Квазивекторное управление частотно-регулируемым асинхронным электроприводом
Наиболее совершенная АСЧР асинхронного электродвигателя основана на применении векторного управления, которое предусматривает контроль и регулирование как амплитуды и частоты, так и фазовых значений электрических величин (тока, напряжения, ЭДС, потокосцепления), и достаточно полно учитывает электромагнитные процессы, происходящие в асинхронном электродвигателе. Алгоритм функционирования устройства векторной ориентации, с помощью которого осуществляется векторное управление параметрами асинхронного двигателя, включает ряд вычислительных операций.
По фазным значениям статорных напряжений , , и токов , , в датчике ЭДС вычисляются фазные ЭДС ротора , , :
(1)
где , - индуктивности рассеяния статора и ротора; - коэффициент связи ротора.
При помощи специального звена преобразования определяются проекции , обобщенного вектора ЭДС ротора Е на оси неподвижной ортогональной системы координат «» - «», связанной с магнитной осью фазы А обмотки статора асинхронного электродвигателя.
Векторным анализатором вычисляются значения амплитуды Е и фазового угла обобщенного вектора ЭДС ротора из выражения:
Фазовый угол и угловая частота вращения обобщенного вектора потокосцепления ротора АД (равная частоте статора двигателя) находятся из формул:
(2)
Сигналы задания: амплитуды обобщенного вектора статорного тока , амплитуды и фазового угла обобщенного вектора основных гармонических составляющих статорного тока двигателя, определяются из выражений:
(3)
где - сигналы задания намагничивающей и активной составляющей обобщенного вектора статорного тока соответственно.
Регулятор фазы (РФ) интегрального типа сравнивает сигналы задания и обратной связи по модулю потокосцепления ротора двигателя, рассчитываемые из выражений:
(4)
и обеспечивает астатическое регулирование входных сигналов: . На выходе регулятора формируется корректирующий по фазе сигнал . В результате в устройстве векторной ориентации компенсируется внутреннее возмущение по углу коммутации инвертора, а заданные значения фазового угла обобщенного вектора основных гармонических составляющих статорного тока находится в виде:
. (5)
В соответствии с заданным значением фазового угла обобщенного вектора основных гармоник статорного тока система управления инвертором СУИ формирует управляющие импульсы. Основными гармоническими составляющими статорных токов создаются заданные регулируемые значения намагничивающей и активной составляющих статорного тока электродвигателя.
При векторном управлении формируется высокое качество электромеханических процессов, близкое к процессам в электроприводах постоянного тока с подчиненным регулированием координат.
Недостатком АСЧР с векторным управлением является высокая сложность технической реализации, обусловленная установкой в системе увеличенного числа информационных датчиков для контроля и регулирования фазовых значений электрических величин, а также сложных специальных вычислительных устройств.
Среди известных АСЧР, в которых наряду с более простой технической реализацией формируется приближенное к векторному качество электромеханических процессов электропривода, наибольший интерес представляет предложенное в квазивекторное управление.
Главное отличие квазивекторного принципа регулирования от векторного состоит в способе (алгоритме) построения автоматических структур частотного регулирования АД. Таким характерным внешним отличием структур автоматического регулирования с квазивекторным управлением является отсутствие в них (по сравнению с векторным управлением) специфических устройств для обработки информации о векторных параметрах режима: координатных преобразователей, векторных и тригонометрических анализаторов, фазовращающих и фазосдвигающих устройств. Приставка «квази» в термине «квазивекторного» управления, введенная для обозначения данного вида построения структур регулирования, означает создание такими структурами автоматического регулирования непременного условия - нормированного (близкого к нормированному) качества электромеханических процессов асинхронных электроприводов, приближающегося к векторному управлению.
Благодаря своей значительной простоте технической реализации (по сравнению с системами векторного управления) квазивекторное управление находит наибольшее применение в практике создания АСЧР асинхронных электроприводов широкого промышленного назначения. Указанная техническая простота данного управления объясняется отсутствием необходимости контроля и вычисления фазовых углов регулируемых векторных электромагнитных параметров режима (потокосцепления, ЭДС, статорных токов и напряжения) АД, что позволяет сократить количество применяемых информационных датчиков электропривода и исключает сложные алгоритмы и устройства векторных вычислений при реализации АСЧР.
На рис. 1 приведена функциональная схема автоматической системы с квазивекторным регулированием асинхронного электропривода с автономным инвертором тока (АИТ), реализующая двухзонное управление электродвигателем. Автоматическая система частотного регулирования выполнена в соответствии с принципами подчиненного регулирования координат и содержит внутренние контуры регулирования: модуля I обобщенного вектора статорного тока (с регулятором тока РТ) и электромагнитного момента (с регулятором момента РМ), а также внешние контуры регулирования: частоты статора (с регулятором частоты РЧ) и ЭДС двигателя (с регулятором ЭДС РЭ). Заданное значение модуля вектора статорного тока находится вычислителем В1 (через заданные значения намагничивающей и активной составляющих обобщенного вектора основных гармонических составляющих статорного тока) из первых двух формул системы (4.3). С помощью датчика частоты ДЧ (например, выполненного на основе дискретно-аналогового преобразователя) определяется сигнал , пропорциональный частоте статора двигателя.
Рис. 1 Функциональная схема квазивекторного регулирования электропривода с АИТ
Посредством датчика ЭДС ДЭ, функционирующего на основе алгоритма вычисления фазных ЭДС и последующего их выпрямления, находится значение Е модуля вектора ЭДС ротора двигателя. С помощью вычислителя В5 определяется заданное значение электромагнитного момента АД:
, (6)
где и Т - индуктивность намагничивания и электромагнитная постоянная времени электродвигателя.
Для вычисления значения электромагнитного момента двигателя служит узел вычисления момента УВМ, состоящий из вычислителей В2 - В4, датчика напряжения ДН питающей сети и сумматора С1. Вычислителем В2 определяется падение напряжения на активных сопротивлениях и индуктивностях в главной цепи электропривода:
, (7)
Где
;;
- активные сопротивления выпрямителя, сглаживающего дросселя, инвертора, статора и ротора двигателя соответственно;
- индуктивности выпрямителя, сглаживающего дросселя, рассеяния статора и ротора двигателя соответственно; - эквивалентные значения (приведенные к звену постоянного тока электропривода) активного сопротивления и индуктивности главной цепи электропривода соответственно; - значение основной гармонической составляющей модуля коммутационной функции трехфазного мостового АИТ.
Посредством вычислителя В3 моделируется ЭДС управляемого выпрямителя УВ в виде:
(8)
для пилообразного опорного напряжения системы управления выпрямителем СУВ, или в виде:
(9)
для синусоидального опорного напряжения СУВ,
где - статический коэффициент усиления и электромагнитная постоянная времени управляемого выпрямителя (с его системой импульсно-фазового управления) соответственно; - амплитуда напряжения питающей сети; - управляющее напряжение, приложенное ко входу системы управления выпрямителем.
На выходе сумматора C1 определяется значение проекции обобщенного вектора ЭДС ротора АД на обобщенный вектор основных гармонических составляющих статорного тока электродвигателя:
. (10)
С помощью множительно-делительного блока В4 вычисляется значение электромагнитного момента двигателя в виде:
. (11)
Управляемый генератор УГ представляет собой преобразователь напряжения в частоту, в котором частота выходных импульсов прямо пропорциональна значению напряжения на входе «1» и обратно пропорциональна значению напряжения на входе «2» генератора.
В первой зоне управления электроприводом сигнал задания намагничивающей составляющей статорного тока равен ее номинальному значению: и напряжение на входе «2» управляемого генератора УГ составляет постоянное значение, равное . При этом по входу «1» задается выходная частота генератора УГ прямо пропорциональной сигналу Е датчика ЭДС ротора, что обеспечивает в этой зоне управления работу двигателя с постоянством потокосцепления ротора (равным номинальному значению ):
. (12)
Во второй зоне управления электроприводом пропорционально-интегральный регулятор ЭДС РЭ астатически поддерживает заданное значение ЭДС ротора двигателя , уменьшая заданное значение намагничивающей составляющей статорного тока и напряжение на входе «2» генератора УГ. Это вызывает уменьшение потокосцепления ротора
(13)
и обеспечивает режим работы двигателя при постоянстве ЭДС ротора.
Регулятор момента РМ, воздействуя через сумматор С2 на вход «1» управляемого генератора УГ, вносит через систему управления инвертором СУИ коррекцию в значение фазового угла обобщенного вектора статорного тока из условия поддержания требуемого значения электромагнитного момента: . Таким образом, в данной АСЧР достигается квазивекторное (близкое к векторному) управление параметрами режима АД.
Исходя из определения принципа построения АСЧР, названного квазивекторным управлением, отметим его следующие основные отличительные признаки:
- – управление осуществляется воздействием только на частоту и амплитуду основных гармоник составляющих статорных напряжений (токов) электродвигателя, не требуя непосредственного вычисления, контроля или управления их фазовыми углами;
- – обеспечиваются нормированные электромеханические процессы (статорного тока, потокосцепления, электромагнитного момента, скорости) асинхронного электропривода, приближенные к векторному управлению.
Компьютерное моделирование системы частотного регулирования асинхронного электропривода проведем для двух случаев: без фаззи-регулятора и с фаззи-регулятором, подключенным на вход блока регулятора тока (РТ).
В первом случае получены такие графики переходных процессов: рис. 2, а - график сигнала задания; рис. 2, б - график действительной скорости; 2, в - сигнал ошибки регулирования.
Во втором случае аналогичные графики переходных процессов будут иметь вид: рис. 3, а - график сигнала задания; рис. 3, б - график действительной скорости; 3, в - сигнал ошибки регулирования.
Рис. 2 Результаты компьютерного моделирования АСЧР-АД без фаззи-контроллера
Рис. 3 Результаты компьютерного моделирования АСЧР-АД с фаззи-контроллером
Как видно из полученных графиков, при отсутствии фаззи-контроллера сигнал ошибки регулирования имеет достаточно ощутимые колебания, а при настроенном нечетком регуляторе колебания практически отсутствуют, что свидетельствует о достаточно точной отработке системой асинхронного частотно-регулируемого электропривода сигнала задания.