С целью регулировки угловой скорости вращения ротора, а также крутящего момента на валу современных бесщеточных двигателей, применяют либо векторное, либо скалярное управление электроприводом.
Более всего распространение получило скалярное управление асинхронным двигателем, когда для управления например скоростью вращения вентилятора или насоса, достаточно удерживать постоянной скорость вращения ротора, для этого хватает сигнала обратной связи от датчика давления или от датчика скорости.
Принцип скалярного управления прост: амплитуда питающего напряжения является функцией частоты, причем отношение напряжения к частоте оказывается приблизительно постоянным.
Конкретный вид этой зависимости связан с нагрузкой на валу, однако принцип остается таковым: повышаем частоту, а напряжение при этом пропорционально повышается в зависимости от нагрузочной характеристики данного двигателя.
В итоге магнитный поток в зазоре между ротором и статором поддерживается почти постоянным. Если же отношение напряжения к частоте отклонить от номинального для данного двигателя, то двигатель либо перевозбудится, либо недовозбудится, что приведет к потерям в двигателе и к сбоям в рабочем процессе.
Таким образом скалярное управление позволяет добиться почти постоянного момента на валу в рабочем диапазоне частот независимо от частоты, однако на низких скоростях момент все же снижается (чтобы этого не произошло, необходимо повысить отношение напряжения к частоте), поэтому для каждого двигателя имеет место строго определенный рабочий диапазон скалярного управления.
Кроме того, невозможно построить систему скалярного регулирования скорости без датчика скорости, установленного на валу, ибо нагрузка сильно влияет на отставание реальной скорости вращения ротора от частоты питающего напряжения. Но даже с датчиком скорости при скалярном управлении не получится с высокой точностью регулировать момент (по крайней мере так, чтобы это было экономически целесообразно).
В этом и заключаются недостатки скалярного управления, объясняющие относительную немногочисленность сфер его применения, ограниченных в основном обычными асинхронными двигателями, где зависимость скольжения от нагрузки не является критичной.
Для избавления от названных недостатков, в далеком 1971 году инженеры компании Сименс предложили использовать векторное управление двигателем, при котором контроль осуществляется с обратной связью по величине магнитного потока. Первые системы векторного управления содержали датчики потока в двигателях.
Сегодня подход к данному методу несколько иной: математическая модель двигателя позволяет рассчитывать скорость вращения ротора и момент на валу в зависимости от текущих токов фаз (от частоты и величин токов в обмотках статора).
Этот более прогрессивный подход предоставляет возможность независимо и почти безынерционно регулировать как момент на валу, так и скорость вращения вала под нагрузкой, ибо в процессе управления учитываются еще и фазы токов.
Некоторые более точные системы векторного управления оснащены схемами обратной связи по скорости, при этом системы управления без датчиков скорости именуются бездатчиковыми.
Так, в зависимости от области применения того или иного электропривода, его система векторного управления будет иметь свои особенности, свою степень точности регулировки.
Когда требования к точности регулировки скорости допускают отклонение до 1,5%, а диапазон регулировки - не превышает 1 к 100, то бездатчиковая система вполне подойдет. Если же требуется точность регулировки скорости с отклонением не более 0,2%, а диапазон сводится до 1 к 10000, то необходимо наличие обратной связи по датчику скорости на валу. Наличие датчика скорости в системах векторного управления позволяет точно регулировать момент даже при низких частотах до 1 Гц.
Итак, векторное управление дает следующие преимущества. Высокую точность управления скоростью вращения ротора (и без датчика скорости на нем) даже в условиях динамически изменяющейся нагрузки на валу, при этом рывков не будет. Плавное и ровное вращение вала на малых скоростях. Высокий КПД в силу низких потерь в условиях оптимальных характеристик напряжения питания.
Не обходится векторное управление без недостатков. Сложность вычислительных операций. Необходимость задавать исходные данные (параметры регулируемого привода).
Для группового электропривода векторное управление принципиально не годится, здесь лучше подойдет скалярное.
Всякое изменение или поддержание постоянной скорости электропривода обеспечивает целенаправленное регулирование момента, развиваемого двигателем. Момент формируется в результате взаимодействия потока (потокосцепления), создаваемого одной частью двигателя с током в другой части и определяется векторным произведением этих двух пространственных моментообразующих векторов. Поэтому величину развиваемого двигателем момента определяют модули каждого вектора и пространственный угол между ними.
При построении систем скалярного управления контролировались и регулировались только численные значения (модули) моментообразующих векторов, но не контролировалось их пространственное положение. Принцип векторного управления заключается в том, что система управления контролирует численное значение и положение в пространстве друг относительно друга моментообразующих векторов. Отсюда задача векторного управления состоит в определении и принудительном установлении мгновенных значений токов в обмотках двигателя таким образом, чтобы обобщенные векторы токов и потокосцеплений занимали в пространстве положение, обеспечивающее создание требуемого электромагнитного момента .
Электромагнитный момент, создаваемый двигателем:
где м - конструктивный коэффициент; , 2 - пространственные
векторы токов или потокосцеплений, образующие момент; X - пространственный угол между моментообразующими векторами.
Как следует из (6.53), минимальные значения токов (потокосцеплений), образующих момент, будут для требуемого значения момента, если векторы х и 2 перпендикулярны друг другу, т.е. Х = °.
В системах векторного управления нет необходимости определять абсолютное пространственное положение векторов, и 2 по отношению к осям статора или ротора. Нужно определить положение одного вектора относительно другого. Поэтому один из векторов принимают за базовый, а положение другого контролирует угол X.
Исходя из этого, при построении систем векторного управления целесообразно исходить из математического описания электромагнитных и электромеханических процессов, выраженных в координатах, привязанных к базовому вектору (координаты и- v). Такое математическое описание приведено в § 1.6.
Если принять за базовый вектор и направить ось координат и по этому вектору, то, исходя из (1.46), получим следующую систему уравнений:
В этих уравнениях? v = , так как вектор совпадает с осью координат и.
На рис. 6.31 представлена векторная диаграмма токов и потоко- сцеплений в осях и - v ^ориентацией координаты и по вектору по- токсцепления ротора. Из векторной диаграммы следует, что
Рис. Б.31. Векторная диаграмма потокосцеплений и токов в осях u-v при М
При постоянстве (или медленном изменении) потокосцепления ротора d"V u /dt= в результате чего i и = и Г = yji u +i v = i v
При этом вектор тока ротора Г перпендикулярен потокосцеп- лению ротора. Поскольку поток рассеяния ротора 0 существенно меньше потока в зазоре машины Ч, т то при постоянстве потокосцепления ротора можно считать, что проекция вектора тока статора на ось координат v i v равна |/"| или /
Достоинством принятой системы координат u-v для построения системы векторного регулирования момента и скорости асинхронного двигателя является то, что момент двигателя (6.54) определяется как скалярное произведение двух взаимоперпендикуляр- ных векторов: потокосцепления ротора *Р и активной составляющей тока статора Такое определение момента, характерное, например, для двигателей постоянного тока независимого возбуждения, наиболее удобно для построения системы автоматического регулирования.
Система векторного управления. Структурная схема такого управления строится, исходя из следующих принципов:
- ? двухканальная система регулирования состоит из канала стабилизации потокосцепления ротора и канала регулирования скорости (момента);
- ? оба канала должны быть независимы, т.е. изменение регулируемых величин одного канала не должно влиять на другой;
- ? канал регулирования скорости (момента) управляет составляющей тока статора / v . Алгоритм работы контура регулирования момента как и в системах подчиненного регулирования скорости двигателей постоянного тока (см. § 5.6) - выходной сигнал регулятора скорости является заданием на момент двигателя. Разделив значение этого задания на модуль потокосцепления ротора и получим задание на составляющую тока статора i v (рис. 6.32);
- ? каждый канал содержит внутренний контур токов / v и i и с регуляторами токов, обеспечивающими необходимое качество регулирования;
- ? полученные значения токов i v и i и посредством координатных преобразований переводятся в значения i а и / р двухфазной неподвижной системы координат а - (3 и затем в задание реальных токов в обмотках статора в системе трехфазных координат а-Ь-с;
- ? необходимые для вычислений и формирования обратных связей сигналы скорости, угла поворота ротора, токов в обмотках статора измеряются соответствующими датчиками и затем с помощью обратных координатных преобразований переводятся в значения этих величин, соответствующих координатным осям u-v.
Рис.
Такая система регулирования обеспечивает быстродействующее регулирование момента, а, следовательно, и скорости в максимально широком диапазоне (свыше 10 000:1). При этом мгновенные значения момента асинхронного двигателя могут значительно превосходить паспортное значение критического момента.
Для того, чтобы сделать каналы регулирования независимыми друг от друга нужно ввести на вход каждого канала перекрестные компенсирующие сигналы е К0МПУ и е компм (см. рис. 6.32). Значение этих сигналов найдем из уравнений цепи статора (6.54). Выразив и ЧК 1у через соответствующие токи и индуктивности (1.4) и учитывая, что при ориентации оси и вдоль вектора потокосцепления ротора Ч / |у =0 получим:
Откуда находим
где коэффициент рассеяния.
Подставив (6.55) в (6.54) и учитывая, что в рассматриваемой системе регулирования d x V 2u /dt = 0, получим
или
ные постоянные времени; е и и e v - ЭДС вращения по осям u - v
Для задания независимых величин i и и / v необходимо компенсировать е и и e v введением компенсирующих напряжений:
Для реализации принципов векторного управления необходимо прямое измерение или расчет по математической модели (оценки) модуля и углового положения вектора потокосцепления ротора. Функциональная схема векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потока в воздушном зазоре машины с помощью датчиков Холла представлена на рис. 6.33 .
Рис. Б.ЗЗ. Функциональная схема прямого векторного управления асинхронным двигателем
Схема содержит два канала регулирования: канал регулирования (стабилизации) потокосцепления ротора *Р 2 и канал регулирования скорости. Первый канал содержит внешний контур потокосцепления ротора, содержащий ПИ-регулятор потокосцепления РП и обратную связь по потокосцеплению, сигнал которой формируется с помощью датчиков Холла, измеряющих поток в зазоре машины х? т по осям аи(3. Реальные значения потока затем пересчитываются в блоке ПП в значения потокосцепления ротора по осям а и р и с помощью вектор-фильтра ВФ находят модуль вектора потокосцепления ротора, который подается как сигнал отрицательной обратной связи на регулятор потокосцепления РП и используется в качестве делителя в канале регулирования скорости.
В первом канале контуру потокосцепления подчинен внутренний контур тока i и, содержащий ПИ-регулятор тока РТ1 и обратную связь по действительному значению тока / 1и, вычисляемому по реальным значениям токов фаз статора с помощью преобразователя фаз ПФ2 и координатного преобразователя КП1. Выходом регулятора тока РТ1 является задание напряжения U lu , к которому прибавляется сигнал компенсации второго канала е кшпи (6.57). Полученный сигнал задания напряжения преобразуют посредством координатного КП2 и фазного ПФ2 преобразователей в заданные значения и фазы напряжений на выходе преобразователя частоты.
Канал регулирования потокосцепления ротора обеспечивает поддержание постоянства потокосцепления Ч* 2 во всех режимах работы привода на уровне заданного значения х Р 2зад. При необходимости ослабления поля Ч*^ может изменяться в некоторых пределах с небольшим темпом изменения.
Второй канал предназначен для регулирования скорости (момента) двигателя. Он содержит внешний контур скорости и подчиненный ему внутренний контур тока / 1у. Задание на скорость поступает от задатчика интенсивности ЗИ, определяющего ускорение и требуемое значение скорости. Обратная связь по скорости реализуется посредством датчика скорости ДС или датчика углового положения ротора.
Регулятор скорости PC принимается пропорциональным или пропорционально-интегральным в зависимости от требований к электроприводу. Выходом регулятора скорости является задание на момент, развиваемый двигателем Л/ зад. Поскольку момент равен произведению тока, на потокосцепление ротора Ч / 2 , то, разделив в блоке деления БД значение задания момента М зад на Ч / 2 , получим значение задания тока, которая подается на вход регулятора тока РТ2. Дальнейшая обработка сигналов аналогична первому каналу. В результате получаем задание на напряжение питания двигателя по фазам, определяющее значение и пространственное положение в каждый момент времени обобщенного вектора напряжения статора!? Отметим, что сигналы, относящиеся к переменным в координатах - , являются сигналами постоянного тока, а сигналы, отражающие токи и напряжения в координатах аир, являются сигналами переменного тока, определяющими не только модуль, но частоту и фазу соответствующего напряжения и тока.
Рассмотренная система векторного управления реализуется в настоящее время в цифровом виде на базе микропроцессоров. Разработаны и широко используются различные структурные схемы векторного управления, отличные в деталях от рассматриваемой. Так, в настоящее время действительные значения потокосцеплений не измеряют датчиками магнитного потока, а рассчитывают по математической модели двигателя, исходя из замеренных фазных токов и напряжений.
В целом векторное управление можно оценить как наиболее эффективный способ управления двигателями переменного тока, обеспечивающий высокую точность и быстродействие управления.
Наиболее известный метод экономии энергии – сокращение частоты вращения электродвигателя переменного тока. Поскольку мощность пропорциональна кубу скорости вращения вала, то небольшое снижение скорости может привести к значительной экономии электричества. Насколько это актуально для производства, понимает каждый. Но как этого достичь? На этот и другие вопросы мы ответим, но прежде, поговорим о видах управления асинхронными двигателями.
Электрический привод переменного тока – это электромеханическая система, которая служит основой большинству технологических процессов. Важная роль в ней принадлежит преобразователю частоты (ПЧ), отвечающему заглавную «игру главной скрипки дуэта»–асинхронного двигателя (АД).
Немного элементарной физики
Со школьной скамьи мы имеем ясное представление о том, что напряжение – это разность потенциалов между двумя точками, а частота – это величина, равная количеству периодов, которые ток успевает пройти буквально за секунду.
В рамках технологического процесса часто приходится изменять рабочие параметры сети. Для этой цели существуют преобразователи частоты: скалярный и векторный. Почему их так называют? Начнём с того, что особенные черты каждого типа становятся понятными из их названия. Вспомним основы элементарной физики и позволим себе называть ПЧ для упрощения короче. «Векторник» имеет определённое направление и подчиняется правилам векторов. «Скалярник» ничего этого не имеет, поэтому алгоритм метода управления им, естественно, очень простой. С названиями, кажется, определились. Теперь о том, как различные физические величины из математических формул связаны между собой.
Помните, что как только скорость уменьшается, вращающий момент увеличивается и наоборот? Значит, чем больше вращение ротора, тем больший поток пойдет через статор, и, следовательно,будет наводиться большее напряжение.
Тоже самое лежит в принципе действия в рассматриваемых нами системах, только в«скалярнике» управляется магнитное поле статора, а в «векторнике»играет роль взаимодействие магнитных полей статора и ротора.В последнем случае технология позволяет улучшать технические параметры работы двигательной установки.
Технические различия преобразователей
Отличий существует много, выделим самые основные, и без научной паутины слов. У скалярного (бездатчикового) частотника зависимость U/F – линейная и диапазон скоростного регулирования довольно небольшой. Кстати сказать, поэтому на низких частотах недостаёт напряжения для поддержания крутящего момента, и приходится порой настраивать вольт-частотную характеристику (ВЧХ) под рабочие условия, то же самое происходит при максимальной частоте выше 50 Гц.
При вращении вала в широком скоростном и низкочастотном диапазоне, а также выполнении требований авторегулирования момента, используют метод векторного управления с обратной связью. В этом проявляется еще одно различие: у «скалярника» обычно такой обратной связи нет.
Какие же выбрать ЧП? В применении того или другого устройства, главным образом, руководствуются сферой использования электрического привода. Однако в особых случаях выбор типа преобразователя частоты становится безвариантным. Во-первых: есть явная, заметная разница в цене (скалярные стоят намного дешевле, нет надобности в дорогостоящих вычислительных ядрах). Поэтому удешевление производства порой перевешивает в принятии решения по выбору. Во-вторых: есть сферы применения, в которых возможно только их использование, к примеру, в конвейерных линиях, где несколько электродвигателей синхронно управляются от одного (ЧРП).
Скалярный метод
Асинхронный электропривод со скалярным управлением скоростью (т. е. по ВЧХ) так и остаётся по сегодняшнее время самым распространенным. В основе метода лежит то, что скорость двигателя является функцией выходной частоты.
Скалярное управление двигателями – оптимальный выбор для случаев, когда нет переменной нагрузки, и в хорошей динамике нет также потребности. Для работы «скалярника» не требуются какие-либо датчики. При использовании рассматриваемого метода, нет необходимости в дорогостоящем цифровом процессоре, как в случае с векторным управлением.
Метод часто применяется для автоуправления , вентиляторными, компрессорными и иными агрегатами.Здесь требуется, чтобы поддерживалась или скорость вращения вала движка с применением датчика, или иной заданный показатель (к примеру, температура жидкости, контролируемая по соответствующему прибору слежения).
При скалярном управлении частотно-амплитудное изменение напряжения питания определяется по формуле U/fn = const. Это позволяет обеспечить постоянный магнитный поток в двигателе. Способ достаточно простой, легко реализуется, но не без некоторых существенных недостатков:
- не представляется возможным одновременное регулирование моментом и скоростью, поэтому выбирается та величина, которая с технологической точки зрения самая значимая;
- узкий диапазон скоростного регулирования и низкий момент на малых скоростях;
- плохая работа с динамически изменяющейся нагрузкой.
А что собой представляет векторный метод?
Векторный метод
Он возник в процессе усовершенствования, и применяется при требовании реализовать максимальное быстродействие, регулирование в широком скоростном диапазоне и управляемость момента на валу.
В новейших моделях электрических приводов в систему управления (СУ) по этому типу внедряется математическая модель двигателя, которая способна рассчитать момент движка и скорость вращения вала. При этом требуется лишь установка датчиков тока фаз статора.
Сегодня обладают достаточным числом достоинств:
- высокая точность;
- без рывков, плавное вращение АД;
- широкий диапазон регулирования;
- быстрое реагирование на изменение нагрузки;
- обеспечение рабочего режима двигателя, при коем уменьшаются потери на нагрев и намагничивание, а это ведёт к заветному увеличению КПД!
Плюсы, безусловно, очевидны, но метод векторного управления не лишён и недостатков, таких, как вычислительная многосложность и потребность в знании технических показателей АД. Помимо этого, наблюдаются большие, чем у «скалярника», амплитуды скоростных колебаний при постоянной нагрузке. Главная задача при изготовлении частотного преобразователя(«векторника») – обеспечение высокого момента при небольшой скорости вращения.
Схема векторного СУ с блоком широтно-импульсной модуляции (АИН ШИМ) выглядит примерно так:
На изображённой схеме контролируемым объектом является асинхронный двигатель, имеющий связь с датчиком (ДС) на валу. Изображённые блоки – это в действительности звенья цепи СУ, реализуемой на контроллере. Блок БЗП задаёт значения переменных. Логические блоки (БРП) и (БВП) регулируют и вычисляют переменные уравнения. Сам контроллер и другая механическая часть системы находится в электрическом шкафу.
Вариант с частотным микроконтроллером
Частотный преобразователь тока/напряжения предназначен для плавного регулирования основных величин, а также других показателей работы оборудования. Он функционирует как «скалярник» и «векторник» одновременно, используя математические модели, запрограммированные во встроенном микроконтроллере. Последний монтируется в специальный щиток и является одним из узлов информационной сети системы автоматизации.
Блочный контроллер/преобразователь частоты последнее слово техники, в схеме с ними используют дросселя и , уменьшающие интенсивность входных помех. Надо отметить, что за рубежом данному вопросу уделяется особое внимание.В отечественной же практике использование ЕМС фильтров пока остаётся слабым звеном, так как даже не существует толковой нормативной базы. Сами фильтры у нас применяются чаще там, где они не нужны, и где они действительно необходимы, про них почему-то забывают.
Заключение
Дело в том, что электродвигателю в обычном режиме работы от сети свойственно иметь стандартные параметры, это не всегда приемлемо. Устраняется сей факт путём ввода различных редукторных механизмов для снижения частоты до необходимой. На сегодня сформировались две СУ: бездатчиковая и датчиковая система с обратной связью. Их основное отличие в точности контроля. Наиболее точная, конечно, вторая.
Существующие рамки расширяются с помощью использования разных современных СУ АД, обеспечивающих повышенное качество регулирования, высокую перегрузочную способность. Для рентабельного производства, продолжительности срока службы оборудования и экономичного расхода энергии эти факторы имеют большое значение.
Для осуществления возможности регулирования момента и скорости в современных электроприводах используются следующие методы частотного управления, такие как:
- Векторное;
- Скалярное.
Наибольшее распространение получили асинхронные электроприводы со скалярным управлением. Его используют в приводах компрессоров, вентиляторов, насосов и прочих механизмов в которых необходимо удерживать на определенном уровне или скорость вращения вала электродвигателя (применяется датчик скорости), либо какого-то технологического параметра (к примеру, давление в трубопроводе, с применением соответствующего датчика).
Принцип действия скалярного управления асинхронным двигателем - амплитуда и частота питающего напряжения изменяются по закону U/f^n = const, где n>=1. То, как будет выглядеть данная зависимость в конкретном случае, зависит от требований предъявляемых нагрузкой электроприводу. Как правило, в качестве независимого воздействия выступает частота, а напряжение при определенной частоте определяется видом механической характеристики, а также значениями критического и пускового моментов. Благодаря скалярному управлению обеспечивается постоянная перегрузочная способность асинхронного двигателя, независящая от частоты напряжения, и все же при довольно низких частотах может произойти значительное снижение момента, развиваемого двигателем. Максимальное значение диапазона скалярного управления, при котором возможно осуществление регулирования значения скорости вращения ротора электродвигателя, без потери момента сопротивления не превышает 1:10.
Скалярное управление асинхронным двигателем довольно просто реализуется, но все же имеются два значительных недостатка. Во-первых, если на валу не установлен датчик скорости, то невозможно осуществлять регулирование значения скорости вращения вала, поскольку она зависит от воздействующей на электропривод нагрузки. Установка датчика скорости с легкостью решает данную проблему, но еще одним значительным недостатком остается – отсутствие возможности регулирования значения момента на валу двигателя. Можно конечно установить датчик момента, но стоимость подобных датчиков, как правило, превышает стоимость самого электропривода. Причем, даже если установить датчик управления моментом, то процесс управления этим самым моментом окажется невероятно инерционным. Еще одно «но» - скалярное управление асинхронным двигателем характеризуется тем, что невозможно осуществление одновременного регулирования скорости и момента, поэтому приходится осуществлять регулирование той величины, которая в данный момент времени наиболее важна в силу условий технологического процесса.
Дабы устранить недостатки, которыми обладает скалярное управление двигателем, еще в 71-м году прошлого века компанией SIEMENS было предложено внедрение метода векторного управления двигателем. В первых электроприводах с векторным управлением использовались двигатели, в которых были встроены датчики потока, что значительно ограничивало область применения подобных приводов.
Система управления современных электроприводов содержит в себе математическую модель двигателя, позволяющую рассчитать скорость вращения и момент вала. Причем в качестве необходимых датчиков устанавливаются только датчики тока фаз статора двигателя. Специально разработанная структура системы управления обеспечивает независимость и практически безынерционность регулирования основных параметров – момент вала и скорость вращения вала.
К сегодняшнему дню сформировались следующие системы векторного управления асинхронным двигателем:
- Бездатчиковые – на валу двигателя отсутствует датчик скорости,
- Системы, имеющие обратную связь по скорости.
Применение методов векторного управления зависит от области применения электропривода. Если диапазон измерения значения скорости не превышает 1:100, а требования, предъявляемые к точности, колеблются в пределах ±1,5%, то используется бездатчиковая система управления. Если измерение скорости осуществляется в пределах достигающих значений 1: 10000 и больше, а уровень точности должен быть довольно высоким (±0,2% при частоте вращения ниже 1 Гц), или же необходимо позиционировать вал или осуществлять регулирование момента на валу при низких частотах вращения, то применяется система, имеющая обратную связь по скорости.
Преимущества векторного метода управления асинхронным двигателем:
- Высокий уровень точности при регулировании скорости вращения вала, несмотря даже на возможное отсутствие датчика скорости,
- Осуществление вращения двигателя на малых частотах происходит без рывков, плавно,
- Если установлен датчик скорости, то можно достичь номинального значения момента на валу даже при нулевом значении скорости,
- Быстрое реагирование на возможное изменение нагрузки – резкие скачки нагрузки практически не отражаются на скорости электропривода,
- Высокий уровень КПД двигателя, за счет сниженных потерь из-за намагничивания и нагрева.
Несмотря на очевидные преимущества, метод векторного управления имеет и определенные недостатки – большая сложность вычислений, для работы необходимо знание параметров двигателя. Помимо всего прочего колебания значения скорости при постоянной нагрузке значительно больше, нежели при скалярном методе управления. Кстати, существуют такие сферы, где используются электроприводы исключительно со скалярным методом управления. К примеру, групповой электропривод, в котором один преобразователь подпитывает несколько двигателей.
1При проектировании частотного регулирования электропривода возникает необходимость построения адекватных моделей, в полной мере учитывающих специфику протекающих электромеханических процессов в двигателе. Для апробации моделей необходимо сравнение с физически реализуемым процессом на реальном оборудовании, в связи с этим возникает необходимость определения параметров реальных электродвигателей для проверки модели на адекватность. В статье описана математическая модель векторного управления асинхронным электродвигателем. Модель позволяет отслеживать электромеханические процессы в электродвигателе при его работе. Получены графики механических и электрических переходных процессов, характеризующих пуск электродвигателя. Построена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, наглядно показывающая увеличение нагрузочного диапазона. Произведена оценка адекватности модели. Математические эксперименты и создание модели выполнены в графической среде имитационного моделирования Simulink – приложении к пакету Matlab.
инвертор
математическая модель
механическая характеристика
векторное управление
асинхронный двигатель
1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 297 с.
2. Лиходедов А.Д. Построение механической характеристики асинхронного двигателя и её апробация // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. – URL: http://www..09.2012).
3. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла. – СПб., 2002.
4. Шувалов Г.А. Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2012. – № 2.
5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (in German), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.
6. PLC – это просто!! Векторное управление. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (дата обращения: 12.09.2012).
Развитие асинхронного электропривода с векторным управлением
Принято различать два основных способа управления электроприводами переменного тока, использующими в качестве преобразователей энергии по-лупроводниковые преобразователи частоты: частотное и векторное.
При частотном управлении в ЭП реализуется один из статических за-конов частотного управления (например, , и т.д.). На выходе системы управления формируется задание по частоте и ам-плитуде выходного напряжения ПЧ. Область применения таких систем: асинхронный электропривод, к кото-рому не предъявляется повышенных статических и динамических требований, вентиляторы, насосы и прочие общепромыш-ленные механизмы.
При векторном управлении управление осуществляется по мгновен-ным значениям переменных. В цифровых векторных системах может выпол-няться управление по эквивалентным (усредненным на интервале дискретно-сти управления) переменным .
В 1971 году Блашке предложил принцип построения системы управления асинхронным двигателем , в котором использовалась векторная модель АД с ориентацией системы координат по потокосцеплению ротора. Этот принцип называется также прямым управлением моментом . Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.
Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».
Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.
Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно-регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи по скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов .
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). 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. Так, например, частотный преобразователь обеспечивает точность поддержания скорости вращения ±2-3% в режиме U/f, при векторном управлении без датчика скорости ±0,2%, при полном векторном управлении с датчиком скорости обеспечивается точность ±0,01% .
Общий принцип векторного управления АД
В дальнейшем мы будем использовать следующие индексы систем координат: a-b - неподвижная система координат (), ориентированная по оси фазы a обмотки статора; x-y - система координат, вращающаяся синхронно с ротором () и ориентированная по оси фазы a его обмотки; d-q - система координат, вращающаяся синхронно с потокосцеплением ротора () и ориентированная по его направлению; m-n - произвольно ориентированная система координат, вращающаяся с произвольной скоростью .
Общий принцип моделирования и построения системы управления АД заключается в том, что для этого используется система координат, постоянно ориентированная по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Тогда проекция этого вектора на другую ось координат и соответствующее ей слагаемое в выражении для электромагнитного момента будут равны нулю, и формально оно принимает вид, идентичный выражению для электромагнитного момента двигателя постоянного тока, который пропорционален по величине току якоря и основному магнитному потоку.
В случае ориентации системы координат по потокосцеплению ротора (
) момент можно представить как:
, (1)
где - индуктивность рассеяния цепи ротора, - индуктивность цепи намагничивания, - число пар полюсов, - проекции токов статора на оси системы координат .
По данному выражению можно при условии постоянства потокосцепления ротора управлять электромагнитным моментом, изменяя проекции тока статора на поперечную ось . Выбор уравнения для построения системы управления играет большую роль, т.к. многие величины, в особенности у короткозамкнутых АД, не могут быть измерены. Кроме того, этот выбор существенно влияет на сложность передаточных функций системы, иногда в несколько раз увеличивая порядок уравнений.
Для построения системы векторного управления АД нужно выбрать вектор, относительно которого будет ориентирована система координат, и соответствующее выражение для электромагнитного момента, а затем определить входящие в него величины из уравнений для цепи статора и/или ротора (2) :
, (2, а)
, (2, б)
где - напряжение обмоток статора в векторной форме; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; составляющие ,связаны с изменением потокосцепления во времени вследствие изменения во времени токов и называются ЭДС трансформации, по аналогии с процессами ее возбуждения в соответствующей электрической машине; составляющие , - связаны с изменением потокосцепления вследствие вращения ротора и называются ЭДС вращения.
Если в качестве опорного вектора выбрать потокосцепление ротора и ориентировать по нему координатную систему так, чтобы ее вещественная ось совпадала с направлением , то угловая частота вращения системы координат будет равна угловой частоте питания статора , т.к. векторы потокосцеплений статора и ротора вращаются с одинаковой частотой. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД.
При этом проекции вектора тока статора с учетом того, что , равны:
(3)
где - электромагнитная постоянная времени ротора.
Выразим потокосцепление и угловую частоту ротора:
(4)
Таким образом, с помощью проекции тока статора можно управлять потокосцеплением ротора, и передаточная функция этого канала соответствует апериодическому звену с постоянной времени, равной постоянной времени ротора; а с помощью проекции можно независимо и безынерционно управлять частотой ротора .
При этом электромагнитный момент АД можно определить, зная частоту токов ротора при заданном потокосцеплении:
, (5)
Выражения - определяют связь между проекциями тока статора на оси координат, потокосцеплением, частотой ротора и электромагнитным моментом АД. Из выражения и уравнения движения следует, что управление моментом может осуществляться безынерционно двумя входными сигналами: потокосцеплением и частотой ротора. Эти сигналы связаны с проекциями вектора тока статора выражениями . Поэтому устройство векторного управления содержит блок развязки координат (РК), осуществляющий преобразования в соответствии с выражениями (3), а также ротатор, вращающий вектор тока статора в направлении, противоположном вращению ротора АД. Входными сигналами для устройства управления будут линейное напряжение сети и частота питающего напряжения, соответствующие потокосцеплению и частоте ротора. Название блока развязки координат происходит от выполняемой им функции формирования сигналов, соответствующих независимым (развязанным, разделённым) проекциям вектора тока статора (рисунок 1).
Рис. 1. Структурная схема блока развязки координат.
Из выражения для электромагнитного момента (5) и общего уравнения движения можно получить передаточную функцию АД по каналу управления частотой ротора:
где - механическая постоянная времени. Эта передаточная функция полностью соответствует двигателю постоянного тока, поэтому построение систем электропривода с векторным управлением АД ничем не отличается от приводов постоянного тока.
Следует отметить, что устройство управления может выполнять свои функции только при условии, что параметры АД, входящие в передаточные функции его звеньев, соответствуют истинным значениям, в противном случае потокосцепление и частота ротора в АД и в устройстве управления будут отличаться друг от друга. Это обстоятельство создает значительные трудности при реализации систем векторного управления на практике, т.к. параметры АД изменяются в процессе работы. В особенности это относится к значениям активных сопротивлений .
Математическое описание координатных преобразований
Если вектор тока представлен в неподвижной системе координат (a, b), то переход к новой системе координат (x,y), развернутой относительно исходной на некоторый угол (рисунок 2а), осуществляется из следующего соотношения аргументов комплексных чисел:
Или 
(7)
Рис. 2. Обобщенный вектор тока в различных системах координат.
Для системы координат, вращающейся с постоянной угловой частотой , угол равен .
Преобразование координат можно записать в развернутом виде следующим образом:
Отсюда можно найти составляющие вектора и в матричной форме:
, (9)
где , - мгновенные значения токов соответствующих обмоток.
Необходимым элементом системы векторного управления АД является ротатор, осуществляющий преобразование координат векторов в соответствии с выражением (9) .
Для преобразования переменных из системы координат (d,q) в систему координат (a, b) воспользуемся следующими уравнениями:
где γ - угол полеориентирования. Структурная схема ротатора изображена на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема ротатора.
Математическая модель АД
Асинхронный двигатель смоделирован в системе координат - α, β. Уравнения, соответствующие этой системе координат, описываются системой уравнений:
(11)
где: , , , - составляющие векторов потокосцепления статора и ротора в системах координат ; , - составляющие вектора напряжения статора в системах координат ; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; - полные индуктивности обмоток статора и ротора (17),(18);- коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора (12),(13); p - число пар полюсов; - механическая скорость ротора; J - момент инерции ротора двигателя; - момент сопротивления на валу двигателя.
Значения полных индуктивностей обмоток и коэффициентов электромагнитной связи статора и ротора вычисляются по формулам:
где:- индуктивности рассеяния; - индуктивность цепи намагничивания,
где: - индуктивное сопротивление рассеяния обмоток статора и ротора; - индуктивное сопротивление цепи намагничивания; f - частота напряжения, подводимого к статору.
При решении системы дифференциальных уравнений в координатах (11) можно получить динамическую механическую характеристику и временные характеристики переменных состояния (например, момента и скорости), которые дают представление о процессах, протекающих в двигателе. Составляющие напряжения, подводимого к статорной обмотке двигателя, вычисляются по формуле:
(19)
где U - действующее значение напряжения, подводимого к статору.
Решение уравнений сводится к интегрированию левой и правой частей каждого дифференциального уравнения системы:
(20)
Токовременные зависимости вычисляются по уравнениям:
(21)
Паспортные данные АД ДМТ f 011-6у1 приведены в статье .
На рисунке 4 изображена модель АД, управляемого током статора, в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора.
Рис. 4. Модель векторного управления АД в среде Simulink:
АД - асинхронный двигатель;
УУ - устройство управления, включающее: РК - блок развязки координат, Р - ротатор;
Н - нагрузка, учитывающая также сопротивление подшипников.
Модель векторного управления АД позволяет отслеживать электромагнитные процессы, происходящие в асинхронном двигателе при его работе.
На следующем графике (рисунок 5) изображена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, полученная модельным путем, в сравнении с механической характеристикой электродвигателя без регулятора, полученной при натурном эксперименте .
Рис. 5. Сравнение механических характеристик.
Как можно видеть по графику, при векторном управлении механическая характеристика асинхронного двигателя приобретает жёсткость, вследствие чего расширяется перегрузочный диапазон. Значения характеристик в диапазоне от 0 до 153 Н·м расходятся незначительно, погрешность составляет лишь 1,11%, следовательно, полученная математическая модель адекватно отражает работу реального двигателя и её можно использовать для проведения экспериментов в инженерной практике.
Заключение
Применение векторного управления позволяет посредством изменения амплитуды и фазы питающего напряжения напрямую управлять электромагнитным моментом электродвигателя. 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 имеются системы координат, связанные со статором, ротором и полем. Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели регулируемого электродвигателя.
Механические характеристики, полученные при работе описанной модели, подтверждают теоретические сведения о векторном управлении. Модель адекватна и может применяться для дальнейших экспериментов.
Рецензенты:
Швецов Владимир Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры РЭС КамчатГТУ, г. Петропавловск-Камчатский.
Потапов Вадим Вадимович, д.т.н., профессор филиала ДВФУ, г. Петропавловск-Камчатский.
Библиографическая ссылка
Лиходедов А.Д., Портнягин Н.Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Загрузка...