Принципы построения систем векторного частотно-токового управления

Система векторного управления асинхронным электроприводом в наиболее общем случае должна решать задачи регулирования и стабилизации момента и скорости двигателя.

Формирование момента АД в соответствии с (4.40), (4.42) возможно за счет воздействий на абсолютные значения векторов потокосцеплений , токов и фазовых сдвигов между ними. От того, какие вектора выбраны в качестве регулируемых будет зависеть принцип построения и техническая реализация системы управления электроприводом.

Если воспользоваться уравнением 1 соотношения (4.42), то в качестве регулируемых будут выбраны вектора и . Их диаграммы в соответствии с рис. 4.7 выделены на рис. 7.1, а . Здесь же приведены вектора токов намагничивания I_m , ротора I'₂ и даны проекции векторов тока статора и ротора на оси x, y. Анализ рис. 7.1, а позволяет интерпретировать АД как эквивалентную машину постоянного тока.

Если ротор АД сопоставить якорю двигателя постоянного тока (ДПТ), а статорные обмотки – обмоткам возбуждения ДПТ, то составляющая тока статора I_1х , синфазная потокосцеплению , может интерпретироваться как ток возбуждения ДПТ, составляющая I_1у – как ток его компенсационной обмотки, составляющая I_2у – как поперечная составляющая поля якоря ДПТ , составляющая I_2х – как размагничивающая продольная реакция якоря. Из рис. 4.1, а видно, что потокосцепление определяется током

и, следовательно, в системе координат x, y, связанной с вектором потокосцепления , составляющие I_1у и I_2у равны и имеют разные знаки, а встречно направленные составляющие I_1х и I_2х определяют модуль потокосцепления

.

В приведенной интерпретации отличительные особенности АД от ДПТ в том, что на статоре АД нет отдельно эквивалентной обмотки возбуждения и компенсации поперечной реакции якоря (эти обмотки как бы совмещены), а ось х, связанная с потокосцеплением

вращается относительно статора со скоростью .

Эти особенности формирования момента по (4.42) определяют основные положения при технической реализации системы векторного управления. Так вектор может быть определен измерением с помощью датчиков Холла его составляющих Y_ma и Y_mb на неподвижные относительно статора оси a и b (рис. 4.1), как . При этом модуль потокосцепления

, а угол между осями a, b неподвижной системы координат и осями x, y системы координат, вращающейся со скоростью

j_0.эл = arc cos (Y_ma / êY_mê).

Составляющие вектора в системе координат a, b могут быть определены через токи фаз статора I_А, I_В, I_С как [1]

; .

В системе координат x, y проекции вектора тока I_1a и I_1b определяются как [8]

; . (7.1)

Они представляются сигналами постоянного тока и не зависят от частоты питания АД. Учитывая это, система векторного управления может строиться аналогично системам управления двигателями постоянного тока, где составляющая I_1x тока статора определяет потокосцепление y_m АД (магнитный поток ДПТ), а составляющая I_1у является моментной составляющей тока статора (подобна току якоря ДПТ).

Таким образом система векторного управления с опорным вектором потокосцепления y_m должна иметь два канала управления: канал управления модулем y_m и канал управления угловой скорости ротора АД. По аналогии с ДПТ канал управления скоростью должен содержать внутренний контур управления составляющей тока статора I_1у, эквивалентной току якоря ДПТ, и внешний контур управления угловой скоростью ротора. Канал управления модулем потокосцепления y_m должен содержать контур управления составляющей тока статора I_1x , эквивалентной току возбуждения ДПТ. Хотя по своей функции этот канал и подобен каналу управления магнитным потоком ДПТ, он более сложен, поскольку взаимосвязь модуля y_m , составляющих тока и напряжения статора по оси х характеризуется дифференциальными уравнениями второго порядка. На этот канал оказывает влияние и составляющая тока статора I_1у в виде трансформаторных ЭДС, пропорциональных рассеяниям статора и ротора [8].

Важной особенностью системы управления с опорным вектором потокосцепления y_m является возможность его прямого измерения с помощью датчиков, установленных в воздушном зазоре АД. Подобные системы имеют более высокие показатели качества управления по сравнению с системами, где используется косвенный (расчетный ) путь определения сигналов обратных связей.

При стабилизации потокосцепления ротора (при Y₂ =const) механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ независимого возбуждения (4.4.4). Поскольку теория и технические решения замкнутых систем управления электроприводом с ДПТ независимого возбуждения достаточно апробированы, то понятна привлекательность применения систем векторного управления с управлением по потоку ротора.

Векторная диаграмма токов и потокосцеплений АД при стабилизации потокосцепления ротора приведена на рис. 7.1, б. Здесь ось х совмещена с вектором . При этом ; ; I'_2х = 0; I'_2у = - Y₂ w_0н s_а / R'₂ , т.е. в установившемся режиме вектор тока ротора перпендикулярен вектору , а составляющие тока статора

; , (7.2)

где - электромагнитная постоянная времени цепи ротора.

В двигательном режиме (s_a >0 ) вектор тока статора

(7.3)

опережает вектор на угол . (7.4)

При этом вектор тока ротора отстает от на угол 90 эл. град. и при Y₂ = const модуль тока ротора меняется пропорционально абсолютному скольжению.

Из (7.2) – (7.4) следует, что конец вектора скользит вдоль прямой 2, перпендикулярной вектору (рис. 7.1, б). При этом составляющая I_1x определяет потокосцепление Y₂ , а I_1у компенсирует влияние на него реакции ротора.

Результирующая составляющая токов статора и ротора по оси у создает составляющую потокосцепления . При этом конец вектора будет скользить по прямой 3, перпендикулярной вектору . Аналогично годограф вектора характеризуется прямой 4 (рис. 7.1, б).

В соответствии с уравнением 5 системы (4.36) электромагнитный момент АД определяется взаимодействием ортогональных составляющих потокосцепления ротора Y₂ = Y_2х = L_m I_1x и тока статора I_1y . Таким образом, при стабилизации Y₂ , как и при стабилизации Y_m , система векторного управления будет подобна системам управления двигателями постоянного тока, где составляющая I_1x тока статора определяет потокосцепление Y₂ АД (магнитный поток ДПТ), а составляющая I_1у является моментной составляющей тока статора (подобна току якоря ДПТ).