РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ НПЧ-АД

Научные проблемы управления электроприводом переменного тока по системе «непосредственный преобразователь частоты-асинхронный двигатель» (НПЧ-АД) в настоящее время приобрели особую актуальность и практическую значимость в связи с появлением современных технических средств. Особый комплекс требований предъявляется к системам управления электроприводами основных механизмов одноковшовых экскаваторов, работающих в интенсивном повторно-кратковременном режиме с активной нагрузкой.

В работе /1/ рассмотрены варианты электроприводов постоянного и переменного тока для одноковшовых экскаваторов. На кафедре АЭП МЭИ (ТУ) ведутся разработки систем векторного управления НПЧ-АД. Причем, компоновка НПЧ выполнена из реверсивных модульных тиристорных преобразователей ПТЭМ-2Р в объектно-ориентированном экскаваторном исполнении /2/. Такое построение системы электропривода вносит свои особенности в реализацию алгоритма векторного управления.

Разработаны два устройства (задающие генераторы синусоидальных сигналов) с реализацией векторного управления по абсолютному скольжению. Первое из них имеет цифро-аналоговое исполнение. Структурная схема его приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема цифро-аналогового задающего генератора

Цифро-аналоговый задающий генератор (ЗГ) имеет каналы управления напряжением и током преобразователя. Он содержит блок 6 вычисления параметра абсолютного скольжения U??, равного разности сигналов задания U_w0эл.3 и фактической скорости привода U_w, сигнал которой поступает от импульсного датчика положения ротора (ИДПР) через блок 5 вычисления скорости двигателя. Управляющий сигнал U?0эл.З от задатчика интенсивности (ЗИ), проходя через блок 1 управления, поступает на вход преобразователя напряжение-частота 2, импульсы которого, с частотой пропорциональной заданию U_w0эл.3, поступают на реверсивный счетчик 3, а затем в блоки формирования тригонометрических функций (БТФ1 и БТФ2). Они формируют функции sinw_0эл. и cosw_0эл., которые используются в координатных преобразованиях переменных от осей x, y к осям alfa, beta. Блок координатных преобразований (БКП1) задающего генератора формирует сигналы u? и u?. Далее из двухфазной системы, в результате фазовых преобразований в блоке БФП1, формируются гармонические сигналы управления напряжением преобразователя для фаз А, В и С. Для управляющих сигналов токового канала в генераторе предусмотрены блоки координатных (БКП2) и фазовых (БФП2) преобразований. На входы БКП1 в канале напряжения поступают аналоговые величины проекций u1x и u1y, которые вычисляются в блоке 9. Формирование проекций i1x и i1y в токовом канале выполняет блок 10.

Для реализации бездатчикового варианта электропривода в ЗГ дополнительно введен блок 8 формирования параметра абсолютного скольжения, в котором реализуется зависимость delta w = f (w_0эл.З). Переключение с датчиковой системы на бездатчиковую осуществляется джампером 7. Кроме того, для задающего генератора разработан узел 4, позволяющий работу преобразователя на частоте 50 Гц в режиме синхронизации с сетью.

Таким образом, разработанное устройство позволяет строить системы НПЧ-АД с векторным управлением как для объектно-ориентированных (экскаваторы, бурстанки и т.п.), так и для общепромышленных электроприводов (насосы, вентиляторы, нагнетатели и т.п.).

Второе устройство создано с использованием микропроцессорных средств. Его блок-схема представлена на рис. 2.

Микропроцессорный задающий генератор (МЗГ) реализует все основные алгоритмы векторного управления преобразователем частоты, как и первое устройство. Он содержит блок обработки сигналов (БОС), микропроцессор канала формирования управляющих векторов напряжением преобразователя (МП1) и микропроцессор канала переключения тиристорных групп (МП2). БОС включает в себя: вычислитель скорости (ВС), реализованный на микроконтроллере фирмы “Atmel” AT90S4433, который осуществляет формирование аналогового сигнала скорости по дискретным сигналам cos и sin, поступающим от ИДПР, блок регуляторов (БР), вычисляющий параметр абсолютного скольжения delta w для векторного и w₀ – для частоно-токового управления, аналогоцифровой преобразователь (АЦП). Микропроцессоры МП1 и МП2 выбраны также фирмы “Atmel”- ATmega163.

АЦП формирует сигналы i1x, delta w, w₀, которые поступают в два процессора МП1 и МП2. МП1 вычисляет проекции u1x, u1y вектора напряжения в соответствии с выражениями

Здесь составляющая i1x вектора тока статора является намагничивающим током двигателя и при постоянной величине потокосцепления ротора - i1x = const. Составляющая i1y представляет собой активный ток, которому при 0_2max = const пропорционален момент двигателя, причем i1y = ki1y*delta w. Коэффициент ki_1y зависит от параметров электродвигателя. Величина w₀^* представляет собой относительную величину скорости вращения электромагнитного поля. В выражении (2) E1ном - номинальное значение э.д.с. вращения.

В МП1 и МП2 в блоках формирования скорости (БФС) и тока (БФТ) вычисляются w₀^* и i_1y на основании сигналов, определяющих модули и знаки их значений. Сформированные значения i_1x, i_1y и w₀^* поступают на вход блока вычисления напряжений (БВН), осуществляющего вычисление заданных значений напряжений в осях x, y в соответствии с выражениями (1) и (2). Над полученными значениями проекций u_1x и u_1y в блоках БКП и БФП первого процессора производятся координатные, а затем фазовые преобразования. В результате на выходе МП1 создается трехфазная система сигналов Ua , Ub , Uc для управления напряжением преобразователя. Аналогичным образом МП2 формирует сигналы задания Ia , Ib и Ic , используемые для переключения реверсивных комплектов тиристоров. Процессоры МП1 и МП2 синхронизированы друг с другом, так что две формируемые трехфазные системы векторов связаны между собой.

Кроме перечисленных функций, оба микропроцессора осуществляют постоянный контроль задающего сигнала и при определенных условиях меняют алгоритм управления. К примеру, МЗГ обеспечивает синхронизированную с сетью работу системы НПЧ-АД на частоте 50 Гц. Кроме этого, в структуре МЗГ заложены широкие возможности для реализации бездатчикового управления электроприводом.

Литература

1. Портной Т.З., Парфенов Б.М., Коган А.И. Современное состояние и направления развития электротехнических комплексов одноковшовых экскаваторов. Изд. «Знак». Отпечатано в ОАО «Электропривод». – 2002,114 с.

2. Ключев В.И., Миронов Л.М., Ефимов В.Н. Серия унифицированных модульных тиристорных преобразова- телей для тяжелых условий эксплуатации // Горные машины и автоматика. – 2001. - № 10. - С. 25-27.