Алгоритмы управления систем синхронного электропривода

ре­жимах. Такие двигатели используются так же, как генераторы реактивной мощности,

в системе электроснабжения.

В синхронных электроприводах требуется быстродействующая форсировка возбуждения двигателя при работе привода с резкопеременной нагрузкой и при сниже­нии напряжения сети.

Назначение и требования к синхронному электроприводу

В качестве таких АРВ получили применение статические тиристорные возбудители, выпускаемые электротехнической промышленностью в виде комплектных устройств мощностью от 15 до 74 кВт типа ТЕ8-320 и от 40 до 400 кВт типа КТУ

Автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя выполняется по различным алгоритмам в статических и динамических режимах

по одному из следующих алгоритмов обеспечивающих стабилизацию тока возбуждения синхронного

двигателя (Iв= const); напряжения питания (Uп = const); реактивной мощности, вырабатываемой синхронным двигателем (Q = const); cos φ двигателя (cos φд = const ) и cos φ системы питания (cos φп = const).

Непосредственный контроль некоторых регулируемых величин затруднен, поэтому они оцениваются косвенно

Координатами регулирования в синхронных электроприводах являются ток возбуждения (ток ротора) Iв; ток статора (полный I и его активная Iа и реактивная Iр составляющие); фаза тока статора угол φ ; напряжение (питания Uп реактивная мощность двигателя Q и угол мощности двигателя Θ.

Стабилизация тока возбуждения синхронного двигателя осуществляется при всех алгоритмах управления. Ее необходимость определяется изменениями напряжения питания возбудителя и температуры окружающей среды.

Выбор других алгоритмов управления производится в зависимости от вида нагрузки электропривода.

допустимые значения, используется управление, обеспечивающее стабилизацию напряжения питающей сети
(

Uп = const). Это достигается автоматическим регулированием потока реактивной мощности, вырабатываемой или потребляемой синхронным двигателем. Регулируемыми координатами при этом являются реактивная мощность Q, активный Iа и полный I ток статора двигателя. При управлении с алгоритмом Uп =const вводятся ограничения верхнего и нижнего значении тока возбуждения СД, что определяется пределом статической устойчивости двигателя при заданной нагрузке (Iв ≥ Iвmin) и тепловым режимом двигателя (Iв ≤ Iвmax ).

Если нагрузка меняется плавно и колебания напряжения сети незначительны, то осуществляется стабилизация cos φд. Регулируемыми координатами при этом являются угол мощности Θ, а также Iа и I. При переменной нагрузке с превышением ее пиков максимального момента двигателя исполь­зуются алгоритмы Q =const и cos φд = const.

В крупных синхронных электроприводах, работающих с равномерной или плавно меняющейся нагрузкой с большим резервом мощности в сети и колебаниях напряжения питания, не превышающих допустимые значения, применяется стабилизация соs φп.

(Q = const). При этом обеспечиваются минимальные колебания

питающего напряжения

Стабилизация реактивной мощности одновременно обеспечивает максимальное значение вырабатываемой синхронным двигателем реактивной мощности, ограничиваемой его допустимым тепловым режимом. При недостатке реактивной мощности алгоритм Q = const обеспечивает минимум потерь энергии. Регулируемыми координатами при стабилизации реактивной мощности являются Q, Iа и I.

Для осуществления требуемых динамических режимов при возмущающих воздействиях в системе электропривода используются гибкие обратные связи по производной активной составляющей тока статора, обеспечивающей демпфирование колебаний ротора при набросе нагрузки на вал СД, и квадрату активного или полного тока статора, повышающей быстродействие системы автоматического регулирования за счет форсирован тока возбуждения.

(прямой) или пониженном (легкий или тяжелый) напряжениях на обмотке статора,

с автоматической подачей возбуждения с контролем тока статора и форсировку возбуждения до 1,75 Iв ном при снижении напряжения питания двигателя до 15—20% от номинального значения,

Алгоритмы управления формирует задатчик статического режима S. Он получает сигналы обратных связей по току питающей сети Uтп, напряжению Uп и току Uтс статора и вырабатывает сигналы управления, пропорциональные напряжению статора и одной из следующих величин: полному, активному и реактивному токам статора; (углам сдвига фаз питающей сети φп и двигателя φд и реактивному току питающей сети.

Задатчик угла Sφ работает аналогично задатчику статического режима S и предназначен для изменения угла нагрузки, когда S изменяет другие переменные

При превышении током ротора его номинального значения используется ограничитель тока ротора AF, который с выдержкой времени, включает отрицательную обратную связь по току ротора, снижающую ток ротора до номинального значения.

определяется
Eв= uивkyknв
Стабилизация напряжения питания при спокойной нагрузке осуществляется

за счет отрицательной обратной связи по напряжению

uув =

+ kн(Uзп – uп)

Отрицательная обратная связь по напряжению в комбинации с отрицательной связью по току возбуждения позволяет при резко переменной нагрузке стабилизировать реактивную мощность за счет изменения Uзп в функции изменения реактивного тока статора

и квадрату активной составляющей тока статора, обеспечивающие соответственно демпфирование колебаний

ротора и форсировку тока возбуждения СД. Тогда напряжение управления АРВ

uув =

+ kн(Uзп – uп) + kта1 diа /dt + kта 2 iа2

Для регулирования реактивной мощности (Q = const) в электроприводах с резкопеременной нагрузкой используются отрицательные обратные связи по току возбуждения и по реактивному току статора, а для требуемых динамических режимов используется еще связь по производной и квадрату активной составляющей тока статора, обеспечивающие демпфирование колебаний ротора и форсировку тока возбуждения

uув =

+ kтр(Iзр – iр) + kта1 diа /dt + kта 2 iа2

пропорциональные производной uта,1 и квадрату uта,2 активной составляющей тока статора,

обеспечивающие соответственно демпфирование колебаний ротора и форсировку тока возбуждения при набросе нагрузки на СД

Минимальное значение тока возбуждения задается в виде уставки Uзтв,min; подаваемой на регулятор АА2, а максимальное — через регулятор АА1 в виде напряжения ограничения Uогр.

Это напряжение формируется в дополнительном пропорциональном регуляторе тока возбуждения ААЗ, на вход которого подаются уставка максимального значения тока возбуждения Uзтв,max и напряжение обратной связи uтв,ср , пропорциональное среднеквадратичным значе­ ниям токов статора и ротора, получаемое с интегратора AJ

На входе AJ напряжение задания тока Uзт сравнивается с сигналами, пропорциональными полному току статора uтс и току возбуждения ротора uтв

возбуждения; Тв' — постоянная времени, учитывающая взаимную индуктивность обмоток ротора

и статора; Тв" — постоянная времени, учитывающая не мгновенное нарастание Δ uв .

kсд — коэффициент СД; Трт — постоянная времени датчика реак­тивного тока

Напряжение питания СД приближенно оценивается по реактивному току статора

тока

Iр° — фиксированное установившееся значение реактивного тока статора; ωс

— угловая частота тока статора; хд — реактивное фазное сопротивление двигателя

Электромагнитный момент СД оценивается активным током

ΔI а - ΔIас = -ТэТм р2ΔΘ

За малую некомпенсируемую постоянную времени принимается Tμ = Tпв + Tв'+ Tв" + Tтр

пропорционально-интегральным с передаточной функцией

Регулятор напряжения выполняется пропорциональным с нелинейной

характеристикой.

в виде дифференциального регулятора (ДР) AD и регулятора форсировки (РФ)

AL

Д Р обеспечивает демпфирование колебаний ротора при набросе нагрузки на вал СД. В этом случае передаточная функция системы регулирования равна

Оптимальный коэффициент демпфирования колебаний получается при

; Т2 = Т1 - Тктр; Тктр — постоянная времени

замкнутого контура регулирования реактивного тока

Регулятор форсировки возбуждения АL осуществляет форсировку тока возбуждения, пропорциональную сигналу квадрата активной составляющей тока, формируемому квад­ратичным преобразователем U. Постоянство знака сигнала обратной связи по iа обеспечивает устройство выделения мо­дуля АР

СД его обмотка статора питается от преобразователя частоты, обеспечивающего регулирование

частоты и напряжения питания СД

Такие СЭП позволяют обеспечить двухзонное регулирование скорости как вниз, так и вверх от синхронной скорости

При регулировании скорости СД, так же как и в АД, необходимо вместе с регулированием частоты f осуществлять регулирование напряжения U

Cистемы с СД получаются проще из-за отсутствия необходимости стабилизации скорости при изменении нагрузки

Разомкнутые СЭП применяются при продолжительных режимах работы синхронного электропривода, в которых основное значение имеют статические установившиеся режимы

быстродействием. При необходимости высоких быстродействий для электроприводов, работающих в кратковременных

и повторно-кратковременных режимах, используются замкнутые системы регулирования скорости и момента с управлением преобразователем частоты в функции положения ротора или положения результирующего вектора потокосцепления. Для управления такими СЭП применяется векторное управление.

работе в двигательном режиме ротор отстает от поля статора на

угол Θ = φо - φ, где φо = ωоt — угол, определяемый вращением поля статора, а φ = ωt — вращением (положением) ротора.

Потокосцепления с учетом, что для явно полюсного рото­ра СД L1d ≠ L1q и L12d ≠ L12q :

поля ротора, отставая от него на угол
Θ, как и

поле статора

Разработаны различные системы векторного управления СД

Особый интерес представляет система с управлением инвертором ПЧ в функции положения ротора

коммутатора (коллектора), осуществляющего переключение обмоток статора при повороте вала ротора

на определенный угол

AU2, представляющей собой формирователь и распределитель импульсов, управляющих переключением тиристоров

переключение осуществляется в функции угла поворота вала ротора φ, контролируемого и задаваемого датчиком положения BQ

угол Θ не зависет от момента нагрузки и определяется лишь начальной установкой датчика, т. е. его ориентированием относительно геометрических осей машины. Поэтому электропривод с ВД более устойчив, чем с СД, так как у него нет склонности к качаниям ротора и возможности потери статической устойчивости, поскольку процесс коммутации тиристоров UZA происходит только при повороте poтоpa на угол φр.

Для упрощения конструкции ВД на его роторе вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты, что исключает применение коммутационного вращающегося узла в роторе

Однако ВД лишили основного положительного свойства СД —независимости скорости от нагрузки. В механических характеристиках ВД появился статизм, что в общемто не является большим недостатком и легко исправляется в СЭП с подчиненным регулированием координат

возможно исправить, если включить обмотку ротора последовательно в звене постоянного

тока скомпенсировать влияние реакции якоря увеличением по­тока возбуждения пропорционально току статора СД. Тогда получается машина последовательного возбуждения с ее мягкими нелинейными механическими характеристиками.

Синтез регуляторов тока и скорости производится по структурной схеме, применяемой для СЭП постоянного тока