Векторное регулирование асинхронного электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 62-503.5

ВЕКТОРНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

М.Д. Козлов студент кафедры управления в технических системах

А.А. Ефимов д-р техн. наук, проф.- научный руководитель

Принято различать два основных способа управления электроприводами переменного тока, использующими в качестве преобразователей энергии полупроводниковые преобразователи частоты: частотное и векторное.

Частотное, или скалярное управление достигается путем воздействия на величину и частоту напряжения статора, которые являются двумя управляющими воздействиями, соотношение между которыми называется законом частотного управления. Способ обеспечивает сравнительно невысокие динамические характеристики и диапазон регулирования скорости.

При векторном управлении регулирование осуществляется по мгновенным значениям переменных. В цифровых векторных системах может выполняться управление по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности управления) переменным.

Векторное регулирование применяется при повышенных требованиях к динамическим или статическим характеристикам регулирования выходных переменных привода, в случаях, когда регулируемой переменной является момент. А также в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, в намоточных механизмах, требующих регулирование натяжения материала, в сервоприводах, выполняющих задачу быстродействующего регулирования положения, в тяговом электроприводе, в приводе электродов дуговых сталеплавильных печей и множестве других механизмов [1].

Существуют различные варианты построения систем векторного управления асинхронным электроприводом, среди которых системы с непосредственным измерением потокосцепления и с моделью роторной цепи, система прямого управления моментом, система частотно-токового управления, цифровая релейно-векторная система управления асинхронным электроприводом. Наиболее широкое распространение в системах векторного регулирования получил способ ориентации переменных по вектору потокосцепления ротора (рис.1). Часто такой способ называют ориентацией по полю.

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

1) раздельное регулирование магнитного потока и электромагнитного момента двигателя;

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

Рис. 1. Способ ориентация по вектору потокосцепления ротора

векторный асинхронный электропривод полупроводниковый

Системы векторного управления, называемые также системами с ориентацией по полю, можно подразделить на системы с прямой и косвенной ориентацией по полю.

К системам с прямой ориентацией по полю относят только те системы, в которых осуществляется непосредственное измерение потока с помощью тех или иных датчиков потока. В системах с косвенным измерением поток не измеряется и не рассчитывается, а формируется путем задания других переменных [1]. Структуры этих систем показаны на рис.1а и рис.1б.

а) б)

Рис. 1. Структура привода с прямой и косвенной ориентацией по полю: а - с моделью двигателя; б - с косвенной ориентацией.

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

1) наилучшие динамические и статические свойства привода;

2) наиболее простую структуру системы управления.

При векторном управлении регулирование осуществляется в системе координат, вращающейся синхронно с векторами состояний двигателя. Эту систему координат можно связать с различными векторами состояний, но, как правило, ее связывают с вектором шR - потоком ротора. Оси этой двухфазной системы координат называют d и q, причем по потоку ротора ориентируют осью d этой системы.

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

где - активные сопротивления фаз статора и ротора; - индуктивности фаз статора, ротора, взаимная; - коэффициент рассеяния; - постоянная времени роторной цепи; - проекции векторов напряжения и тока статора на оси d и q; - частота вращения вектора потокосцепления ротора; - электрическая частота вращения ротора; - частота скольжения [1].

Управлять скоростью двигателя можно, изменяя его момент, то есть система должна содержать регулятор скорости, задающий момент и структуру, обеспечивающую его отработку [3].

На рис. 3 показана структура системы векторного регулирования скорости асинхронного двигателя.

Рис. 3. Структура системы векторного регулирования скорости асинхронного двигателя

Момент двигателя изменяется с помощью управления статорным током (вектором статорного тока). Тогда для синтеза системы необходимо связать момент двигателя с параметрами вектора статорного тока.

Векторный регулятор тока, работающий во вращающейся системе координат dq, состоит из двух скалярных регуляторов d и q проекций вектора и использует в качестве обратной связи измеренный и преобразованный в систему dq реальный вектор статорного тока [3].

В соответствии с известными параметрами можно найти проекции тока статора:

а также потокосцепление и угловую частоту ротора:

Можно сказать, что с помощью проекции вектора тока статора Id можно управлять потокосцеплением ротора и передаточная функция этого канала соответствует апериодическому звену с постоянной времени равной постоянной времени ротора; а с помощью проекции Iq можно независимо управлять частотой ротора щr.

Подставляя Iq в выражение электромагнитного момента, получим [2]:

При этом регулятор тока формирует в системе dq вектор напряжения статора, характеризующийся двумя составляющими: USd и USq [3]:

Далее с помощью координатных преобразований вектор напряжения статора переводится в неподвижную систему координат:

связанную со статором, где затем и реализуется.

Таким образом, для синтеза системы регулирования необходимо определить связь между моментом и проекциями вектора тока статора на оси системы dq, вращающейся синхронно с потоком ротора. Реализация вектора напряжения статора в подавляющем большинстве систем векторного регулирования осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В силу адекватности управления в динамике векторное управление дает возможность строить высокодинамичные и прецизионные электроприводы переменного тока, обеспечивающие наивысшую точность и скорость регулирования.

Библиографический список

1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока.: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».: Иваново, 2008, 298 с

2. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: Учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла.: СПб, 2002, 43с.

3. Калачев Ю. Н. Векторное регулирование (заметки практика).: «ЭФО», 2013, 72с.

Размещено на Allbest.ru