнет нулевого значения (работа магнитного поля выде­лится в виде электрических потерь на активных сопротивлениях фазы, встречно включенных диодов, обозначено в совокупности R). Однако если этот ток будет отличен от нуля в согласованном положении фазы, то при дальнейшем вра­щении ротора созданное им магнитное поле приведет к возникновению тормозного электромагнитного момента. Поэтому в конце цикла коммутации открывается ключ S2, и фаза оказывается в замкнутом контуре (рис. 11.5в).

Фаза В будет находиться под напряжением до тех пор, пока ротор не достигнет положения, близкого к согласованному. При достижении этого по­ложения от ДПР в систему управления поступит соответствующий сигнал, обработка которого приведет к выдаче управляющего воздействия на преоб­разователь частоты и переключению фаз В и С. Цикл повторится.

Таким образом, проводя последовательную коммутацию фаз, можно осуществить однонаправленное вращение ротора.

Глава третья основы векторного управления

3.1. Функциональная схема и принцип действия

Системы с векторным управлением

Функциональная схема изображена на рис.3.1. Электрическая энергия из сети переменного тока преобразуется преобразователем частоты ПЧ в энергию переменного тока с регулируемой частотой и поступает к двигателю М.

Вся система находится в неподвижной системе координат. Внешними управляющими воздействиями являются заданное потокосцепление и заданная скорость.

В качестве главной регулируемой переменной у ПЧ может быть напряжение или ток. В первом случае ПЧ работает в режиме регулируемого источника ЭДС, а во втором — в режиме источника тока. В настоящее время наибольшее применение находят преобразователи, работающие в режиме источника ЭДС.

В силовой части ПЧ используют современные полностью управляемые полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме. Они придают системе свои специфические особенности.

Различают системы с инвертором напряжения, с инвертором тока и с непосредственными преобразователями частоты.

Вначале удобно считать ПЧ обобщённым. Под обобщённым преобразователем частоты будем понимать источник синусоидального напряжения, у которого можно регулировать амплитуду, фазу и частоту выходного напряжения.

Информация о состоянии двигателя и ПЧ в виде сигналов обратных связей ип

оступает в функциональный элемент, который будем называть идентификатором переменных состояния ИПС. Функциональное назначение ИПС сводится к идентификации труднодоступных для измерения переменных состояния и параметров объекта регулирования.

ИПС формирует вектор обратных связей поступающих в блок регуляторов БР. Векторпредставляет собой совокупность измеренных и вычисленных переменных, с помощью которых организована замкнутая система.

Блок регуляторов БР по сигналам обратных связей формирует вектор управлениядля ПЧ.

В современном электроприводе все операции связанные с организацией процесса управления выполняются с помощью специализированных микроконтроллеров, а переменные рассматриваются в виде векторов напряжений, токов, потокосцеплений и ЭДС.

В установившемся режиме все вектора занимают определённые положения в пространстве и во времени. Между ними образуются определённые углы. Среди них выбирается один вектор, который считают основным или опорным вектором. Этот вектор совмещают с одной из осей принятой системы координат. Остальные вектора ориентируются относительно опорного вектора в соответствии с принятым законом регулирования. Под законом регулирования обычно понимают условия управления по отношению к одному из потокосцеплений. Известными законами являются: .

Ранее (раздел 1.5) были рассмотрены особенности хорошо известных систем координат. Отклонения от общепринятых понятий может привести к определённой путанице при анализе сущности процессов.

Так, например, в [ ] система координат (х, у) считается неподвижной, а система координат ()-вращающейся.

В [ ] предлагается система координат (). Эта система координат тесно связана с понятием скольжения для асинхронного двигателя

.

В установившемся режиме все вектора вращаются относительно неподвижного статора с постоянной синхронной скоростью . Если принять, что с такой же скоростью вращается и система координат (х, у), то в установившемся режиме вектора всех переменных становятся неподвижными относительно этой системы координат. В переходных процессах каждый из векторов совершает дополнительные колебательные перемещения.

Если вращающеюся систему координат связать с одним из векторов, то это будет система координат . Скорость вращения этой системы координат не постоянна, а является функцией времени [ ]

.

Здесь — угол между системами координат (х, у) и.

Эта система координат в переходных процессах совершает дополнительные колебательные перемещения, и получила название самоориентирующейся системы или системы с колеблющимися координатами. Здесь понятие для скольжения принимает совсем другой физический смысл

.

Далее системой координат будем пользоваться лишь в крайней необходимости.

К одной из первых систем с векторным управлением можно отнести систему Transvektor [5]. В этой системе в качестве опорного вектора выступает вектор магнитного потока через воздушный зазор. Пространственное положение этого вектора контролировалось с помощью специальных датчиков.

В системе происходит автоматическая ориентация одной из осей системы координат с опорным вектором. Такой способ управления стали называть с ориентацией по полю.

В настоящее время стараются использовать косвенный принцип векторного управления, при котором магнитный поток не измеряется, а вычисляется.

При частотном регулировании объектом регулирования является асинхронный двигатель. У него процессы протекают в неподвижной 3-х фазной системе координат. В качестве переменных для создания обратных связей обычно используют напряжение, ток статора и скорость.

Основной выходной переменной у двигателя является скорость. Скорость измеряют датчиком скорости, и полученный сигнал используют в виде обратной связи. Скорость можно и вычислить, такую систему стали называть бездатчиковым электроприводом.

Двигатель имеет определённые параметры. Часть этих параметров используется в процессе вычислений в функциональном блоке ИПС. На стадии пуско-наладочных работ с помощью специальных тестовых программ удаётся вычислить нужные параметры. Это могут быть активные сопротивления фазы статора и ротора или какой-то другой параметр. Уточнение параметров можно организовать и в рабочем режиме. Это будет уже самонастраивающаяся система с параметрической настройкой.

В последних разработках используют прямое цифровое управление. Под этой терминологией понимают процесс управления, при котором все операции управления выполняются программно микроконтроллером. В качестве выходной переменной системы управления выступают управляющие импульсы, поступающие на силовые ключи преобразователя частоты.

Замкнутую систему стараются строить по принципу систем подчинённого регулирования с последовательной коррекцией, используя накопленный опыт в электроприводах постоянного тока.

Систему управления выполняют по 2-х канальному принципу. По одному из каналов регулируют магнитный поток, а по другому каналу регулируют электромагнитный момент и скорость двигателя.

Внешние управляющие сигналы имогут задаваться как в аналоговом, так и в цифровом виде.

В системе управления предусматриваются: ограничения переменных в допустимых пределах, защиты от аварийных режимов, сигнализация о готовности системы к работе и о срабатывании соответствующей защиты.

Принцип действия замкнутой системы сводится к следующему.

Так же как и в электроприводе постоянного тока перед пуском машину возбуждают постоянным током. Для этого на вход блока регуляторов подают сигнал заданного потокосцепления . После достижения потоком заданного уровня подаётся сигнал задания скорости и машина разгоняется. Можно одновременно прикладыватьи. В этом случае в процессе разгона двигатель будет возбуждаться переменным током и одновременно разгоняться.

После достижения заданной скорости вектора всех переменных ориентируются так, чтобы выполнялся принятый закон регулирования.

Если рассматривать процесс управления подробно, то оказывается, что на отдельных участках функциональной схемы процесс управления выполняют в разных системах координат. При переходе от одного участка к другому устанавливают координатные преобразователи.

В АД все процессы протекают в неподвижной системе координат (a,b,c). Расчёт же протекающих процессов можно выполнять в одной из известных систем координат. Выбор методики расчёта зависит от поставленной задачи. Особые трудности возникают при решении задач динамики. Эти задачи удобно решать помощью системы Matlab на компьютере.

Асинхронный двигатель считается одной из простых электрических машин. Сложным является математическое описание протекающих в нём процессов. Иногда чрезмерное увлечение математикой приводит к тому, что теряется физический смысл выполненного математического описания

Исследование системы векторного управления частотно-регулируемым электроприводом переменного тока на виртуальной модели

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 06.01.2018 2018-01-06

Статья просмотрена: 609 раз

Библиографическое описание:

Хидолда, Еркин. Исследование системы векторного управления частотно-регулируемым электроприводом переменного тока на виртуальной модели / Еркин Хидолда, Асылбек Шауалиев, Ерлан Мектеп. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 1 (187). — С. 25-30. — URL: https://moluch.ru/archive/187/47675/ (дата обращения: 07.09.2021).

В настоящее время частотно-регулируемый электропривод переменного тока становится главным типом регулируемого промышленного электропривода, серийно выпускаемого ведущими электротехническими компаниями.

Основным силовым преобразователем энергии такого электропривода являются полупроводниковые преобразователи частоты на полностью управляемых коммутируемых элементах типа силовых транзисторов (IGВT) и запираемых тиристоров (IGCT).

При разработке систем регулирования электроприводом различных производителей развиваются в одном направлении и, если на первом этапе развития (70-е годы прошлого века) использовались, преимущественно, законы частотного управления типа закона М. П. Костенко с коррекцией по напряжению в области низких частот, то на втором этапе (80-е годы) признание получили алгоритмы векторного управления [1].

Управление переходными процессами в машинах переменного тока основывается на необходимости организовать управление по переменным состояния: вектору тока статора i_s, вектору тока ротора i_r, потокосцеплению статора _s, потокосцеплению ротора _r, главному потокосцеплению машины _o = L_m (i_s + i_r). Эти переменные состояния взаимосвязаны перекрестными связями.

Базовым элементом такой системы управления приводом является преобразователь координат (векторный преобразователь). При помощи преобразователя координат осуществляется преобразование сигналов, пропорциональных переменным состояния (i_s, i_r, _r, _s, _o), из системы координат, жестко связанной со статором ( — ) или с ротором (d — q), во вращающуюся систему координат (1–2).

В [2] приведены алгоритмы управления АД, структурные схемы САУ и характеристики частотно-управляемого электропривода с асинхронным двигателем при управлении по вектору главного потокосцепления, по вектору потокосцепления ротора двигателя и по вектору магнитного потокосцепления статора асинхронного двигателя.

В последнее время наблюдается тенденция перехода к бездатчиковым системам с вычислением значений потокосцеплений по модели двигателя в реальном масштабе времени на основе применения быстродействующих вычислительных управляющих устройств.

В этом случае реализация закона _r = const имеет преимущественное значение [3].

Абсолютное скольжение, определяющее частоту тока ротора  = (₁ — ).

В режиме _r = const развиваемый электромагнитный момент не имеет максимума и растет неограниченно с ростом . Однако, при больших величинах скольжения поддержание неизменным _r невозможно из-за роста потокосцепления в воздушном зазоре и неизбежного насыщения машины. При изменении скольжения в пределах 3_ном увеличение _о незначительно и реализация _r = const вполне осуществима.

Имеется три основных способа реализации закона _r = const: скалярный, полярный и векторный.

Алгоритм управления в векторной форме имеет следующий вид:

,

а в полярной форме — следующий вид:

,

 — угол между вектором потокосцепления _r и током i_s:

.

В схеме, реализующей векторный способ управления по абсолютному скольжению, регулирование тока осуществляется по двум каналам, которые соответствуют проекциям вектора на оси вращающейся системы координат, совмещенной с вектором потокосцепления ротора _r. При этом проекция на вещественную ось i_sх может поддерживаться постоянной или регулироваться в зависимости от скорости вращения для организации двухзонного регулирования АД. Проекция на мнимую ось i_sy изменяется пропорционально абсолютному скольжению .

В этом случае отсутствует электромагнитный переходный процесс по потокосцеплению ротора, который вызывает низкочастотные колебания в замкнутом по скорости электроприводе.

Таким образом, выбор закона управления электроприводом переменного тока с поддержанием _r = const можно считать наиболее приемлемым, что использовано в наиболее распространенных системах.

При построении микропроцессорной системы управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты, построенном на модулях с транзисторами IGBT и с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения задание амплитуды U_m и частоты ω_о выходного напряжения предпочтительно осуществлять в виде цифрового сигнала, а не в виде тригонометрических функций.

В связи с этим при моделировании асинхронного электропривода с векторным управлением целесообразнее использовать систему координат, в которой амплитуда и частота напряжения, приложенного к статорным обмоткам, присутствуют в явном виде. Такой системой координат является система координат, вращающаяся с частотой поля статора двигателя _о, то есть система координат (u — v) [4].

Если динамическая модель асинхронного двигателя выполнена в системе координат (u — v), вычисление модуля вектора потокосцепления ротора двигателя осуществляется по формуле:

после чего также определяются мгновенные значения косинуса и синуса угла γ для перевода переменных в систему координат (1–2):

Однако, поскольку обе системы координат и (u — v), и (1–2) вращается в пространстве с одинаковой частотой ω_о, координатное преобразование здесь представляет собой поворот одной системы координат по отношению к другой на некоторый пространственный угол до совмещения оси v с вектором потокосцепления ротора.

Раз обе системы координат неподвижны относительно друг друга, cosγ и sinγ представляют собой числовые значения соответствующих тригонометрических функций. Перевод составляющих вектора тока статора из системы координат (u — v) в систему координат (1–2) осуществляется с помощью уравнений:

Далее строится двухканальная система регулирования, как и в предыдущем случае. Обратное преобразование координат также представляет собой поворот одной системы координат относительно другой на угол γ, но в противоположном направлении.

Канал регулирования потокосцепления ротора двигателя содержит внутренний контур регулирования составляющей тока статора i_s1 с ПИ-регулятором РТ1 и внешний контур регулирования модуля потокосцепления _{r m} с П-регулятором Р. На входе Р действует единичное постоянное задание.

Канал регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя содержит контур регулирования составляющей тока статора i_s2 с ПИ-регулятором РТ2 и контур регулирования скорости  с П-регулятором РС, на входе которого включен задатчик интенсивности (на структурной схеме не показан).

Структурная схема такой динамической модели системы векторного управления представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема модели системы векторного управления в осях (u — v)

Выходные сигналы регуляторов РТ1 и РТ2 пропорциональны составляющим вектора напряжения статора двигателя U_s1 и U_s2. Обратное преобразование координат для перехода из системы координат (1–2) в систему координат (u — v) имеет вид:

Напряжения U_su и U_sv представляют собой амплитудные значения и не содержат гармонических составляющих. Значение амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты определяется следующим образом:

Значение частоты вращения системы координат, то есть частоты выходного напряжения преобразователя частоты, определяется следующим образом:

Таким образом, при реализации системы векторного управления с представлением модели асинхронного двигателя в системе координат (u — v) на выходе системы регулирования амплитуда и частота напряжения преобразователя частоты присутствуют в явном виде. Оптимальным с точки зрения реализации описанных алгоритмов является использование цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), архитектура которых адаптирована для выполнения рекуррентных полиномиальных вычислений.

Решение системы уравнений, описывающих работу частотно­регулируемого привода — весьма трудоемкая задача. Для решения задач подобного рода существуют различные компьютерные технологии, в основе которых лежат пакеты прикладных программ. Наиболее распространенным среди таковых является пакет MATLAB с различными дополнениями, из числа которых Toolbox Simulink, удобный при проведении анализа электромеханических процессов, протекающих в электроприводе.

Основным достоинством этого дополнения является наличие библиотечных моделей, имитирующих практически все элементы, входящие в состав ЭП, в том числе и исполнительные двигатели. Поэтому для решения системы уравнений, моделирующих частотно­регулируемый привод, был выбран программный пакет Matlab Simulink.

Диаграммы электромеханических процессов, протекающих в компьютерной модели частотно­регулируемого ЭП с алгоритмом векторного управления по вектору главного потокосцепления, приведена на рис.2.

На приведенных диаграммах показаны процессы изменения напряжения U_s и тока I_s статора, частоты вращения ω, электромагнитного момента и модуля вектора главного потокосцепления |Ψ₀|, протекающие при пуске и равноускоренном разгоне АД до номинальной частоты вращения (рад/c), набросе и сбросе статического момента нагрузки (Нм), а также при равнозамедленном снижении частоты вращения АД до полной остановки.

Рис.2. Диаграммы электромеханических процессов

На основе полученных характеристик частотного привода можно оценить его энергопотребление в различных режимах работы и сравнить с энергопотреблением классического ступенчато регулируемого привода.

1. Современный частотно-регулируемый электропривод /Горбань Р. Н., Янукович А. Т. — под редакцией Гаврилова А. В. — С-Петербург, СПЭК. 2001.
2. Дартау В. А., Рудаков В. В., Столяров И. М. Асинхронные электроприводы с векторным управлением -–Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1987.
3. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы Analog Devices / CHIP NEWS. № 7–8, 1997.
4. Козярук А. Е., Рудаков В. В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. С.-Петербург, ГГИ(ТУ). -2002.