В статье представлены материалы, посвященные текущему состоянию систем управления асинхронным электроприводом и тенденции их дальнейшего улучшения, а также затрагиваются проблемы, стоящие перед разработчиками.

Введение

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60 % всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.

Развитие цифровых систем управления

Появление первого микропроцессора в 1971 г. положило начало развитию области цифровой управляющей электроники, относящейся к встраиваемым микропроцессорным системам управления реального времени. За последние двадцать лет произошли качественные изменения в структуре электропривода, связанные в первую очередь с переходом на новую элементную базу построения силового канала (IGBT-транзисторы, интеллектуальные силовые модули IPM) и новую элементную базу канала управления – высокопроизводительные микроконтроллерные системы прямого цифрового управления оборудованием. Речь идет не только о прямом управлении ключами силовых преобразователей, но и о прямом сопряжении с широкой номенклатурой датчиков обратных связей (положения, скорости, ускорения), а также с элементами дискретной автоматики (релейно-контакторной аппаратурой, дискретными датчиками и дискретными исполнительными устройствами). Область управления двигателями и силовыми преобразователями стала ярким примером быстрой адаптации процессорной техники к задачам предметной области[1].

Функции прямого цифрового управления реализуются за счет использования специализированных периферийных устройств, интегрированных непосредственно на кристалл микроконтроллера и не требующих дополнительных развитых средств сопряжения, а также за счет высокопроизводительной архитектуры и системы команд центрального процессора, позволяющей решать большинство типовых задач управления двигателями программным способом (регуляторы, наблюдатели, преобразователи координат и т.п.).

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.

Принципы построения и функциональные свойства систем

Современные системы управления асинхронными электроприводами создаются на основе совокупности взаимосвязанных физических принципов, способов организа¬ции управления и взаимодействия функциональных элементов системы

Основным способом регулирования скорости асинхронного двигателя является регулирование путем изменения частоты напряжения на статоре. Однако параметры механической характеристики определяются не только частотой, но и значением напряжения, т.е. частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые принципиально могут регулироваться независимо друг от друга. Обычно за независимое воздействие принимается частота, а значение напряжения при данной частоте определяет вид механической характеристики, значения пускового и критического моментов. Такой способ регулирования скорости называется частотным (система скалярного управления), а характер согласования напряжения и частоты – законом частотного регулирования.

Типичным представителем законов частотного регулирования является закон U/f = const, когда соотношение между напряжением и частотой статора поддерживается постоянным. Удобство этого закона заключается в том, что электропривод может работать без отрицательной обратной связи по скорости и обладает естественной жесткостью механических характеристик в ограниченном диапазоне регулирования скорости. Этот закон регулирования можно подстроить под различную нагрузку путем выбора соответствующего соотношения между напряжением и частотой статора. Функцио¬нальная схема, реализующая данный закон регулирования, показана на рис. 1. Функциональный преобразователь (ФП) реализует один из законов регулирования, определяемый характером нагрузки. Полупроводниковый преобразователь (ПП) включает в себя автономный инвертор и его систему управления, задатчик интенсивности (ЗИ) формирует медленно нарастающий входной сигнал, необходимый для плавного нарастания скорости асинхронного короткозамкнутого двигателя (АКЗ) без колебаний момента и тока.

Рис. 1. Функциональная схема разомкнутого асинхронного электропривода со скалярным управлением

Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления и, благодаря относительно низкой стоимости, широко используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь это относится к электроприводам насосов, вентилято¬ров, компрессоров. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа систем.

Ко второму типу систем управления относится система векторного управления, обеспечивающая характеристики асинхронного электропривода, близкие к характеристикам привода постоянного тока. Эти свойства системы достигаются за счет разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин.

Функциональная схема, реализующая данный закон управления, показана на рис. 2. Преобразователи координат (ПК) необходимы для перевода модели асинхронного двигателя в систему координат, ориентированную по вектору потокосцепления ротора двигателя. Данный перевод необходим для разделения каналов регулирования. Каждый из каналов регулирования строится по принципу подчиненного регулирования.

При этом структура каждого канала может быть различной в зависимости от требований к системе регулирования. Необходимые для регулирования неизмерясмыс переменные восстанавливаются в наблюдателе. В случаях, когда установка датчика положения ротора затруднена или экономически невозможна, на наблюдатель возлагается дополнительная задача оценки скорости.

Рис. 2. Функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением

Данные системы управления имеют сравнительно более высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости, например, приводы в станках, лифтах, кранах. Следует также отметить, что существует четкая тенденция к отказу от датчиков скорости и разработке алгоритмов оценки механических величин, что ведет к снижению стоимости и повышению надежности системы.

Новым направлением в области разработки высококачественных систем управления являются системы с прямым управлением моментом. Основная идея управления заключается в том, что на каждом шаге расчета определяется оптимальное состояние инвертора напряжения по значению момента и потока статора, из системы исключается широтно-импульсный модулятор как отдельное звено. Система реализует векторное регулирование скорости, математический аппарат которого основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях. Метод одинаково корректен как для переходных, так и для установившихся процессов, что существенно повышает динамический диапазон работы системы, приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки. Задача контура скорости – задать мгновенное положение вектора тока, необходимое для поддержания заданной скорости. Задача контура тока – обеспечить реальное положение и амплитуду вектора тока равными заданным значениям.

Рис. 3. Функциональная схема асинхронного электроприводас прямым управлением моментом

Функциональная схема, реализующая данный закон управления, показана на рис. 3. Блок регуляторов состоит из регуляторов скорости, момента, потока и частоты переключений «ключей». Необходимые для регулирования неизмерясмыс переменные восстанавливаются в наблюдателе. В петле гистерезиса (ПГ) осуществляется регулирование в скользящем режиме вектора потокосцепления статора и момента двигателя на основе заданных и действующих величин. Быстродействующий логический автомат (ЛА), переключает «ключи» автономного инвертора в функции «оптимизации» вектора выходного напряжения по предельным отклонениям момента и потока статора, таким образом, момент переключения инвертора не привязан к периоду ШИМ, а зависит от реальной ошибки вектора тока. Определяющим в работе контура является критерий выбора состояния инвертора при переключениях, который позволяет:

• минимизировать частоту переключений инвертора при малой амплитуде ошибки;
• уменьшить кратковременно возникающую большую токовую ошибку за минимальное время при минимальном количестве коммутаций инвертора.

Данный метод управления током имеет существенные преимущества по сравнению с ШИМ-управленисм. Он позволяет строить более скоростные системы, мгновенно реагирующие на возмущающие воздействия, и одновременно рассеивать меньше энергии в силовых ключах по сравнению с методом ШИМ.

Актуальные проблемы

На современном этапе развития полупроводниковой преобразовательной техники значимой проблемой является создание четырехквадрантных электроприводов переменного тока. Такое построение силовой системы позволяет приводу работать длительное время в тормозном режиме, отдавая при этом в силовую сеть синусоидальный ток. В двигательном режиме работы привод потребляет энергию из силовой сети, не вызывая искажение напряжения источника питания. При этом достигается энергосбережение и уменьшение уровня возмущений на сеть со стороны работающего электропривода. Создание подобных систем вызвано возросшими требованиями к качеству возвращаемой и потребляемой электрической энергии.

Система управления устройства рекуперации строится в прямоугольной системе координат, вращающейся с частотой силовой сети, где одна из осей совпадает с вектором напряжения. Такое построение позволяет прямым образом разделить управление процессами, связанными с активной и реактивной составляющими мощности. В этом случае имеется возможность не только обеспечить требуемое напряжение в звене постоянного тока, но и компенсировать реактивную мощность в сети переменного тока в рамках энергетических возможностей устройства, за счет управления двумя взаимно перпендикулярными составляющими тока.

Для поддержания требуемого напряжения в звене постоянного тока используется система управления с обратной связью по постоянному напряжению, которая вырабатывает сигнал управления для регулятора активной составляющей фазного тока, а для компенсации реактивной составляющей – сигналы обратной связи по току в соответствующем сечении силовой сети. Такая система управления способна компенсировать перекос фаз и гармонические составляющие в сети [2].

В настоящее время значительное внимание уделяется вопросу уменьшения потерь мощности в силовых «ключах» и формирователях несущей частоты при ШИМ-управлении. Уменьшение потерь в силовых «ключах» можно добиться путем уменьшения несущей частоты, но это приведет к росту амплитуд высших гармоник напряжения, а следовательно к увеличению потерь в двигателе. Для решения этой проблемы может быть использован способ многоуровневых автономных инверторов напряжения. Снижение потерь достигается за счет уменьшения мощности «ключей» с увеличением числа уровней инвертора. В таких инверторах в процессе преобразования постоянного напряжения в переменное, производиться квантование напряжения. За счет выбора соответствующих продолжительностей ступеней формируемого ступенчатого сигнала можно осуществить приближение фазного напряжения к синусоиде [3].

Многоуровневые инверторы напряжения для управления асинхронным двигателем позволяют уменьшить потери в инверторе при одновременном улучшении гармонического состава напряжения, питающего двигатель.

Не менее актуально стоит вопрос параметрической идентификации асинхронного двигателя, заключающейся в автоматическом определении параметров эквивалентной схемы его замещения, а также компенсации динамических изменений параметров двигателя вследствие его нагрева. От точности определения параметров схемы замещения будет зависеть точность оценки наблюдаемых переменных. Также следует заметить, что вследствие нагрева машины изменяются активные сопротивления статора и ротора, что также приводит к возникновению ошибок оценивания магнитного потока, а это, в свою очередь, сказывается на снижении энергетической эффективности процесса преобразования энергии и даже потери устойчивости.

На данный момент применяются следующие решения. Производится первичная идентификация параметров в статическом режиме, когда двигатель находится в свободном состоянии, путем подачи на него стандартных возмущающих воздействий. Этот метод позволяет уточнить параметры двигателя в нормальном состоянии. Компенсация вариации параметров двигателя, вызванная его нагревом, осуществляется либо по показаниям датчика температуры, хотя такой способ практически не реализуется, либо путем приблизительной оценки температурной ошибки на основе двойного вычисления составляющих вектора потокосцепления ротора по уравнениям статорной и роторной цепи.

Заключение

Современная промышленность характеризуется использованием высокоэффективных технологий, стремлением добиться высоких эксплутационных характеристик оборудования и уменьшить потери. Все это возможно только при условии повышения качества управления технологическим процессом, в том числе применение высокоэффективных систем управления технологическими объектами и процессами.

На данный момент основные затраты при разработке систем управления приводами приходятся не на создание аппаратной части контроллера, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения. Поэтому роль специалистов в области теории электропривода существенно возрастает.

Литература

1. Козаченко В.Ф. Микроконтроллерные системы управления электроприводами: современное состояние и перспективы развития. http://www.motorcontrol.ru/publications/controllers.pdf

2. Баев А.П., Гончарснко М.Р., Исаков А.С, Осипцсва О.С. Особенности проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов. // Научно-технический вестник СПб ГИТМО(ТУ). Выпуск 14. Информационные, вычислительные и управляющие системы / Гл. редактор В.Н. Васильев. СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2004. С. 16-19.

3. Полякова Л.Ю. Современные преобразователи частоты www.rusnauka.com/Article/Tchnica/10-12/31 .html