Для цепи ротора уравнения (3.10) в операторной форме будут иметь вид

; (3.15)

,

где Т₂ = L'₂/ R'₂ - электромагнитная постоянная времени цепи ротора.

В соответствии с уравнением 5 соотношения (1.37) электромагнитный момент АД при ориентации ₂ по оси х в операторной форме определится как

. (3.16)

С учетом уравнения движения электропривода

М (р)- М_с (р) = Jр (р)

и соотношений (3.12) (3.16) структурная схема АД представлена на рис.3.2. Здесь для наглядности цепи статора (С), ротора (Р) и узла, связанного с формированием ЭДС (Э) выделены штриховой линией.

Входными переменными статорной цепи являются потокосцепление ротора _2x = 2 , составляющие напряжения питания статора U_1x, U_1у, текущая угловая скорость АД и синхронная скорость электромагнитного поля _0эл, а выходными - составляющие I_1х, I_1у тока статора. Связь между статором и ротором характеризуется их взаимной индуктивностью L₁₂ .

Входными переменными роторной цепи являются составляющие взаимного потокосцепления L₁₂I_1x, L₁₂I_1у и скорость , а выходной переменной потокосцепление ротора _2x. Составляющая L₁₂I_1у /Т₂ = к₂R'₂I_1у , пропорциональная падению напряжения на активном сопротивлении ротора, после деления на его потокосцепление _2x преобразуется в сигнал, пропорциональный скольжению s двигателя

.(3.17)

Суммируясь с р_п, этот сигнал формирует синхронную скорость _0эл.

Рис. 3.2. Структурная схема АД при ориентации системы координат х, у по потокосцеплению ротора

3.3 Система управления с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

Функциональная схема системы регулирования скорости АД при питании его от преобразователя частоты UZF на основе автономного инвертора напряжения с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя представлена на рис. 3.3. Подобная система векторного управления (система Transvektor) впервые была предложена фирмой Siemens (ФРГ). Система имеет два внешних контура регулирования: а) модулем вектора потокосцепления ротора ₂ и угловой скорости двигателя, б) два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I_1x и I_1y в осях x и y ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью _0эл поля двигателя. Система осуществляет независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом двигателя и составляющей намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с потокосцеплением ротора. Сигнал задания потокосцепления ротора_2з формируется в специальном вычислительном устройстве ВУ, использующем математическую модель АД и вводимые в нее реальные параметры двигателя: активные и реактивные сопротивления цепей статора и ротора, число пар полюсов, номинальные значения мощности, скорости, напряжения и тока статора, их частоту, КПД и мощности.

На рис.3.3 вводимые параметры двигателя условно изображены совокупностью внешних сигналов Х_вн на входе ВУ. Внешний сигнал задания скорости двигателя _з подается на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего темп изменения скорости двигателя в соответствии с требуемыми технологическими ограничениями.

Измерение текущих значений скорости, потокосцепления ротора и токов статора АД производится с помощью датчиков скорости (тахогенератор BV), потокосцепления ДП и тока ДТ.

Датчик потока преобразует измеренные с помощью датчиков Холла трехфазные мгновенные значения потокосцеплений в воздушном зазоре _а, _b в составляющие потока , в осях , ортогональной системы координат, жестко связанной с неподвижным статором двигателя, причем ось совмещается с магнитной осью статорной обмотки фазы А:

_. = _.а ; = (_.а +_.b ). (3.18)

Рис.3.3. Функциональная схема системы управления с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

Кроме того, в ДП осуществляется вычисление составляющих потокосцепления ротора согласно соотношениям

₂ = - (L'₂ -L₁₂) I₁ ;

₂ = - (L'₂-L₁₂) I₁ .

Датчик тока измеряет мгновенные значения фазных токов статора I_1a, I_1b и аналогично датчику потока преобразует их в двухфазную систему переменных I₁, I₁ .

Преобразование переменных из неподвижной системы координат , в систему координат х, у, связанную с потокосцеплением ротора и вращающуюся со скоростью _0эл, осуществляется вектор-фильтром ВФ и координатным преобразователем КП1. Вектор-фильтр выделяет модуль вектора потокосцепления ротора

₂=

и тригонометрические функции

cos_0эл = ₂ /₂, sin_0эл = ₂ / ₂,

где _0эл = _0эл t - электрический угол поворота ротора относительно статора в осях х, у.

Преобразователь КП2 поворачивает вектор намагничивающей силы статора на угол _0эл в соответствии с соотношениями (3.1). Поскольку вектор потокосцепления ротора в системе координат х, у совмещен с осью х, т.е.₂=_2х, _2у = 0, то составляющая тока I_1x определяет магнитный поток двигателя, что по аналогии с двигателем постоянного тока сравнимо с действием тока в цепи его обмотки возбуждения. При этом электромагнитный момент двигателя пропорционален составляющей тока I_1y подобно току якорной цепи двигателя постоянного тока.

Задание на электромагнитный момент двигателя формируется выходным сигналом регулятора скорости РС, на входе которого суммируются сигналы задания скорости _зи с выхода ЗИ и сигнал отрицательной обратной связи по скорости двигателя. Ограничение выходного сигнала РС обеспечивает ограничение задания максимальных значений электромагнитного момента АД. Для поддержания постоянства электромагнитного момента при изменениях модуля потокосцепления ротора введен по (3.16) блок деления БД выходного сигнала РС на ₂. На выходе БД формируется сигнал задания I_1yз составляющей тока статора I_1y по оси у.

Сигнал задания I_1хз составляющей тока статора I_1х по оси х формируется на выходе регулятора потока РП, на входе которого сравниваются сигналы задания и реального значения модуля потокосцепления ротора.

Сигналы задания I_1хз и I_1уз сравниваются с текущими составляющими токов статора I_1х и I_1у на входах соответствующих регуляторов токов РТ_х и РT_у, выходные сигналы которых определяют задания составляющих напряжений статора U_1xз и U_1yз в системе координат х, у.

Если в системе дифференциальных уравнений (3.11) выполнить компенсацию составляющих Е_1х и Е_1у, исключив влияние блока Э на рис.3.2, то без их учета подобно электроприводам постоянного тока

; . (3.20)

На рис.3.3 роль подобной компенсации выполняет блок БК, в который вводятся переменные I_1x, I_1у, , _0эл, и где производятся соответствующие функциональные преобразования.

Преобразование составляющих напряжения статора U_1x, U_1y с выхода БК в составляющие U₁, U₁ в осях , осуществляется блоком координатных преобразований КП1 в соответствии с соотношениями

U₁ = U_1x cos_{0эл -} U_1y sin_0эл ; U₁ = U_1x sin_0эл + U_1y cos_0эл .

В преобразователе фаз ПФ по соотношениям [1]

U_1a = U₁ , U_1b = ( - U₁ + U₁ ), U_1c = ( - U₁ - U₁ )

формируются трехфазные синусоидальные сигналы U_1a, U_1b, U_1c, определяющие на выходе преобразователя частоты амплитуду и частоту напряжений U_A, U_B, U_C питания обмоток статора двигателя.

Передаточная функция преобразователя частоты по напряжению совместно с блоками преобразования координат может быть представлена как

W_пч (p) = U_1x(p)/U_1xз(p) = U_1y(p)/U_1yз(p) = к_п /(Т_п р + 1),

где к_п эквивалентный статический коэффициент передачи между составляющими напряжений U_1xз, U_1уз управления преобразователем и составляющими в осях х, у выходных напряжений преобразователя U_1x, U_1y; Т_п эквивалентная постоянная времени цепи управления преобразователем. Тогда передаточные функции между составляющими напряжений U_1xз, U_1уз и токов статора I_1x, I_1у определятся как

= ;

= ; (3.21)

Обобщенная линеаризованная структурная схема электропривода по рис.3.3 с учетом соотношений (3.56), (6.57), (6.61) приведена на рис.3.4.

Схема содержит два одинаковых по параметрам внутренних контура регулирования составляющих I_1x, I_1у тока статора с коэффициентом обратной связи по току к_о.т, внешний контур регулирования потокосцепления ротора с коэффициентом обратной связи по потокосцеплению к_о.п и внешний контур регулирования скорости двигателя с коэффициентом обратной связи по скорости к_о.с. Структурная схема подобна структурной схеме системы двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока. Поэтому при настройке контуров регулирования на модульный оптимум определение параметров передаточных функций регуляторов тока W_р.т(р), потокосцепления W_р.п (р) и скорости W_р.с (р) выполняется аналогично:

W_р.т (р) = к_р.т + ; W_р.п (р) = к_р.п + ; W_р.с (р) = к_р.с,

где Т_и1 = а_I Т_п постоянная времени интегрирования ПИ - регулятора тока; к_р.т = Т_1э /Т_и1 - передаточный коэффициент пропорциональной части регулятора тока; а_I = 2 4; Т_ип = а_п а_I Т_п - постоянная времени интегрирования ПИ-регулятора потокосцепления ротора; к_р.п = Т₂ /Т_ип - передаточный коэффициент пропорциональной части регулятора потокосцепления ротора; а_п =2 4; к_р.с=2J к_о.т/(3 р_п к₂ к_о.саа_I Т_п) - передаточный коэффициент П - регулятора скорости; а = 2 4.

3.4 Системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

Установка датчиков магнитного поля в воздушном зазоре АД в системах прямого управления векторами потокосцеплений требует дополнительных изменений в конструктивных решениях серийно выпускаемых АД и сопровождается снижением надежности электропривода. Поэтому в современных частотно-регулируемых электроприводах, где системы программного управления реализованы на основе микропроцессорной техники, информация о векторах потокосцеплений электрической машины поступает косвенным путем на основе ее математических моделей. При этом базовыми являются структуры управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора и модульным принципом построения систем управления. Последнее создает возможность комбинаций различных структур управления моментом и скоростью АД, включая как прямое(с помощью тахогенератора), так и косвенное (по модели) определение реальной скорости двигателя. Структуры управления выбираются по технологическим требованиям к электроприводу и его эксплуатационным особенностям.

На рис.3.5 представлен пример функциональной схемы системы векторного частотного управления электропривода с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД [14]. Система имеет два основных канала управления: угловой скоростью и модулем потокосцепления ₂ ротора АД, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I_1x и I_1у в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью _0эл магнитного поля двигателя.

Сигнал задания скорости АД u_з предварительно поступает на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего на выходе два сигнала управления. Основной сигнал _з определяет задание скорости АД с темпом, обеспечивающим ограничение рывков и ускорений в соответствии с технологическими требованиями к электроприводу и максимально допустимыми динамическими перегрузками по току и электромагнитному моменту АД. Дополнительный сигнал d/dt задает динамическую составляющую электромагнитного момента М_дин с учетом коэффициента передачи к_м, пропорционального приведенному к валу АД моменту инерции. Результат его сложения на сумматоре ₃ с сигналом М_с, пропорциональным статическому моменту сил сопротивления на валу АД, формирует задание электромагнитного момента АД М_зр. При этом определение реального сигнала М_с и, соответственно, практическая реализация задания электромагнитного момента требуют наличия датчика статического момента на валу АД. Однако техническая сложность, заметные метрологические погрешности существующих датчиков статического момента на вращающихся валах электрических машин и отсутствие серийного их выпуска, как правило, ограничивают их применение в системах электропривода. Сигнал рассогласования s_а на выходе сумматора ₁ основного сигнала управления _з и сигнала реальной скорости АД с выхода тахогенератора ТГ, пропорциональный абсолютному скольжению АД, поступает на вход ПИ-регулятора скорости РС. Его выходной сигнал u_рс формирует сигнал задания М_з электромагнитного момента, необходимого для полной компенсации скольжения АД. На выходе сумматора ₂ результирующий сигнал М_з определяет полное задание электромагнитного момента с учетом возможных изменений статической и динамической составляющих нагрузок на валу АД. Подобная комбинированная система задания момента (по возмущению и отклонению) применяется в основном для электроприводов, где требуются повышенные динамические показатели качества регулирования. В наиболее распространенных электроприводах канал управления по возмущению, как правило, используется редко, поскольку требует дополнительной и не всегда точно известной информации о реальных значениях статической нагрузки и моментов инерции на валу двигателя. К тому же два параллельно действующих канала управления по отклонению и возмущению требуют более тщательной их настройки и взаимного согласования. С учетом этого в структурах управления электроприводом предусматривается возможность отключения либо всего дополнительного канала по возмущению, либо сохранения канала коррекции лишь по динамической составляющей момента.

Результирующий сигнал М_з ограничивается блоком БО1 на уровне задания, соответствующего выбранному максимальному значению электромагнитного момента АД. Задание этого значения определяется внешними сигналами управления М_max1 и М_max2. В зависимости от энергетических режимов работы электропривода предусмотрена коррекция по ограничению максимально допустимых моментов АД (блоки MIN и MAX). Для ограничения активной мощности Р_а.m, рекуперируемой со стороны АД на емкостной фильтр входного выпрямителя ПЧ в режиме его торможения, в блоке А2 в функции от скорости АД или частоты его питания f₁ формируются сигналы М_о1 и М_о2, уменьшающие уровень задания электромагнитного момента АД. Функциональная связь между Р_а.m и частотой f₁ с учетом ее максимального значения f_1max, качественно отраженная в блоке А2, определяется математической моделью АД и корректируется при автоматической идентификации параметров электропривода. Ограничение электромагнитного момента АД связано и с выбором максимально допустимого тока статора I_1max. С этой целью в блоке А3 с учетом максимального значения напряжения питания АД U_1max и реального значения составляющей тока статора I_1x по оси x определяется вектор максимально допустимой составляющей тока статора I_1у.max. Выходной сигнал блока I_1у.max2, пропорциональный реальному максимально допустимому электромагнитному моменту АД и контролирует ограничение выходного сигнала М_з . Для постоянства задания электромагнитного момента при изменении потокосцепления ротора в соответствии с (1.37) используется блок деления БД сигнала М*_з на выходе БО1 на сигнал, пропорциональный ₂. Выход БД формирует сигнал задания I_1уз составляющей тока статора по оси у.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

65

Для коррекции по динамической составляющей момента на валу АД в структуре управления электроприводом предусматривается возможность подключения на вход сумматора ₄ сигнала отрицательной обратной связи, пропорционального производной по скорости АД (устройство А1). Уменьшение рывков момента АД за счет ограничения темпа изменения составляющей тока статора I_1у обеспечивается задатчиком интенсивности ЗИТ. Его выходной сигнал, суммирующийся на ₆ с сигналом отрицательной обратной связи с выхода пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора РID, определяет задание составляющей тока статора I_{1 у} .

Входом РID является выходной сигнал сумматора ₅ , где сравниваются сигналы, пропорциональные текущему U_d.ist и установленному максимально допустимому U_d.max напряжениям на выходе силового выпрямителя ПЧ. Рассматриваемый узел способствует управлению моментом АД во время кратковременных отключений или возможных уменьшений напряжения питающей сети преобразователя частоты. При таких режимах преобразователь UZF продолжает работать за счет питания цепей его управления от емкостного фильтра силового выпрямителя UZF, куда рекуперируется при торможении кинетическая энергия вращающегося вала АД. При нагрузках с большим моментом инерции и высокой рабочей скоростью подобная поддержка рабочего состояния преобразователя может быть весьма заметной по времени.

Сигнал задания потокосцепления ротора _2з формируется в блоке А5. Функциональная связь между реальной частотой f₁ выходного напряжения преобразователя и потокосцеплением ротора АД определяет постоянство _2з на уровне задания номинального потокосцепления ротора _2ном при

f₁ f_1н и уменьшение _2з при f₁ f_1н. Последний вариант обеспечивает работу АД в зоне регулирования скорости выше номинальной при постоянстве номинального напряжения питания статора.

Корректирующий допустимую максимальную частоту выходного напряжения преобразователя UZF сигнал f_1max рассчитывается по математической модели АД в блоке А4 в зависимости от заданного максимально допустимого напряжения питания статора U_1max. Значение U_1max определяется напряжением U_dc на выходе силового фильтра выпрямителя UZF с коррекцией по сигналу мд, пропорционального максимально возможной глубине модуляции выходного напряжения преобразователя.

Сигнал _2з задания потокосцепления ротора с выхода блока А5 в результате перемножения на выходной сигнал блока А7 преобразуется в сигнал ^*_2з, изменяющийся с темпом, определяющим время возбуждения АД. Лишь по истечению этого времени, когда возбуждение АД достигнет установившегося значения, в системе управления преобразователем частоты появляется логический сигнал на разрешение управления преобразователем со стороны сигнала u_з управления электроприводом. Отметим здесь полное подобие условию подключения к питающему напряжению якорной цепи двигателя постоянного тока независимого возбуждения лишь при наличии его магнитного потока. Значение времени возбуждения АД может быть задано как внешним сигналом t_в блока А7, так и определено при автоматической идентификации параметров АД.

В структуре управления предусматривается возможность адаптации потока ротора к нагрузке АД, способствующая снижению суммарных магнитных потерь в машине при уменьшении нагрузки. С этой целью сигнал задания I_1уз поступает на блок А8, где при заданных минимально допустимом потоке ротора _2min и коэффициенте адаптации к_а формируется сигнал, определяющий поток ротора в зависимости от нагрузки АД. При включенном контуре адаптации потока ротора блок А9 выделяет минимальное значение сигнала задания ^*_2з.

В соответствии с (3.2) и заданием потокосцепления ротора в блоке А6 по математической модели АД определяется сигнал задания составляющей тока статора I_1x . Каждая из составляющих I_1у и I_1x тока статора сравнивается на сумматорах ₇ и ₈ со своими текущими значениями I_{1у ist} и I_{1x ist} , которые выделяются в блоке UVF векторного преобразования токов I_1А и I_1С в цепи обмоток фаз А и С статора АД. Угол _0.эл поворота осей координат х и у формируется в блоке А11 согласно частоте f₁.

Сигналы рассогласования задающих и реальных значений составляющих тока статора поступают на входы их соответствующих регуляторов РТ_х и РТ_у. Выходные сигналы регуляторов после суммирования на ₉ и ₁₀ с сигналами компенсации составляющих по (3.12) и учета внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, сформированными в блоке А12, поступают на координатный преобразователь К/Р. В зависимости от его входных сигналов, пропорциональных заданию составляющих выходного напряжения преобразователя в осях х, у на выходе К/Р формируются сигналы u_1з и , определяющие соответственно амплитуду и фазу вектора напряжения в двухфазной системе координат , , неподвижной относительно статора АД. Регулятор напряжения РН, на входе которого сравниваются сигналы задания u_1з и реального значения напряжения u_1.ist на выходе выпрямителя UZF, обеспечивает стабилизацию его выходных напряжений. Сигналы задания выходного напряжения преобразователя u₁ и совместно с сигналом f₁, определяющим частоту выходного напряжения преобразователя частоты, трансформируются в преобразователе координат ПК в эквивалентные сигналы u_1а , u_1в , u_1с трехфазной системы координат, определяющие выходные напряжения UZF.

Формирование сигнала f₁ задания частоты выходных напряжений UZF обеспечивается суммированием на ₁₁ и ₁₂ сигнала реального значения скорости АД, поступающего с тахогенератора BV, и сигналов f_sI , f_sЭ, определяющих частоту скольжения АД соответственно в функции тока и ЭДС двигателя. Вычисление f_sI осуществляется в блоке IM математической модели двигателя по току, на вход которого совместно с текущими значениями I_{1у ist} и I_{1x ist} составляющих тока статора в осях х, у подается сигнал R₂, пропорциональный сопротивлению ротора АД.

В блоке ЭМФ математической модели АД, на вход которого кроме текущих значений I_{1у ist} и I_{1x ist} составляющих тока статора поступает сигнал R₁, пропорциональный результирующему сопротивлению цепи статора, формируются два выходных сигнала: ₂ - определяющий потокосцепление ротора, и Е_д - пропорциональный ЭДС двигателя. Принцип формирования ₂ и Е_д структурно отражен на рис.3.2.

В системе управления реализуется логика управления, обеспечивающая раздельное подключение сигналов f_sI и f_sЭ на вход ₁₁ и ₁₂ в зависимости от заданной частоты выходного напряжения UZF. При малых частотах (f f_1min ) действует контур коррекции по току, обеспечивая компенсацию падения напряжения на сопротивлении статора, а при частотах f f_1min - по ЭДС двигателя, обеспечивая коррекцию скорости АД. Выбор частоты f_1min 3 6 Гц, при которой переключаются контура коррекции, определяется экспериментально по аналогии с настройкой соотношений U₁/f₁ в разомкнутых структурах скалярного управления АД. Максимально допустимая частота выходного напряжения UZF ограничивается сигналом f_огр блока БО2.

Значения сигналов R₁ и R₂ формируются в блоке А10 тепловой модели АД, куда поступает совокупность сигналов р , включающих в себя информацию о сопротивлениях цепи статора и ротора, определенных при автоматической идентификации параметров двигателя, степени влияния на них температуры собственно двигателя и окружающей среды, условий охлаждения двигателя, о наличии выходных фильтров преобразователя.

Представленные на рис.3.5 функциональные блоки в основном реализуются программным путем в микропроцессорной системе управления электропривода. В микроконтроллере реализуются и интерфейсные функции по связи с датчиками токов, напряжений и скорости двигателя.

В соответствии с принципом работы рассматриваемой системы управления на рис.3.6 приведены качественные зависимости ее основных переменных в функции от момента АД при постоянном сигнале задания скорости (рис.3.6,а) и в функции от сигнала управления скоростью при постоянном статическом моменте М_с 0 (рис.3.6,б).

Рис. 3.6. Зависимости переменных системы управления электроприводом при u_з = const , М = var (а) и при u_з = var , M_c M_{c. max} 0 = const (б)

Как результат действия ПИ-регулятора скорости механическая характеристика АД имеет в области нагрузок М_с М_с.max абсолютную статическую жесткость (линия 1 на рис.3.6,а1), а при М_с М_с.max механическая характеристика за счет ограничения выходного сигнала регулятора скорости и ПИ-регуляторов составляющих тока статора в осях х, у абсолютно мягкая (линия между точками 2,3 на рис.6.40,а1). Стабилизация скорости связана с увеличением выходного сигнала регулятора скорости u_рс и соответствующим увеличением сигнала задания М*_з электромагнитного момента АД (рис.3.6,а7). Последнее приводит к увеличению напряжения U₁ и частоты f₁ на выходе ПЧ по мере увеличения статической нагрузки М_с1 (рис.3.6,а2, а3) и, соответственно, увеличению по сравнению с исходной _0.0 скорости идеального холостого хода _0.1 (при М_с1) двигателя. Штриховые линии механических характеристик АД на рис.3.6,а1 отражают перемещение исходной характеристики М₀ при увеличении нагрузки.

При М_с = М_с.max , когда произойдет ограничение выходного сигнала u_рс на уровне максимального значения М*_{з max} блока БО1, и при абсолютной скорости АД, равной нулю, напряжение U₁ и частота f₁ будут соответствовать значениям (точки 3 на рис.3.6, а2, а3), при которых скорость идеального холостого хода АД равной _0.с (рис.3.6, а1).

По мере увеличения нагрузки составляющая I_1у тока статора, определяющая момент АД, также увеличивается (рис.3.6, а4), а составляющая I_1x, как и определяемое ею потокосцепление ротора ₂ сохраняются постоянными (рис.3.6, а5, а6).

При отсутствии сигнала задания скорости АД (u_з=0) и наличии на его валу постоянного реактивного момента сил сопротивления М_с 0 начальные выходное напряжение U_1.0 и частота f_1.0 преобразователя равны нулю. Если же момент сил сопротивления активен, то выходное напряжение U_1.0 и частота f_1.0 преобразователя соответствуют значениям, при которых начальная скорость идеального хода АД _0.00 и механическая характеристика двигателя обеспечивает при = 0 момент М_с (рис.3.6, б2, б3). Соответственно этому моменту определяются и начальные

сигналы u_рс.1, М*_з.1, I_1у.1 (рис.3.6,б6, б7). При этом сигналы I_1x.1 и _2.1 определяют номинальное потокосцепление ротора (рис.3.6, б5, б6).

По мере увеличения сигнала u_з напряжение U₁ и частота f₁ на выходе преобразователя ПЧ также увеличиваются. При u_з=u_зн выходное напряжение ПЧ и его частота достигают номинальных значений U_1ном и f_1ном. В соответствии с ними устанавливается номинальное значение скорости идеального холостого хода АД _0.ном. Дальнейшее увеличение u_з и частоты f₁ сопровождается постоянством напряжения U₁ = U_1ном на выходе ПЧ и переходом работы АД в зону уменьшения потокосцепления ротора за счет снижения составляющей I_1x тока статора (рис.3.6, б5, б6). Максимальный момент АД при этом также уменьшается.

При u_з = u_зmax скорость идеального холостого хода АД устанавливается на максимально заданном уровне _0.max , соответствующем f_1.огр (точка 2 на рис.3.6,б). Составляющая тока статора и соответствующее ей потокосцепление ротора устанавливаются при этом на минимальном уровне I_1x.2 и ₂₂ (рис.3.6, б5, б6).

Исключение тахогенератора как элемента, требующего дополнительной, точной и надежной его установки на валу АД, реализуется в системах, где обратная связь по скорости заменяется обратной связью по ЭДС двигателя. Так на рис.3.7 сигнал обратной связи по ЭДС двигателя _Э поступает на сумматор ₁ с выхода блока ЭФМ математической модели АД, а формирование частоты f₁ выходного напряжения ПЧ осуществляется суммированием на ₁₁ и ₁₂ сигнала задания скорости _з и сигналов f_sI и f_sЭ с выхода блока MТ математической модели двигателя по току и регулятора ЭДС двигателя. Все остальные блоки схемы управления электроприводом (на рис.3.7 сгруппированы в блоке СУЭ) и функциональные связи между ними остаются при этом без изменения.

Качество регулирования скорости в подобных системах управления зависит от степени соответствия математической модели ЭФМ и установленных в ней параметров реальной электрической машине и, как правило, заметно уступает системам с датчиками скорости.

Ряд технологических объектов (натяжные, намоточно-размоточные механизмы и т.п.) требуют регулирования и стабилизации момента на валу двигателя при постоянстве его заданной скорости. Решение подобной задачи реализуется в структуре управления с датчиком скорости на валу АД за счет включения между сигналом управления скоростью u_з и сигналом управления моментом u_зм блока РБ с релейной характеристикой (рис.3.8). Остальные блоки и их функциональные связи остаются подобными рис.3.5. Задание постоянной максимальной или минимальной скорости АД обеспечивается внешними сигналами _max и _min , ограничивающими уровень сигнала u_з на входе регулятора скорости. Сигнал u_зм определяет направление скорости и ограничение сигнала задания момента М*_з на уровне М_max1 и М_max2 . Предельно допустимые моменты АД ограничиваются при этом сигналами М_огр1 и М_огр2 .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механическая характеристика электропривода в подобной системе при М_с М_max имеет абсолютную статическую жесткость при скорости, соответствующей заданию сигналами _max или _min. При М_с = М_max механическая характеристика имеет абсолютно мягкий характер, стабилизируя заданный сигналом u_зм электромагнитный момент АД.

Контрольные вопросы

1. На примере векторной диаграммы основного потокосцепления и тока статора АД показать общность физических взаимосвязей в двигателе постоянного тока и АД.

2. Укажите особенности построения систем управления с ориентацией системы координат х, у по вектору потокосцепления статора и ротора.

3. Объясните назначение функциональных устройств А1…А12 и блоков ЭМФ и IМ на рис. 3.5.

4. Построить и сравнить регулировочные характеристики асинхронного электропривода и диаграммы изменений частоты, напряжения, составляющих тока статора по осям х и у, магнитного потока ротора в функции сигнала управления скоростью АД в системе управления по рис.3.5 при отсутствии и наличии статической нагрузки на валу двигателя.

5. Построить и сравнить механические характеристики асинхронного электропривода и диаграммы изменений частоты, напряжения, составляющих тока статора по осям х и у, магнитного потока ротора в функции момента на валу АД в системе управления по рис.3.5 при исходных заданных частотах выходного напряжения меньше и больше номинального их значения.

6. Оценить изменение механической характеристики электропривода в системе управления по рис 3.5 при вариациях параметров регуляторов скорости, тока, уровней ограничения в блоках БО1, БО2.

4. СЕРВИСНЫЕ ФУНКЦИИ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Практически все современные частотно-регулируемые электроприводы имеют базовую совокупность сервисных функций, связанных с управлением, программированием и диагностированием технического состояния электропривода.

Управление электроприводом реализуется с помощью блоков ввода и вывода, встроенных пультов панелей управления и внутреннего микропроцессорного блока.

Блок ввода обеспечивает согласование по уровню и аналого-цифровое преобразование сигналов, поступающих с клемм управления. Как правило, предусматривается два аналоговых входа, запрограммированных для сигналов по напряжению или по току. По одному из них поступает основной сигнал управления электроприводом, по другому - сигналы с датчиков регулируемых технологических переменных (скорости, перемещения, давления, температуры и т.п.). Питание датчиков возможно от источника постоянного напряжения, дополнительно встроенного в преобразователь частоты. Предусматриваются также цифровые и релейные входы для управления от внешних реле или контакторов, а также от внешнего промышленного контроллера через один из портов дискретных входов или по последовательному каналу связи RS-485.

Блок вывода обеспечивает цифро-аналоговое преобразование и вывод на внешние клеммы, как правило, двух программно выбранных сигналов системы управления электроприводом для их индикации и измерения. Блок имеет также релейные выходы для управления внешними реле и контакторами

Пульты панели управления могут быть как стационарной, так и съемной конструкций. Обычно они содержит две группы клавиш: программирования и выбора индицируемых параметров, а также клавиш управления приводом - "Пуск", "Стоп", "Реверс", "Толчок". В простейших пультах используются светодиодные и знаковые четырехразрядные дисплеи на семисегментных индикаторах, в наиболее совершенных пультах - индикаторы дисплейного типа с 2 - 6 строками (до 21 символа в строке), отражающие не только символы, но и текстовую информацию. Как правило, пульты управления имеют последовательный порт для подключения внешнего персонального компьютера.

Внутренний микропроцессорный блок, содержащий специализированные высокопроизводительные микроконтроллеры, обеспечивает программирование и реализацию основных функций управления электроприводом. К их числу относятся: формирование управляющих воздействий, обеспечивающих задание частоты и амплитуды напряжения на обмотках статора АД; плавный пуск и торможение двигателя с заданным темпом; реверс скорости электродвигателя; стабилизация скорости, регулирование и ограничение момента электродвигателя; ограничение максимального значения выходной частоты, напряжения и заданного тока преобразователя частоты; регулирование и стабилизация технологической переменной (перемещения, давления, уровня, температуры и т.п.) при наличии ее датчика; самозапуск преобразователя после кратковременного снижения или отключения напряжения питающей сети электропривода; диагностирование технического состояния электропривода; предупредительная сигнализация и защита электропривода при превышении максимальных тока, напряжения, температурного перегрева его элементов; экстренное торможение двигателя при аварийных режимах в электроприводе.

На рис. 4.1. представлены функциональные блоки системы управления электроприводом серии Simovert Masterdrives VC, формирующие сигналы задания скорости электродвигателя. Здесь внешний аналоговый сигнал управления х_1з с выхода аналого-цифрового преобразователя АDС поступает на вход цифрового инерционного фильтра DT для фильтрации возможных помех в управляющем сигнале. Постоянная времени фильтра устанавливается программно.

Рис.4.1. Управляющие воздействия системы ПЧ-АД

Выходной сигнал DT после суммирования с сигналом коррекции х₁, обеспечивающим при необходимости смещение по уровню входного сигнала управления х_1з, поступает на вход переключателя S1. С его помощью выбирается канал управления по основному либо полностью аналогичному ему второму аналоговому входу сигнала управления х_2з. Переключателем S2 определяется сигнал, по которому будет управляться электропривод: либо от внешнего аналогового входа (сигналов х_1з, х_2з), либо от клавиш встроенного пульта управления, когда сигнал управления х₂ будет задаваться от цифрового мотор-потенциометра с ограниченным темпом изменения сигнала или когда сигнал управления х₄ будет задаваться со стороны специальных программных команд. Выбранный сигнал на выходе S2 может корректироваться умножением на коэффициент к и дополнительным суммированием с постоянным сигналом х₅ . Результирующий сигнал может вновь суммироваться с сигналом х₆, поступающим с дополнительного канала управления, куда могут поступать как сигналы управления х_1з, х_2з, так и другие программно установленные постоянные сигналы управления.

В блоке U1 кодом логических сигналов х_л выбирается тип регулировочной характеристики, обеспечивающей передачу сигнала управления без изменения, либо выделяющей его модуль. В блоке U2 возможно исключить задание тех частот выходного напряжения преобразователя частоты f_р, при которых в технологических установках могут возникать резонансные явления.

В задатчике интенсивности UJ набором команд х_J формируется темп линейного или S- образного изменения сигнала управления электроприводом во времени. Предусматривается независимый выбор темпа при увеличении и уменьшении сигнала управления. Выходной сигнал UJ суммируется с сигналом х_т, обеспечивающим толчковый режим задания сигнала управления электроприводом. Максимальный уровень результирующего сигнала управления х_f ограничивается сигналами q₁ и q₂ блока ограничения UQ.

Для контроля прохождения сигналов по каналу управления в нем предусматриваются дополнительные ключи, размыкающие цепи управления и позволяющие корректировать значения сигналов без опасения, что они попадут на вход управления силовой части электропривода и вызовут неблагоприятные режимы его работы.

Программирование режимов работы электропривода связано, как правило, с применением специальных программных блоков с набором параметров, ориентированных на стандартные функции электропривода. Выбор уровня меню параметров определяется на стадии ввода электропривода в эксплуатацию. Часто он ограничен лишь выходом в меню, где вводятся номинальные данные (напряжение, частота, ток, скорость, число пар полюсов, КПД, cos) АД и необходимые ограничения переменных электропривода при эксплуатации. Если заводские установки в программном обеспечении не соответствуют технологическим требованиям и условиям работы электропривода, то используются меню, где программируются каналы управляющих воздействий, структуры управления (замкнутые по току, скорости, с векторным управлением скоростью или момента и т.п.), параметры регуляторов системы управления, выполняется подключение дополнительных функциональных блоков и т.п.

Высокая процессорная мощность микроконтроллеров, применяемых в системах управления электроприводом, обеспечила функции диагностирования его технического состояния и защиты элементов при аварийных режимах в электроприводе. При этом в качестве диагностических признаков, характеризующих неисправность электропривода, определяются не дефекты отдельных его элементов, а вызванные ими функциональные отклонения в работе электропривода.

Ниже дан перечень функциональных дефектов в силовых цепях и цепях управления, регистрируемых в наиболее совершенных частотно-регулируемых электроприводах.

В силовых цепях электропривода фиксируются: