Понятия векторного управления

и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией

их векторов в полярной или декартовой системах координат. Регулированием амплитудных значений переменных и углов между их векторам реализуется полное управление АД как в статике, так и в динамике

Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД
С помощью датчиков
- на основании модели

При векторном управлении АД может питаться как от источника напряжения, так и источника тока

Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока независимо от частоты питания АД обеспечивается регулирование и его момента

токов


и фазовых сдвигов между ними
От того, какие вектора

выбраны в качестве регулируемых, зависит принцип построения и техническая реализация систем управления электроприводом.

Если в качестве регулируемых будут выбраны вектора

и

векторная диаграммы при
ориентации

по оси x системы координат х, y,
вращающейся с синхронной
скоростью поля двигателя

Если ротор АД сопоставить якорю двигателя постоянного тока (ДПТ), а

статорные обмотки – обмоткам возбуждения ДПТ, то составляющая тока статора I1х, синфазная потокосцеплению интерпретируется как ток возбуждения ДПТ, составляющая I1у – как ток его компенсационной обмотки, составляющая I2у– как поперечная составляющая поля якоря ДПТ, составляющая I2х – как размагничивающая продольная реакция якоря.

потокосцепление

определяется током

Следовательно, в системе координат x, y, связанной с вектором
потокосцепления

составляющие I1у и I2у равны и имеют разные знаки, а противоположно
направленные составляющие I1х и I2х определяют модуль потокосцепления

.

Особенности формирования момента определяют основные положения при технической реализации системы векторного управления АД.

Ψμβ

Непосредственное измерение каждой из составляющих может быть определено с

помощью датчиков Холла, установленных в воздушном зазоре между статором и ротором АД

угол между осями α, β неподвижной системы координат и осями x, y системы координат, вращающейся со скоростью αω0н , находится

ϕ0.эл = arc cos (Ψμα / ⎢Ψμ⎢)

Составляющие вектора

в системе координат α, β при условии инвариантности мощности АД в
двухфазной и трехфазной системах координат могут быть определены
через токи фаз статора IА, IВ, IС как

I1β пересчитываются как


Таким образом, система векторного управления с опорным вектором

потокосцепления ψμ должна иметь каналы управления модулем ψμ и угловой скоростью ротора АД

Если при определении момента воспользоваться уравнением 5

то регулируемыми выбираются вектора

х, y



I'2х =

0; I'2у = - Ψ2 ω0н sа / R'2

В двигательном режиме вектор тока
статора

  опережает вектор

на угол

θ = arctg(L2 ω0н sа / R'2)

его составляющая I1х = Ψ2/L12 определяет потокосцепление ротора Ψ2 , а I1у = Ψ2 L2 ω0н sа /L12 R'2 компенсирует влияние на него реакции ротора

ротора
Ψ2 = Ψ2х = L12 I1x
и тока статора

I1y

при стабилизации Ψ2 , как и при стабилизации Ψμ ,

система векторного управления будет подобна системам управления
двигателями постоянного тока, где составляющая I1x тока статора
определяет потокосцепление Ψ2 АД (магнитный поток ДПТ), а
составляющая I1у является моментной составляющей тока статора
(аналогично току якоря ДПТ).

Опираясь на векторную диаграмму при ориентации вектора потокосцепления Ψ2 по оси х при отсутствии задания скорости АД и статической нагрузки на его валу (Мс=0) система должна обеспечивать задание исходного потокосцепления Ψ2 лишь за счет составляющей тока статора I1x.

При этом вектор тока статора

равный по модулю току I1x будет совпадать по направлению с вектором

равным по модулю потокосцеплению Ψ2х .

Если подобного совпадения не произойдет, то появление составляющей I1у ≠0 вызовет формирование электромагнитного момента М≠0 и при
Мс = 0 начало движения вала ротора АД.

будет неподвижным в пространстве, а ток I1 постоянным во

времени.

Система координат х, у также будет неподвижна. Подобное состояние АД аналогично условию подачи постоянного тока в обмотку возбуждения ДПТ без подключения его якорной цепи к источнику напряжения.

При поступлении сигнала задания скорости АД …….

При увеличении нагрузки на валу АД система управления должна обеспечивать поворот вектора

относительно вектора

таким образом, чтобы, во первых, составляющая I1х оставалась неизменной, сохраняя постоянство потокосцепления Ψ2х, а, во вторых, - составляющая I1у должна увеличиваться до значения, при котором электромагнитный момент станет равным моменту сил сопротивления на валу АД и двигатель выйдет в установившийся режим работы.

Результирующая составляющая токов статора и ротора по оси у создает составляющую потокосцепления Ψμу

простая, чем с опорным вектором Ψμ , структура управления. В

соответствии с диаграммой она должна иметь два канала управления: потокосцеплением Ψ2 и скоростью двигателя. Канал управления Ψ2 реализуется двухконтурным: с внутренним контуром управления составляющей I1х тока статора и с внешним − по модулю потокосцепления ротора.

Двухконтурным может быть и канал управления скоростью АД, включающий внутренний контур управления составляющей I1у тока статора и внешний − по угловой скорости ротора.

Недостаток систем с опорным вектором потокосцепления ротора в том, что его определение возможно лишь расчетным путем на основе параметров АД, как правило, известных не точно и изменяющихся при его работе

При стабилизации потокосцепления ротора (при Ψ2 = const) механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ независимого возбуждения.

короткозамкнутого АД при питании от источника напряжения в системе координат

х, у при ориентации вектора потокосцепления ротора по оси х определяются соотношениями

определим зависимости между переменными ψ2 и I1, исключив из уравнений переменные ψ1 и I2

– коэффициент рассеяния магнитного поля АД.
Окончательно для статора


для

роторной цепи

вид:




Если представить в осях х,у составляющие ЭДС, наводимые в

статоре, как

где соотношение

и
характеризуют ЭДС самоиндукции или падение напряжения на

индуктивном сопротивлении цепи статора, а

− учитывает составляющую ЭДС вращения, наводимую в статоре потокосцеплением ротора, то уравнения для составляющих напряжения статора примут вид:

или в операторной форме

будут иметь вид



Т2 = L’2/ R’ 2
электромагнитный момент АД

при ориентации Ψ2 по оси х в операторной форме определится как

М (р)- Мс (р) = Jрω (р)

Составляющая L12I1у /Т2 = к2R΄2I1у , пропорциональная падению напряжения на активном сопротивлении ротора, после деления на его потокосцепление Ψ2x преобразуется в сигнал, пропорциональный скольжению s двигателя

ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом двигателя и составляющей

намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с потокосцеплением ротора.

Сигнал задания потокосцепления ротора⏐Ψ2⏐з 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.

ортогональной система координат (α , β ), жестко связанна с неподвижным статором двигателя, причем ось α совмещается с магнитной осью статорной обмотки фазы А:

Ψμ.α =

Ψμ.а ;

Ψμ β =

(

Ψμ.а +Ψμ.b ).

Ψμ α - (L’2 -L12) I1α ;
Ψ2β =

Ψμβ - (L’2-L12) I1β

Вектор-фильтр выделяет модуль вектора потокосцепления ротора

⏐Ψ2⏐=

И cosϕ0эл = Ψ2α /⏐Ψ2⏐, sinϕ0эл = Ψ2β / ⏐Ψ2⏐,

Поскольку вектор потокосцепления ротора в системе координат х, у совмещен с осью х

⏐Ψ2⏐=Ψ2х, Ψ2у = 0

аналогии с двигателем постоянного тока сравнимо с действием тока в

цепи его обмотки возбуждения. При этом электромагнитный момент двигателя пропорционален составляющей тока I1y подобно току якорной цепи двигателя постоянного тока.

Для поддержания постоянства электромагнитного момента при изменениях модуля потокосцепления ротора введен по блок деления БД выходного сигнала РС на ⏐Ψ2⏐.

Если в системе дифференциальных уравнений выполнить компенсацию составляющих Е1х и Е1у, то без их учета подобно электроприводам постоянного тока

КП1 осуществляет преобразование

U1α = U1x cosϕ0эл – U1y sinϕ0эл ; U1β = U1x sinϕ0эл + U1y cosϕ0эл .

В преобразователе фаз ПФ

+ U 1β ),
( -
U1α - U1β )
U1c

=

формируются трехфазные синусоидальные сигналы U1a, U1b, U1c,

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

Wпч (p) = U1x(p)/U1xз(p) = U1y(p)/U1yз(p) = кп /(Тп р + 1),

передаточные функции между составляющими напряжений U1xз, U1уз и токов статора I1x, I1у определятся как

постоянного тока. Поэтому при настройке контуров регулирования на модульный оптимум

определение параметров передаточных функций регуляторов тока Wр.т(р), потокосцепления Wр.п (р) и скорости Wр.с (р) выполняется аналогично:

кр.т = Т1э /Ти1

аI = 2 ÷4

кр.п = Т2 /Тип

кр.с=2J ко.т/(3 рп к2 ко.саωаI Тп)

особенностью систем управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора

является модульный принцип построения систем управления.

Структуры управления выбираются по технологическим требованиям к электроприводу и его эксплуатационным особенностям.

Обратить внимание, что ЗИ, формируют на выходе два сигнала управления. Основной сигнал ωз и сигнал dω/dt , который задает динамическую составляющую электромагнитного момента Мдин с учетом коэффициента передачи км, пропорционального приведенному к валу АД моменту инерции.

Сумматор ∑3 формирует задание электромагнитного момента АД Мзр.

Практическая реализация задания электромагнитного момента требуют наличия датчика статического момента на валу АД.

в основном для электроприводов, где требуются повышенные динамические показатели качества

регулирования.

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 Мо1 и Мо2, уменьшающие уровень задания электромагнитного момента АД.

В блоке А3 с учетом максимального значения напряжения питания АД U1max и реального значения составляющей тока статора I1x и с выбором максимально допустимого тока статора I1max определяется вектор максимально допустимой составляющей тока статора I1у.max. Выходной сигнал блока I1у.max⋅Ψ2, пропорциональный реальному максимально допустимому электромагнитному моменту АД и контролирует ограничение выходного сигнала Мз∑ .

блок деления
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 I1у обеспечивается ЗИТ. Его выходной сигнал, суммирующийся на ∑6 с сигналом отрицательной обратной связи с выхода РID, определяет задание составляющей тока статора I1 у .

В ∑5 сравниваются сигналы Ud.ist и 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).

связь между реальной частотой f1 выходного напряжения преобразователя и потокосцеплением

ротора АД определяет постоянство ψ2з на уровне задания номинального потокосцепления ротора ψ2ном при f1 ≤ f1н и уменьшение ψ2з при f1 > f1н.

Сигнал f1max рассчитывается по математической модели АД в блоке А4 в зависимости от заданного максимально допустимого напряжения питания статора U1max.

Сигнал ψ2з задания потокосцепления ротора с выхода блока А5 в результате перемножения на выходной сигнал блока А7 преобразуется в сигнал ψ*2з, изменяющийся с темпом, определяющим время возбуждения 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 I1уз поступает на блок А8, где при заданных минимально допустимом потоке ротора ψ2min и коэффициенте адаптации ка формируется сигнал, определяющий поток ротора в зависимости от нагрузки АД. При включенном контуре адаптации потока ротора блок А9 выделяет минимальное значение сигнала задания ψ*2з.

составляющей тока статора I1x
В блоке UVF выделяются I1у ist

и I1x ist путем векторного преобразования токов I1А и I1С в цепи обмоток фаз А и С статора АД. Угол ϕ0.эл поворота осей координат х и у формируется в блоке А11 согласно частоте f1.

На выходе координатного преобразователя К/Р формируются сигналы u1з и ϕ, определяющие соответственно амплитуду и фазу вектора напряжения в двухфазной системе координат α, β, неподвижной относительно статора АД.

Формирование сигнала f1 задания частоты выходных напряжений UZF обеспечивается суммированием на ∑11 и ∑12 сигнала ω реального значения скорости АД, поступающего с тахогенератора BV, и сигналов
fsI , fsЭ, определяющих частоту скольжения АД соответственно в функции тока и ЭДС двигателя. Вычисление fsI осуществляется в блоке IM математической модели двигателя по току, на вход которого совместно с текущими значениями I1у ist и I1x ist составляющих тока статора в осях х, у подается сигнал R2, пропорциональный сопротивлению ротора АД.

I1у ist и I1x ist составляющих тока статора поступает сигнал R1,

пропорциональный результирующему сопротивлению цепи статора, формируются два выходных сигнала: ψ2 - определяющий потокосцепление ротора, и Ед - пропорциональный ЭДС двигателя.

В системе управления реализуется логика управления, обеспечивающая раздельное подключение сигналов fsI и fsЭ на вход ∑11 и ∑12 в зависимости от заданной частоты выходного напряжения UZF.

Значения сигналов R1 и R2 формируются в блоке А10 тепловой модели АД, куда поступает совокупность сигналов р∑

При Мс = Мс..max , когда произойдет ограничение выходного сигнала uрс 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), при которых скорость идеального холостого хода АД равной ω0.с

установки на валу АД, реализуется в системах, где обратная связь

по скорости заменяется обратной связью по ЭДС двигателя.

Сигнал обратной связи по ЭДС двигателя ωЭ 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 ωз и сигналов fsI и fsЭ с выхода блока MТ математической модели двигателя по току и регулятора ЭДС двигателя. Все остальные блоки схемы управления электроприводом 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

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 uз и сигналом управления моментом uзм блока РБ с релейной характеристикой Остальные блоки и их функциональные связи остаются подобными. Задание постоянной максимальной или минимальной скорости АД обеспечивается внешними сигналами ωmax и ωmin , ограничивающими уровень сигнала uз на входе регулятора скорости. Сигнал uзм определяет направление скорости и ограничение сигнала задания момента М*з∑ на уровне Мmax1 и Мmax2 . Предельно допустимые моменты АД ограничиваются при этом сигналами Могр1 и Могр2 .

Механическая характеристика электропривода в подобной системе при Мс< Мmax имеет абсолютную статическую жесткость при скорости, соответствующей заданию сигналами ωmax или ωmin. При Мс = Мmax механическая характеристика имеет абсолютно мягкий характер, стабилизируя заданный сигналом uзм электромагнитный момент АД

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
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 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 при исходных заданных частотах выходного напряжения меньше и больше номинального их значения.
6. Оценить изменение механической характеристики электропривода в системе управления при вариациях параметров регуляторов скорости, тока, уровней ограничения в блоках БО1, БО2