Скалярное управление электродвигателем

Скалярное управление электродвигателем

Скалярное управление (частотное) — метод управления электродвигателем переменного тока, который заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение напряжение/частота (В/Гц) во всем рабочем диапазоне скоростей, при этом контролируется только величина и частота питающего напряжения.

Отношение В/Гц вычисляется на основе номинальных значений (напряжения и частоты) контролируемого электродвигателя переменного тока. Поддерживая постоянным значение отношения В/Гц мы можем поддерживать относительно постоянным магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение В/Гц увеличивается тогда электродвигатель становится перевозбужденным и наоборот если отношение уменьшается двигатель находится в недовозбужденном состоянии.

На низких оборотах необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении статора, поэтому отношение В/Гц на низких оборотах устанавливают выше чем номинальное значение. Скалярный метод управления наиболее широко используется для управления асинхронными электродвигателями.

При скалярном методе управления, скорость асинхронного электродвигателяконтролируется установкой величины напряжения и частоты статора, таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре поддерживалось на нужной величине. Для поддержания постоянного магнитного поля в зазоре, отношение В/Гц должно быть постоянным на разных скоростях. При увеличении скорости напряжение питания статора так же должно пропорционально увеличиваться. Однако синхронная частота асинхронного двигателя не равна частоте вращения вала, а скольжение асинхронного двигателя зависит от нагрузки. Таким образом система контроля со скалярным управлением без обратной связи не может точно контролировать скорость при наличии нагрузки. Для решения этой задачи в систему может быть добавлена обратная связь по скорости, а следовательно и компенсация скольжения [2].

Скалярное управление электродвигателями переменного тока — хорошая альтернатива для приложений, где нет переменной нагрузки и не требуется хорошая динамика (вентиляторы, насосы). Для работы скалярного управления не требуется датчик положения ротора, а скорость ротора может быть оценена по частоте питающего напряжения. Когда используется скалярное управление, не требуется высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор как в случае с векторным управлением.

Недостатки скалярного управления:

При скалярном управлении электродвигателем токи статора не контролируются на прямую.

СДПМ со скалярным методом управления может легко стать неуправляемым (выйти из синхронного состояния) особенно когда момент нагрузки превышает значение предельного момента электропривода. Скалярный метод не подходит для контроля СДПМ на низких оборотах для приложений, требующих высокую динамику.

Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает несколькими существенными недостатками:

· во-первых, если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала асинхронного двигателя, так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а вслучае с синхронным двигателем при изменении нагрузки — можно совсем потерять управление;

· во-вторых, нельзя управлять моментом. Конечно, эту задачу можно решить с помощью датчика момента, но стоимость его установки очень высока, и будет скорее всего выше самого электропривода. При этом управление моментом будет очень инерционным;

· также нельзя управлять одновременно моментом и скоростью.

Скалярное управление достаточно для большинства задач в которых применяется электропривод с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:10.

Когда требуется максимальное быстродействие, возможность регулирования в широком диапазоне скоростей и возможность управления моментом электродвигателя используется векторное управление.

Многие производственные машины и механизмы в соответствии с выполняемыми ими технологическими операциями должны работать в 4-х квандрантах плоскости механических характеристик — в двигательном и тормозном режимах в двух направлениях движения (подъемно-транспортные механизмы, гребные электрические установки и т. п.). Вследствие того, что примерно половину своего рабочего времени приводы кранов и лифтов обычно действуют в генераторных режимах (режим спуска груза и груженой кабины лифта), то при частотном управлении электроприводами таких механизмов весьма актуальной является реализация режима рекуперативного торможения с возвратом энергии в питающую сеть, что связано с использованием 4-х квандрантного преобразователя частоты.

Традиционное исполнение преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем на входе и ШИМ инвертором напряжения на выходе не позволяет выполнять рекуперацию энергии, и она рассеивается на резисторе РГТ в режиме генераторного торможения.

Обеспечить работу электропривода в 4 квадрантах механической характеристики и существенно повысить его КПД позволяет использование рекуперативных блоков (в литературе обозначаются также терминами «активный выпрямитель», «активный фильтр», Active Front End).

Рекуперативные блоки (рисунок3.26) выполняются на базе трехфазного мостового активного выпрямителя ВА на базе IGBT-транзисторов. Питание ВА от сети осуществляется через реактор L и резонансный фильтр РФ, предназначенный для подавления радиопомех. К выходу рекуперативного подключен силовой фильтр ФС, блок генераторного торможения и АИН.

Такая схема позволяет:

-обеспечивать работу асинхронной машины в четырех квадрантах механической характеристики;

-рекуперировать энергию в питающую сеть;

-обеспечить значение входного коэффициента мощности, близкое к единице;

-поддерживать среднее значение выпрямленного напряжения на заданном уровне при снижении питающего напряжения.

Силовые модули мостов сетевого выпрямителя и автономного инвертора идентичны. Сглаживающие реакторы L позволяют уменьшить аварийные токи и влияние преобразователя на питающую сеть.

Системой управления обеспечивается управление силовой частью в четырех определяющих режимах:

1) в двигательном режиме работы АД (1-й и 3-й квадранты механической характеристики АД) с потреблением электрической энергии из сети;

2) в генераторном режиме работы АД (2-й и 4-й квадранты механической характеристики АД) с рекуперацией механической энергии в сеть;

3) в режиме самопитания (СП), использующего механическую энергию выбегающего АД для замедления снижения его частоты вращения;

4) в режиме генераторного торможения на резистор.

Рисунок 3.26. – Функциональная схема ПЧ с рекуператором электрической энергии: РФ — резонансный фильтр, L — реактор (дроссель), ВА — выпрямитель активный, ФС — фильтр силовой, ТГТ и РГТ — транзистор и резистор генераторного торможения, АИН — автономный инвертор напряжения, СУ — система управления на ЦСП, ФИ — формирователи импульсов, УВ — устройство ввода/вывода (драйвер), ПУ — пульт управления

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается принцип скалярного управления?

2. В чем состоят преимущества и недостатки скалярного управления?

3. Поясните принцип действия преобразователя частоты.

Частотно-регулируемые электроприводы — шаг к энергосбережению

Частотное регулирование пуска асинхронных электродвигателей построено на использовании преобразователя частоты, способного выполнить функцию устройства, регулирующего скорость вращения электрической машины.

Рис. №1. Преобразователь частоты.

Преимущества частотного регулирования

С помощью метода частного регулирования получают:

• оптимально удобное изменение частоты вращения электрического двигателя в процессах и технологиях, которые никогда ранее не регулировались;
• управление скоростью работы электрическими машинами в синхронном режиме, от одной частотной установки;
• использование частотных регуляторов позволяет перейти с машин постоянного тока на асинхронные двигатели, это дает возможность понизить эксплуатационные расходы;
• частотный преобразователь позволяет придерживаться строго заданных технологических параметров;
• благодаря устройству можно избавиться от механических узлов регулирования частоты вращения, вариаторов или ременных передач;
• с их помощью улучшается степень износоустойчивости оборудования и увеличивается его срок эксплуатации;
• точность регулирования скоростных режимов работы очень высокая, важно для устройств и механизмов, отличающихся постоянным моментом нагрузки;
• использования частотного регулирования повышает эффективность электрооборудования и обеспечивает энергосбережение;

Весь принцип работы частотного регулирования построен на использовании синхронных и асинхронных машин и преобразующего частоту устройства. Статическое электронное устройство, каким является электронный преобразователь частоты, управляет процессом работы двигателя, формируя на выходе напряжение, обладающее переменной частотой и амплитудой. Преобразователь меняет частоту питающего напряжения, скорость двигателя соответственно изменяется.

Работа преобразователя осуществляется за счет использования полупроводниковых приборов – силовых тиристоров и транзисторов IGBT (биполярные устройства с изолированным затвором).

Рис.№2. Внешний вид преобразователей частоты в диапазоне мощностей от 0,75кВ.

Способы управления

Частота вращения ротора короткозамкнутых двигателей находится в прямой зависимости от частоты питающего оборудование сетевого напряжения. Это главное от чего зависит метод частотной регулировки. Изменяя величину частоты, на входе двигателя, изменяется скорость вращения его вала.

Управление скоростью может быть скалярным или векторным.

Векторное управление

Векторное управление включает метод управления потокосцепления (бессенсорный способ) и метод регулирования фазы статорного тока и фазы магнитного поля в зависимости от вращения ротора. Осуществляется с помощью датчиков позиционирования (обратной связи скорости) или за счет интегральных схем ASIC. Преобразователь на их основе создает образ двигателя, за счет математического моделирования, задает тепловые характеристики двигателя при разных режимах работы. Диапазон управления при векторном способе существенно увеличивается, параметры точности и быстродействия повышаются. Векторное управление считается методом широтно-импульсной модуляции.

Рис. №3. График выходного напряжения инвертора с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

С помощью векторного регулирования осуществляется точность регулирования по скорости до сотых долей процента, а точность в зависимости от момента в единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном регулировании изменяется амплитуда и частота напряжения питания оборудования. Когда изменяется частота напряжения и происходит отклонение диаграммы величин моментов пуска и максимального, двигателя, изменение КПД и коэффициента мощности, для соответствия рабочим характеристикам оборудования, необходимо изменять и амплитуду напряжения. Амплитудное управление состоит из трех основных частей: выпрямитель управления, фильтр и инвертор независимого типа в виде реверсивного переключателя, он обладает автономной установкой и служит устройством, формирующим разнополярные импульсы.

Рис. .№4. График переходных процессов в скалярной системе регулирования.

В настоящее время работают преобразователи частоты со скалярным управлением, в которых сохраняется неизменным отношение максимального момента электрического двигателя к моменту сопротивления на ее валу. Этот показатель свидетельствует о перегрузочной способности двигателя, определяет характер нагрузки всей машины.

Для увеличения пускового момента при уменьшении максимального момента двигателя увеличивают значение напряжения.

Одно из главных преимуществ скалярного метода может считаться способность управлять несколькими агрегатами.

Что такое преобразователь частоты

Устройство, которое служит для изменения значения токов и нагрузки и напряжения в соответствии одной частоты в другое значение этих величин другого частотного значения. Диапазон регулирования включает самые широкие границы величины частоты.

Преобразователь частоты включает в свою конструкцию два основных блока, являющиеся управляющей и силовой частью.

Тиристоры и транзисторы, представляющие собой электронный ключ, составляют силовую часть. Цифровые микропроцессоры относятся к управляющей части, управляют силовой частью и служат для организации контроля, диагностики и защитных функций.

Существует два типа преобразователей, их конструктивные особенности зависят от структуры построения работы силовой части.

1. Преобразователи частоты, в которых главным считается явно выраженное звено постоянного тока.
2. Устройство с непосредственной связью без использования промежуточного звена.

Устройства с непосредственной связью работает на не запираемых тиристорах. Обмотки статора двигателя поочередно подключаются с помощью групп тиристоров. Система управления имеет существенный недостаток, который подразумевает наличие сложной системы управления. «Резанная» или «пилообразная» синусоида создает большие потери энергии в двигателе, происходит это за счет высших гармоник, являющихся следствием сильных помех в сети. Для повышения качества электрической энергии потребители вынуждены использовать компенсирующие устройства, которые отличает высокая стоимость.

Рис. № 5. Схема преобразователя с непосредственной связью.

К достоинствам преобразователей с непосредственной связью относятся:

1. Высокий КПД.
2. Обладание способностью работать с большими напряжениями и токами, разрешающими использовать их с высоковольтным оборудованием.
3. Стоимость самого преобразователя отличается невысокой ценой, хотя сопутствующее оборудование стоит очень дорого.

Устройство с явно выраженным звеном постоянного тока отличают двойное преобразование энергии – это сглаживание синусоиды напряжения в фильтре и выпрямление в выпрямителе, после чего оно снова преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды напряжения.

Рис. № 6. Схема преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Автономные инверторы формируют синусоидальное напряжение переменного тока. Основу устройства составляют запираемые транзисторы GTO моделей IGCT и другие, а также биполярные модели IGBT, обладающие запираемым затвором. Они работают с током и напряжением больших величин в течении длительного времени и под большой нагрузкой, способны выдержать значительные импульсные воздействия.

Рис №7 . Схема инверторного преобразователя, состоящего из: 1 – выпрямитель неуправляемого или управляемого типа; 2 – фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, вместе с выпрямителем он является звеном постоянного тока; 3 – импульсного инвертора; 4 – фильтр для сглаживания пульсаций на выходе из устройства.

Особенно велико участие инверторов в высоковольтном приводе мощностью до десятков мегаватт, где значение выходного напряжения составит 3 – 10кВ и выше.

Тип преобразователей на тиристорах IGBT имеет ряд существенных преимуществ – это:

1. Полная управляемость.
2. Неэнергоемкая и простая схема управления.
3. Границы регулирования частоты самые высокие.
4. Возможность работать на невысоких скоростях без использования датчика обратной связи.
5. Комбинация устройства с микропроцессорами управления способствуют понижению уровня высших гармоник и предотвращает появление потерь в обмотках электродвигателя.
6. Способствует снижению нагрева статора и уменьшает пульсацию момента, предотвращает явление называемое «шагание» ротора двигателя в районе малых частот.
7. Понижает потери в магнитопроводе трансформатора в конденсаторах.
8. Повышает долговечность оборудования и увеличивает длительность эксплуатации проводов на ВЛ.
9. Уменьшает число ложных срабатываний защит и снижает погрешности измерительных индукционных приборов.
10. Благодаря модульной структуре повышается надежность устройства, и уменьшаются его габаритные размеры.
11. Обладают стойкостью к броскам тока и перенапряжениям.

Современные преобразователи частоты стоят немалые деньги, но их окупаемость, происходит за время менее 2 лет, используя преобразователь частоты существует реальная возможность добиться существенной экономии энергоресурсов и увеличить время эксплуатации всего оборудования.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

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: 31.08.2021).

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 |Ψ|, 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.

Векторное управление

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

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

Содержание

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

Причины появления [ | ]

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

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

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

Математический аппарат векторного управления [ | ]

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

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

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

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

При этом могут быть два варианта метода:

• ориентирование по полю ротора
• ориентирование по полю главного потокосцепления

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

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

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

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

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

Варианты режимов работы векторного управления [ | ]

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

Точность математической модели электродвигателя [ | ]

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

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

Использование датчика скорости электродвигателя [ | ]

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

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

Терминологические нюансы [ | ]

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

голоса

Рейтинг статьи