Клиначёв Николай Васильевич
Федосов Борис Трофимович

Асинхронный векторный привод с контролем скольжения и постоянным потокосцеплением

И для асинхронного двигателя (АД) и для двигателя постоянного тока (ДПТ) можно составить математическое описание. В случае ДПТ важнейшие регулируемые координаты (момент и угловая скорость) связаны простыми зависимостями с напряжением питания и потребляемым током. Между входными и выходными координатами АД взаимосвязи существенно сложнее. Для преодоления обозначенного затруднения разрабатывают и применяют в приводах вычислительные устройства развязки координат (УРК). В результате момент АД определяется двумя независимыми переменным на входах УРК. А в аспекте управления привод с АД становится подобен приводу с ДПТ. Достаточно сложные взаимосвязи в УРК синтезируются на основе математического анализа обобщенной электрической машины во вращающейся двухфазной системе координат, ориентированной по какому-либо вектору. Поэтому управление АД с применением УРК принято называть векторным.

На чертежах 1 и 2 представлены модели асинхронных векторных приводов. Топология их структурных схем совпадает. Приводы имеют одинаковые эксплуатационные характеристики (в первом приближении). Различие в том, что в первом варианте АД запитан от инвертера тока, а во втором – от инвертера напряжения. Для управления инвертерами используются разные УРК. Для контроля электромагнитного момента библиотечная модель асинхронной машины доработана – в неё добавлен порт записи глобальной переменной TORQUE.

Устройство развязки координат имеет три входа. Верхний вход используется для задания потокосцепления в роторе (некоторой постоянной величины). Средний – для безынерционного управления частотой токов ротора. На нижний вход должна поступать информация о текущей угловой скорости вала, чтобы УРК могло вычислить требуемую частоту токов статора (ω1 = Ω + ω2). Структурно УРК состоит из трех субмодулей. Вычислителя ортогональных проекций фазного тока (или напряжения). Вычислителя частоты токов статора (объединенного с необязательным ограничителем предельной угловой скорости вала). И ротатора – синтезатора задающих сигналов для инвертера. УРК различаются реализациями вычислителей ортогональных проекций, которые в каждом из двух семейств устройства могут иметь версии (часть влияющих параметров может не учитываться). Наиболее простые вычислители ортогональных проекций имеют УРК предназначенные для управления инвертерами тока (можно сравнить блок-схемы УРК и списки их параметров). Действительно, если двигатель запитан от источников тока, то параметры обмотки статора – последовательной цепи между источниками и ротором – не будут влиять на электрическое состояние последнего. Разработчики УРК могут отключать цепи оценки производных в вычислителях ортогональных проекций или могут адаптировать вычислители для учета изменения активного сопротивления цепи ротора (для двигателей с двойным беличьим колесом или с глубоким пазом).

Последовательность настройки приводов следующая. Сигнал ошибки САР стабилизации частоты вращения поступает на вход блока limit. Произведение выбранного уровня ограничения и последующего масштабного коэффициента должно быть равно номинальной частоте токов ротора ω (можно уточнить по номинальному скольжению). В рассматриваемом случае (для киловаттного двигателя) это произведение завышено ±1·15 (не предполагалась продолжительна работа привода в режиме ограничения момента). Перераспределяя значения параметров этих блоков, при условии сохранения произведения (±3·5; ±5·3; ±15·1; ...), можно подобрать требуемую жесткость МХ на участке стабилизации угловой скорости. Список параметров модели УРК документирован. Их значения можно вычислить по приведенным в комментариях формулам, используя в качестве исходных данных параметры АД. Завершая настройку привода необходимо подобрать такую величину потокосцепления в роторе, чтобы ограничение момента наблюдалось при номинальном для двигателя значении.

Чертеж 1

Чертеж 2. Модель, доказывающая принципиальную возможность и состоятельность векторного управления асинхронным двигателем. Модель состоит из асинхронного двигателя, питаемого от двухфазного управляемого источника напряжения, который управляется устройством УРК, рассчитывающим на основе данных об угловой частоте вращения вала необходимые мгновенные значения амплитуд и частоты напряжения, подаваемого на АД. Осциллографы показывают механическую характеристику (вверху) и разгон, вращение на заданной частоте и реверсирование двигателя (внизу). Механическая характеристика близка к прямоугольной. В осциллограмме вращающего момента практически отсутствуют колебания. Алгоритм управления АД, реализованный в модели, и режим работы АД близки к оптимальным

Модель доказывает существование алгоритма управления асинхронным двигателем, при реализации которого, в любом режиме работы, двигатель находиться в состоянии критического скольжения и критического вращающего момента. Это оптимальное состояние АД. И такое управление называется векторным.

Модель состоит из двухфазной модели АД, модели управляемого двухфазного источника напряжения, набора датчиков состояния АД, в том числе датчиков частоты вращения и токов фаз, АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ асинхронным двигателем, включающего и контур задания частоты вращения вала АД, а также индикаторов, осциллографов и других вспомогательных устройств.

Принцип действия модели состоит в следующем. Внешний контур управления по частоте обеспечивает разгон двигателя до задаваемой частоты и вращение вала АД с заданной частотой. Оптимальность разгона и установившегося режима обеспечивается алгоритмом, реализуемым схемой УРК. Эта схема имеет всю информацию о свойствах АД, в том числе его мощность, число пар полюсов, сопротивление обмоток и др., а также получает с датчика мгновенное значение угловой скорости вала, что позволяет вычислить и задать в источнике оптимальные частоту и мгновенные значения двухфазного напряжения, подаваемого на АД, который и работает практически все время в режиме, близком к оптимальному.

Главное достоинство рассматриваемой схемы в том, что она показывает, что алгоритм векторного управления АД существует и может быть реализован. Более того, модель предлагает и конкретную реализацию этого алгоритма управления. Судить о качестве управления позволяет механическая характеристика (верхняя осциллограмма), показывающая связь вращающего момента и частоты вращения вала. Как видно, эта характеристика близка к прямоугольной, что и свидетельствует о высоком качестве алгоритма управления, предлагаемого в модели, и его реализации. Действительно, на любой частоте вращения в процессе разгона вращающий момент максимален. Кроме того, на нижней осциллограмме видно, что вращающий момент изменяется практически без вредных колебаний, в отличие от режима прямого пуска АД, что также свидетельствует о высоком качестве управления.

Недостаток рассматриваемой модели в том, что для обеспечения именно этого алгоритма управления привлекается информация о реальном состоянии АД. Для физической реализации такого алгоритма управления АД придется оборудовать датчиками, что не очень-то хорошо с точки зрения эксплуатации. Система управления по частоте содержит явный контур, что требует непременного использования датчика частоты вращения вала АД.

Достоинство схемы с замкнутым контуром управления по частоте – надежность управления. Недостаток – наличие самого датчика частоты вращения вала АД.

Отметим, что существуют алгоритмы векторного управления, использующие только минимальную информацию о состоянии АД, в виде потребляемых им токов фаз. Этой информации оказывается достаточно для оптимального управления асинхронным двигателем. Однако, такой алгоритм сложнее и более громоздок. А кроме того, при его работе может теряться управление, что вызывается потерей соответствия модели АД, работающей в алгоритме управления, реальному АД.

Достоинство такой схемы управления – отсутствие физического датчика частоты вращения вала АД, что требует управления частотой напряжения, подаваемого на АД с помощью разомкнутой САР. Отсюда и возможные сбои соответствия – реального АД и модели, просчитываемой в алгоритме управления.


Примечание от 23.11.2008. В случае если для питания асинхронной машины используется инвертер тока, в модели появляются JL-контуры с девяносто градусным сдвигом координат. Математические решатели моделирующих программ лишь при активации особых методов интегрирования позволяют получить правильное решение. Подробней об этом можно прочесть в параграфе "Технология моделирования основанная на итерации потенциалов: Дискретные интеграторы и цепи с JL- и EC-контурами". Библиотечная модель асинхронной машины программы Jigrein доработана. В индуктивностях замещены библиотечные интеграторы. В цепях статора из простейших математических блоков собраны интеграторы с упреждением по фазе (DERK11). В цепях ротора – в соответствии с методом трапеций (DERK12). В модели емкости, представляющей момент инерции ротора, так же произведены изменения. В результате модель АВП рассчитывается решателем в два раза быстрее. Точность расчетов повысилась. А для модели в целом можно активировать любой метод интегрирования.

11.04.2008; 13.05.2008; 10.07.2008; 23.11.2008