Куда надо?:

Автобиография Индивидуальное задание (блок вопросов) Публикации Ссылки Библиотека Магистратура ДонНТУ Поисковая система ДонНТУ

Актуальність теми: використання систем частотного керування двигунів змінного струму є дуже перспективним напрямком у електроприводі, бо ці двигуни мають цілий ряд переваг над двигунами постійного струму, головні з яких - меньша собівартість на вища надійність. Проте темі векторного керування приводів змінного струму присвячено не так богато робіт, а головне - майже відсутні приклади працездатних моделей систем для їх дослідження без експериментальних випробувань.

Наукова новизна: запропоновано використання додаткового спостерігача статичного моменту навантаження у системі векторного керування зі спостерігачем потокозчеплення другого порядку, що дозволяє на порядок покращити динамічні характеристики системи та отримати астатизм за навантаженням, що доведено результатами моделювання системи у пакеті MatLAB.

Об‘єкт роботи: система векторного керування асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором. Були синтезовані регулятори для системи відрахування, зв’язаної з вектором потокозчеплення ротора. Система регулювання має два канала керування: модулем вектора потокозчеплення ротора та кутової швидкості ротора. Двуканальна система дає можливість здійснити незалежне регулювання модуля вектору потокозчеплення ротора і швидкості ротора при збереженні прямої пропорційності між моментом, що розвиває двигун, і складовою сили статора, що намагнічує, яка знаходиться в квадратурі з хвилею потокозчеплення ротора. З двох автономних підсистем одна виконана як система стабілізації, а друга – як програмна. . Перехресні зв'язки, що характеризують взаємозв'язок контурів регулювання фазних струмів в системі відрахунку d,q, компенсуються, оскільки їх дія істотно впливає на роботу системи автоматичного регулювання. Сигнал потокозчеплення формується за допомогою пристрою спостереження повного порядку, який використовує сигнал струму та швидкості, які досить легко вимірюються в системі ЕП.

Регулюємий електропривод використовується в промисловому обладнанні вже довгий час. На початку його розвитку виникали значні ускладнення з апаратною реалізацією керування. В той час обчислювальні машини були аналоговими, що не дозволяло проводити операції перемноження та розподілу у великому обсязі. Тому об’єкт регулювання повинен був мати дуже простий математичний опис. Таким вимогам ідеально відповідав двигун постійного струму з незалежним збудженням, який і став основою практично всіх глибоко регулюємих електроприводів. Характерною рисою цієї машини є можливість роздільного керування намагнічуванням машини та її електромагнітним моментом, що дозволяє побудувати відносно прості двозонні системи каскадного регулювання. Однак, у противазі до даних переваг, у двигуна постійного струму є і великі недоліки, пов’язані з особивостями його конструкції. Колектор машини був самим вузьким звеном в системі. Процес комутації накладав суттєві обмеження на максимальну номінальну потужність двигуна та його перевантажувальну можливість. Розміщення щіток та колекторних пластин на валу істотно ускладнювало виготовлення та обслуговування машини, що, в свою чергу, призводило до високої вартості привода та великим експлуатаційним витратам. Треба було віднайти можливість використання більш простого, надійного та невимогливого двигуна. Такий двигун був у розпорядженні проектувальників приводів. Це був асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.

Але, як відомо, асинхронний двигун, з її складною нелінійною електромагнітною структурою з перехресними зв’язками, порівняно з машиною постійного струму, має значно складніший математичний опис. З цієї причини довгий час частота обертання регулювалася за принципом компенсації ковзання. На допомогу прийшов метод векторного керування, оснований на представленні фазних електричних величин у векторному виді у системі координат, що обертається з полем. Таке представлення настільки спростило диференційні рівняння двигуна, що стало можливим роздільне керування збудженням, за допомогою повздовжньої складової струму статора, та моментом, пропорційним поперечній складовій. Внаслідок цього розподілу, математичний опис прийняв вид, подібний до двигуна постійного струму, що дозволило використати добре опробуваний принцип каскадної побудови системи регулювання з підпорядкованими контурами струмів. Проте, для проведення орієнтації за полем та компенсації перехресних зв’язків виникла необхідність проводити складні математичні операції, такі, як перемноження величин та розрахування тригонометричних функцій. Достатньо точно це може бути здійснено тільки при використанні цифрових обчилювальних машин, розвиток та широке використання яких стало характерною рисою сучасного часу.

Збільшення потужності та одночасне зменшення вартості мікропроцесорної техніки, а також досягнення силової електроніки дозволили не тільки створити регулюємий електропривод на базі асинхронного двигуна , який не уступає за якістю приводу постійного струму, а і надали системам керування зовсім нові можливості. Це, в першу чергу, автоматичне самонастроювання системи, яка здійснюється ідентифікацією параметрів підключеного двигуна, та режим роботи без датчика швидкості.

Роздільне керування швидкістю та потокозчепленням асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором можливо ефективно провадити, використовуючи принцип векторного керування . Координати електропривода, що були виміряні в нерухомій системі координат, можуть бути перетворені до системи координат, що обертається , а з них можуть бути виділені постійні значення, пропорційні складовим векторів системи координат, що обертається . По цим координатам і виконується керування. Реалізація керування асинхронного двигуна в системі відрахування, що зв‘язана з вектором потокозчеплення ротора, вимагає високої точності у визначенні його просторового положення (і наступної переробки в системі автоматичного регулювання) за допомогою датчиків Холла миттєвих значень поля в двох точках повітряного зазору, зсунутих на , або розрахована. Перевага надається першому способу, оскільки похибка у вимірі кута , властива другому способу, призводить до коливальності електромагнітного момента. Тому у роботі був використаний перший спосіб.

Принцип полеорієнтованого векторного керування полягає у тому, що усі вхідні та вихідні координати асинхронного двигуна розглядаються відносно системи відліку, пов‘язаної з вектором потокозчеплення ротора. Для практичної реалізації глубокорегульованого частотного електропривода з асинхронним короткозамкненим двигуном із погляду роздільного керування швидкістю і потокозчепленням двигуна найбільше раціональним є принцип векторного керування. Координати електропривода, обмірювані в нерухомій системі, можуть бути перетворені до системи координат, що обертаеться, і з них можуть бути виділені постійні значення, пропорційні складових векторів у необхідній системі координат.

Вихідною інформацією для побудови системи векторного керування є інформація про миттєві значення і просторове положення вектору потокозчеплення в повітряному зазорі, миттєвих значеннях струмів і напруг статора і швидкості ротора двигуна. По цих координатах і провадиться керування. Зручні алгоритми керування мають місце при орієнтації координатної системи щодо вектора потокозчеплення ротора.

Система має два канали підпорядкованого керування: модулем вектора потокозчеплення ротора і кутової швидкості ротора з внутрішними контурами Isd та Isq. Двоканальна система дає можливість здійснити незалежне регулювання модуля вектора потокозчеплення ротора і швидкості ротора при збереженні прямої пропорційності між моментом, що розвивається двигуном, і складової сили статора, що намагнічує. З двох автономних підсистем одна виконується як система стабілізації, а друга - як система програмного керування.
Функціональна схема системи векторного керування зображена на рисунку 1.2.


Рисунок 1 – Структурна схема системи векторного керування зі зворотнім зв‘язком за динамічним моментом та використанням спостерігачів потокозчеплення та моменту

У аналізі рівнянь, отриманих при розробленні моделі асинхронного електродвигуна в системі координат, що обертається зі швидкістю поля ротора, можна встановити однозначні залежності модуля вектора потокозчеплення ротора від струму , моменту двигуна від струму . якщо скомпенсуовати в правих частинах рівнянь такі зв‘язки:






З урахуванням компенсації цих зв‘язків, рівняння записуються в наступному вигляді:



Динамічні властивості перетворювача частоти (ПЧ) із блоками виміру і перетворення координат можуть бути спрощено враховані введенням еквівалентної інерційної ланки з передатною функцією:



Після введення позначень

та переходу до операторної форми рівнянь, одержимо передатні функції, що характеризують динамічні процеси в асинхронному електродвигуні при векторному керуванні об‘єктом асинхронний двигун-автономний інвертор напруги з швидкодіючими ключами:

Структурна схема системи електропривода змінного струму з векторним керуванням, складена на основі цих рівнянь, аналогічна структурній схемі системи електропривода постійного струму при двозонному регулюванні швидкості.

У системі регулювання швидкості асинхронного електродвигуна, з підпорядкованим зворотним зв'язком за струмом , застосовується локальна система стабілізації потокозчеплення ротора. У якої застосований підпорядкований зворотний зв'язок по струму . Використанням системи стабілізації потокозчеплення ротора забезпечується умова автономності. Ця умова дасть можливість виконати синтез регуляторів потоку і струму незалежно від координат системи стабілізації швидкості і струму .

Отримані результати моделювання системи векторного керування зі спостерігачем потокозчеплення ротору показали: реальне значення модулю вектора потокозчеплення ротору (з моделі двигуна) та його оцінка зі спостерігача стану при роботі без навантаження майже збігаються (точність визначення потокозчеплення досить висока), а головним недоліком такого спостерігача є те, що при накиді навантаження система стає непрацездатною із-за виникнення помилки оцінки потокозчеплення ротору, що досягає 90%. Для нормальної роботи спостерігача необхідно на нього заводити визначений статичний момент навантаження.

Момент опору зазвичай ідентифікується, як: Mc=M-Md де M – момент двигуна, який можна обчислити; Md – динамічний момент двигуна, який ідентифікується з шляхом диференціювання. Саме наявність ланки диференціювання є недоліком цього засобу визначення статичного моменту навантаження, бо реальна ланка, що диференціює має досить велику похибку та призводить до підсилення шумів у системі. Тому пропонується застосувати додатковий спрощений спостерігач першого порядку для визначення статичного моменту навантаження. Це також дозволяє визначити динамічний момент двигуна для надання системі астатизму за навантаженням без застосування ПІ-регулятора швидкості. Як можна побачити з результатів моделювання, похибка відновлення модуля вектора потокозчеплення ротору при використанні спостерігача моменту першого порядку в усталеному режимі дорівнює нулю. Також система стала астатичною за навантаженням, тобто відсутня похибка відробки швидкості при навантаженні двигуна.

Висновки: У ході роботи був синтезований спостерігач стану другого порядку для визначення потокозчеплення ротору та спостерігач першого порядку для визначення моменту статичного навантаження двигуна та динамічного моменту. Використання спостерігача для визначення моменту статичного навантаження двигуна дозволило виключити ланку диференціювання, що покращує характеристики системи в плані меншої чутливості до шумів. Застосування зворотного зв‘язку за динамічним моментом призвело до отримання астатизму системи за збуренням (навантаженням) без використання ПІ-регулятору швидкості, що дозволяє знизити перерегулювання за моментом та струмом.