Системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

 

Установка датчиков магнитного поля в воздушном зазоре АД в системах прямого управления векторами его потокосцеплений требует дополнительных изменений в конструктивных решениях серийно выпускаемых АД и сопровождается снижением надежности электропривода. Поэтому в современных и наиболее совершенных частотно-регулируемых электроприводах, где системы программного управления реализованы на основе микропроцессорной техники, информация о векторах потокосцеплений электрической машины получается косвенным путем на основе ее математических моделей.

Так, в электроприводах серии Simovert Masterdrives VC фирмы Siemens наиболее развиты системы управления скоростью АД с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления его ротора [14]. Модульный принцип построения их систем управления создает возможность комбинаций различных структур управления моментом и скоростью АД, включая как прямое (с помощью тахогенератора), так и косвенное (по модели) определение реальной скорости двигателя. Выбор структур управления определяется технологическими требованиями к электроприводу и его эксплуатационными особенностями.

 

7.3.1. Системы управления скоростью АД

 

На рис 7.4 представлена функциональная схема системы управления электроприводом серии Simovert Masterdrives VC с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД. Система имеет два основных канала управления - угловой скоростью w и модулем потокосцепления ротора çY₂ç АД, а также два подчиненных им

внутренних контура регулирования составляющих тока статора I_1x и I_1у в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью w_0эл магнитного поля двигателя.

Сигнал задания скорости АД u_з предварительно поступает на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего на выходе два сигнала управления. Основной w_з определяет задание скорости АД с темпом, обеспечивающим ограничение рывков и ускорений в соответствии с технологическими требованиями к электроприводу и максимально допустимыми динамическими перегрузками по току и электромагнитному моменту АД. Дополнительный сигнал dw /dt определяет с учетом коэффициента передачи К_м, пропорционального приведенному к валу АД результирующему его моменту инерции, задание динамической составляющей электромагнитного момента М_дин . Результат его суммирования на å₃ с сигналом М_с, пропорциональным статическому моменту сил сопротивления на валу АД, формирует задание электромагнитного момента АД М_зр. При этом определение реального сигнала М_с и, соответственно, практическая реализация задания электромагнитного момента требуют наличия датчика статического момента на валу АД. Однако техническая сложность, заметные метрологические погрешности существующих датчиков статического момента на вращающихся валах электрических машин и отсутствие серийного их выпуска, как правило, ограничивают их применение в системах электропривода.

Сигнал рассогласования s_а на выходе сумматора å₁ основного сигнала управления w_з и сигнала w реальной скорости АД с выхода тахогенератора BV, пропорциональный абсолютному скольжению АД, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора скорости РС. Его выходной сигнал u_рс формирует сигнал задания М_з электромагнитного момента, необходимого для полной компенсации скольжения АД. На выходе сумматора å₂ результирующий сигнал М_зå определяет полное задание электромагнитного момента с учетом возможных изменений статической и динамической составляющих нагрузок на валу АД.

Подобная комбинированная система задания момента (по возмущению и отклонению) применяется в основном для электроприводов, где требуются повышенные динамические показатели качества регулирования. В наиболее распространенных электроприводах канал управления по возмущению, как правило, используется редко, поскольку требует дополнительной и не всегда точно известной информации о реальных значениях статической нагрузки и моментов инерции на валу двигателя. К тому же два параллельно действующих канала управления по отклонению и возмущению требуют более тщательной их настройки и взаимного согласования. С учетом этого в структуре управления электроприводом серии Simovert Masterdrives VC предусмотрена возможность отключения либо всего дополнительного канала по возмущению, либо сохранения канала коррекции лишь по динамической составляющей момента.

Результирующий сигнал М_зå ограничивается блоком БО1 на уровне задания, соответствующего выбранному максимальному значению электромагнитного момента АД. Задание этого значения определяется внешними сигналами управления М_max1 и М_max2. В зависимости от энергетических режимов работы электропривода предусмотрена коррекция по ограничению максимально допустимых моментов АД (блоки MIN и MAX).

Так, при отсутствии дополнительного блока рекуперативного торможения в силовой цепи выпрямителя на входе автономного инвертора напряжения UZF для ограничения максимально допустимой рекуперируемой активной мощности Р_а.m и, соответственно, ограничения перенапряжения на емкостном фильтре выпрямителя, в режиме рекуперативного торможения АД в блоке А2 в функции от скорости АД или частоты его питания f₁ формируются сигналы М_о1 и М_о2 , уменьшающие уровень задания электромагнитного момента АД. Функциональная связь между Р_а.m , частотой f₁ с учетом ее максимального значения f_1max , качественно отраженная в блоке А2, в электроприводах серии Simovert Masterdrives VC определена их математической моделью и корректируется при автоматической идентификации параметров электропривода.

Ограничение электромагнитного момента АД связано и с выбором максимально допустимого тока статора I_1max. С этой целью в блоке А3 с учетом максимального значения напряжения питания АД U_1max и реального значения составляющей тока статора I _1x по оси x определяется вектор максимально допустимой составляющей тока статора I_{1 у. max} . Выходной сигнал блока произведения I_{1 у. max} на потокосцепление ротора Y₂ , пропорциональный реальному максимально допустимому электромагнитному моменту АД и контролирует ограничение выходного сигнала М_зå .

Для постоянства задания электромагнитного момента при изменении потокосцепления ротора в соответствии с определением момента по (4.42) используется блок деления БД сигнала М*_зå на выходе БО1 на сигнал, пропорциональный Y₂ . Выход БД формирует сигнал задания I_1уз составляющей тока статора по оси у.

Для коррекции по динамической составляющей момента на валу АД в структуре управления электроприводом предусмотрена возможность подключения на вход сумматора å₄ сигнала отрицательной обратной связи, пропорционального производной по скорости АД (устройство А1). Ограничение рывков по моменту АД за счет ограничения темпа изменения составляющей тока статора I_1у обеспечивается задатчиком интенсивности ЗИТ. Его выходной сигнал, суммирующий на å₆ с сигналом отрицательной обратной связью с выхода пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора РID определяет задание на составляющую тока статора I_1у .

Входом РID является выходной сигнал сумматора å₅ , где сравниваются сигналы, пропорциональные текущему U_d.ist и установленному максимально допустимому U_d.max напряжениям на выходе выпрямителя UZF. Рассматриваемый узел способствует управлению моментом АД во время кратковременных отключений или возможных уменьшений напряжения питающей сети преобразователя частоты. При кратковременных отключений сети управление может быть продолжено за счет рекуперации кинетической энергии вращающегося вала АД в цепь выпрямителя UZF. При нагрузках с большим моментом инерции и высокой рабочей скоростью могут быть весьма заметные периоды поддержки рабочего состояния преобразователя.

Сигнал задания потокосцепления ротора y_2з формируется в блоке А5. Функциональная связь между реальной частотой f₁ выходного напряжения преобразователя и потокосцеплением ротора АД определяет постоянство y_2з на уровне задания номинального потокосцепления ротора y_2ном при f₁ £ f_1max @ f_1.ном и уменьшение y_2з при f₁ > f_1max. Последний вариант обеспечивает работу АД в зоне регулирования скорости выше номинальной при постоянстве номинального напряжения питания статора.

Cигнал f_1max , корректирующий допустимую максимальную частоту выходного напряжения преобразователя UZF, формируется расчетным путем по модели АД в блоке А4 в зависимости от заданного максимально допустимого напряжения питания статора U_1max . Значение U_1max определяется напряжением U_dc на выходе силового фильтра выпрямителя UZF с коррекцией по сигналу мд, пропорционального максимально возможной глубине модуляции выходного напряжения UZF.

Сигнал y_2з задания потокосцепления ротора с выхода блока А5 в результате перемножения на выходной сигнал блока А7 преобразуется в сигнал y^*_2з , изменяющийся во времени с темпом, определяющим время возбуждения АД. Лишь по истечению этого времени, когда возбуждение АД достигнет установившегося значения, в системе управления преобразователем частоты появляется логический сигнал на разрешение управления преобразователем со стороны сигнала u_зw управления электроприводом. Отметим здесь полное подобие условию подключения к питающему напряжению якорной цепи двигателя постоянного тока независимого возбуждения лишь при наличии его магнитного потока. Значение времени возбуждения АД может быть задано как внешним сигналом t_в блока А7, так и определено при автоматической идентификации параметров АД.

В структуре управления предусмотрена возможность адаптации потока ротора к нагрузке АД, способствующая снижению суммарных магнитных потерь в машине при уменьшении нагрузки. С этой целью сигнал I_1уз задания составляющей тока статора по оси у поступает на блок А8, где при заданном минимально допустимом значении потока ротора y_2min и заданном коэффициенте адаптации к_а формируется сигнал, определяющий поток ротора в зависимости от нагрузки АД. При включенном контуре адаптации потока ротора блок А9 выделяет минимальное значение сигнала задания y^*_2з .

В соответствии с (7.2) и заданием потокосцепления ротора в блоке А6 по математической модели АД определяется сигнал задания составляющей тока статора I _1x . Каждая из составляющих I _1у и I _1x тока статора сравнивается на å₇ и å₈ со своими текущими значениями I _{1у ist} и I _{1x ist} , которые выделяются в блоке UVF векторного преобразования токов I _1А и I _1С в цепи обмоток фаз А и С статора АД. Угол j_0.эл поворота осей координат х и у, вращающихся со скоростью электромагнитного поля АД, формируется в блоке А11 согласно частоте f₁.

Сигналы рассогласования задающих и реальных значений составляющих тока статора поступают на входы их соответствующих регуляторов РТ_х и РТ_у .Выходные сигналы регуляторов после суммирования на å₉ и å₁₀ с сигналами компенсации составляющих по (7.6) и учета внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, сформированными в блоке А12, поступают на координатный преобразователь К/Р. В зависимости от его входных сигналов, пропорциональных заданию составляющих выходного напряжения преобразователя в осях х , у на выходе К/Р формируются сигналы u_1з и j, определяющие соответственно амплитуду и фазу вектора напряжения в двухфазной системе координат a , b , неподвижной относительно статора АД. Регулятор напряжения РН, на входе которого сравниваются сигналы задания u_1з и реального значения напряжения u_{1. ist} на выходе выпрямителя UZF, обеспечивает стабилизацию его выходных напряжений. Сигналы задания выходного напряжения преобразователя u₁ и j совместно с сигналом f₁, определяющим частоту выходного напряжения преобразователя частоты, трансформируются в преобразователе координат ПК в эквивалентные сигналы u_1а , u_1в , u_1с трехфазной системы координат, определяющие выходные напряжения UZF.

Формирование сигнала f₁ задания частоты выходных напряжений UZF обеспечивается суммированием на å₁₁ и å₁₂ сигнала w реального значения скорости АД, поступающего с тахогенератора BV, и сигналов f_sI , f_sЭ, определяющих частоту скольжения АД соответственно в функции тока и ЭДС двигателя. Вычисление f_sI осуществляется в блоке IM математической модели двигателя по току, на вход которого совместно с текущими значениями I _{1у ist} и I _{1x ist} составляющих тока статора в осях х , у подается сигнал R₂ , пропорциональный сопротивлению ротора АД.

В блоке ЭФМ математической модели АД, на вход которого кроме текущих значений I _{1у ist} и I _{1x ist} составляющих тока статора поступает сигнал R₁ , пропорциональный результирующему сопротивлению цепи статора, формируются два выходных сигнала: y₂ - определяющий потокосцепление ротора, и Е₁ - пропорциональный ЭДС двигателя.

В серии Simovert Masterdrives VC реализована логика управления, обеспечивающая раздельное подключение сигналов f_sI и f_sЭ на вход å₁₁ и å₁₂ в зависимости от заданной частоты выходного напряжения UZF . При малых частотах действует контур коррекции по току, обеспечивая компенсацию падения напряжения на сопротивлении статора ; при больших частотах – по ЭДС двигателя, обеспечивая коррекцию скорости АД. Выбор частоты, при которой переключаются контура коррекции, определяется экспериментально по аналогии с настройкой соотношений U₁/f₁ в разомкнутых структурах скалярного управления АД (раздел 5.2). Максимально допустимая частота выходного напряжения UZF ограничивается сигналом f_огр блока БО2.

Значения сигналов R₁ и R₂ формируются в блоке А10 тепловой модели АД, куда поступает совокупность сигналов р_å , включающих в себя информацию о сопротивлениях цепи статора и ротора, определенных при автоматической идентификации параметров двигателя, степени влияния на них температуры собственно двигателя и окружающей среды, условий охлаждения двигателя, о наличие выходных фильтров преобразователя.

В соответствии с принципом работы рассматриваемой системы управления на рис.7.5 приведены качественные зависимости ее основных переменных в функции от момента АД при постоянном сигнале задания скорости (рис. 7.5, а) и в функции от сигнала управления скоростью при постоянном статическом моменте М_с ¹ 0 (рис.7.5, б).

Как результат действия ПИ-регулятора скорости механическая характеристика АД имеет в области нагрузок М_с < М_с.max абсолютную статическую жесткость (линия 1 на рис.7.5, а1), а при М_с ³ М_с.max механическая характеристика за счет ограничения выходного сигнала регулятора скорости и ПИ-регуляторов составляющих тока статора в осях х , у абсолютно мягкая (линия 2-3 на рис.7.5, а1). Стабилизация скорости связана с увеличением выходного сигнала регулятора скорости u_рс и соответствующим увеличением сигнала задания М*_зå электромагнитного момента АД (рис.7.5, а7). Последнее приводит к увеличению напряжения U₁ и частоты f₁ на выходе UZF по мере увеличения статической нагрузки М_с1 (рис.7.5, а2, а3) и, соответственно, увеличению по сравнению с исходной w_0.0 скорости идеального холостого хода w_0.1 (при М_с1) двигателя. Штриховые линии механических характеристик АД на рис.7.5, а1 отражают перемещение исходной характеристики М₀ при увеличении нагрузки.

При М_с = М_с.max , когда произойдет ограничение выходного сигнала u_рс на уровне максимального значения М*_{зå max} блока БО1, и при абсолютной скорости АД, равной нулю, напряжение U₁ и частота f₁ будут соответствовать значениям (точки 3 на рис.7.5, а2, а3), при которых скорость идеального холостого хода АД равной w_0.с (рис.7.5, а1).

По мере увеличения нагрузки составляющая I _1у тока статора, определяющая момент АД, также увеличивается (рис.7.5, а4), а составляющая I _1x , как и определяемое ею потокосцепление ротора y₂ сохраняются постоянными (рис.7.5, а5, а6).

При отсутствии сигнала задания скорости АД (u_з =0) и наличии на его валу постоянного реактивного момента сил сопротивления М_с ¹ 0 начальные выходное напряжение U_1.0 и частота f_1.0 преобразователя равны нулю. Если же момент сил сопротивления активен, то выходное напряжение U_1.0 и частота f_1.0 преобразователя соответствуют значениям, при которых начальная скорость идеального хода АД w_0.0 ¹ 0 и механическая характеристика двигателя обеспечивает при w = 0 момент М_с (рис.7.5, б2, б3). Соответственно этому моменту определяются и начальные сигналы u_{рс. 1}, М*_зå.1 , I _1у.1 (рис.7.5, б6, б7). При этом сигналы I _1x.1 и y_2.1 определяют номинальное потокосцепление ротора (рис.7.5, б5, б6).

По мере увеличения сигнала u_з напряжение U₁ и частота f₁ на выходе преобразователя UZF также увеличиваются. При u_з = u_зн выходное напряжение UZF и его частота достигают номинальных значений U_1ном и f_1ном. В соответствии с ними устанавливается номинальное значение скорости идеального холостого хода АД w_0.ном. Дальнейшее увеличение u_з и частоты f₁ сопровождается постоянством напряжения U₁ = U_1ном на выходе UZF и переходом работы АД в зону уменьшения потокосцепления ротора за счет снижения составляющей I _1x тока статора (рис.7.5, б5, б6). Максимальный момент АД при этом также уменьшается.

При u_з = u_зmax скорость идеального холостого хода АД устанавливается на максимально заданном уровне w_0.max , соответствующем f_1.огр (точка 2 на рис.7.5, б). Составляющая тока статора и соответствующее ей потокосцепление ротора устанавливаются при этом на минимальном уровне I _1x.2 и y_2.2 (рис.7.5, б5, б6).

В приведенной системе управления диапазон регулирования скорости АД при номинальной нагрузке и точности регулирования скорости на уровне 5% с учетом двухзонного регулирования практически достигает 1:50 при использовании аналогового тахогенератора и 1:200 при применении цифрового датчика скорости.

Возможность избежать применения тахогенератора как элемента, требующего дополнительной, точной и надежной его установки на валу АД, реализуется в системах, где обратная связь по скорости заменяется обратной связью по ЭДС двигателя. В серии Simovert Masterdrives VC сигнал обратной связи по ЭДС двигателя w_Э поступает на сумматор å₁ с выхода блока ЭФМ математической модели АД, а формирование частоты f₁ выходного напряжения UZF осуществляется суммированием на å₁₁ и å₁₂ сигнала задания скорости w_з и сигналов f_sI и f_sЭ с выхода блока IM математической модели двигателя по току и регулятора ЭДС двигателя (рис. 7.6 ). Все остальные блоки схемы управления электроприводом (на рис. 7.6 сгруппированы в блоке СУЭ) и функциональные связи между ними остаются при этом без изменения.

Качество регулирования скорости в подобных системах управления зависит от степени соответствия математической модели ЭФМ и установленных в ней параметров реальной электрической машине и, как правило, заметно уступает системам с датчиками скорости.

 

7.3.2. Система управления моментом АД

 

Ряд технологических объектов (натяжные, намоточно-размоточные механизмы и т.п.) требуют регулирования и стабилизации момента на валу двигателя при постоянстве его заданной скорости. В электроприводах серии Simovert Masterdrives VC решение подобной задачи реализуется в структуре управления с датчиком скорости на валу АД за счет включения между сигналом управления скоростью u_з и сигналом управления моментом u_зм блока РБ с релейной характеристикой (рис.7.7). Остальные блоки и их функциональные связи остаются в структуре управления электроприводом СУЭ неизменными.

Задание постоянной максимальной или минимальной скорости АД обеспечивается внешними сигналами w_max и w_min , ограничивающими уровень сигнала u_з на входе регулятора скорости. Сигнал u_зм определяет направление скорости и ограничение сигнала задания момента М*_зå на уровне М_max.1 и М_max.2 . Предельно допустимые моменты АД ограничиваются при этом сигналами М_огр.1 и М_огр.2 .

Механическая характеристика электропривода в подобной системе при М_с < М_max имеет абсолютную статическую жесткость при скорости, соответствующей заданию сигналами w_max или w_min . При М_с = М_max механическая характеристика имеет абсолютно мягкий характер, стабилизируя заданный сигналом u_зм электромагнитный момент АД.

 

 

 

а) б)   Рис.7.1. Векторные диаграммы АД при ориентации по потокосцеплениям ym (а) и y2 (б)

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

 

 

 

 

I1у