Устройство развязки координат для питания вентильного двигателя от инвертора напряжения

Важнейшая координата любого электропривода – момент. Чем быстрее и точнее можно контролировать его, тем выше качественные показатели привода. У любых электрических двигателей момент пропорционален потребляемому току. В силу этой причины соответствующие системы управления предпочитают строить так, чтобы состояние привода можно было менять посредствам контроля потребляемого тока. Если для питания двигателя используется инвертор тока, то решение, очевидно, будет простым (см. чертеж 1). При задании желаемой амплитуды тока – инвертор сформирует его в обмотках машины. В случае альтернативного способа питания двигателя – от инвертора напряжения (см. чертеж 4), управляющую координату (желаемый ток) необходимо преобразовать к эквивалентному напряжению. Эту задачу решает устройство развязки координат (блок "УРК -120 +120" на чертеже 4). Рассмотрим этапы его разработки.

Эксперимент № 1. Сравните чертежи моделей электроприводов (1 и 4). Убедитесь в том, что они одинаковые за исключением одного отличия – в первом случае вентильный двигатель (ВД) запитан от инвертора тока, а во втором – от инвертора напряжения. Активируйте процесс симуляции для моделей. Проконтролируйте совпадение (с допустимой погрешностью) осциллограмм фазного тока, напряжения; электромагнитного момента, угловой скорости вала и механических характеристик. Таким образом, вы ознакомились с результатом, который необходимо получить в ходе разработки устройства развязки координат для питания ВД от инвертора напряжения. Повторим еще раз. Обе системы можно оборудовать регуляторами одного типа (более точными, чем используемый), порядок настройки которых будет совпадать.

Чертеж 1

Идею проектирования устройства развязки координат иллюстрирует модель привода представленная на чертеже 2. Ознакомьтесь с содержимым блока "УРК -120 +120", который, в случае практической реализации привода, будет представлять собой исполняемую цифровым сигнальным процессором программу. Внутри этого блока имеется синхронизированная с реальным ВД модель машины (с теми же параметрами), питаемая от инвертора тока (как на чертеже 1). Падения напряжения на фазных источниках тока которой измеряются и используются для управления инвертором напряжения, питающим реальный двигатель.

Эксперимент № 2. Запустите процесс симуляции для модели представленной на чертеже 2. Перейдите в составной блок устройства развязки координат. Ознакомьтесь с одинаковыми осциллограммами скорости вала; одна из которых получена с датчика скорости, другая – вычислена наблюдателем (с синхронно рассчитываемой сигнальным процессором модели машины). Поскольку привод оборудован датчиком скорости, продемонстрированное вычисление скорости вала излишне. Удалите из модели машины (из наблюдателя) фрагмент, отвечающий за цепь вала. Для вычисления величин ЭДС обмоток используйте сигнал с датчика скорости. Запустите процесс симуляции, убедитесь в том, что вам удалось упростить наблюдатель и движение координат, характеризующих состояние электропривода, не изменилось. Если вам не удалось решить эту задачу – ознакомьтесь с моделью представленной на чертеже 3.

Чертеж 2

Для пояснения сути следующего этапа упрощения наблюдателя обратим внимание на тот факт, что в его текущем представлении сигнальный процессор вычисляет одинаковые уравнения, каждое из которых описывает состояние соответствующей обмотки статора отличающееся лишь фазой электрических процессов привязанных к сигналу датчика углового положения. Для исключения повторяющихся вычислений логично рассчитать состояние одной обмотки и размножить его в соответствии с количеством фаз двигателя. Однако последнюю операцию выполнить невозможно, если состояние описано мгновенными значениями. В силу этой причины необходимо вычислить не само падение напряжения на обмотке статора, а две его проекции – активную и реактивную. Вооружившись представленным планом, карандашом и бумагой следует составить векторную диаграмму в виде прямоугольного треугольника. Сонаправленный току катет составят векторы ЭДС и падения напряжения на активном сопротивлении провода обмотки. Ортогональный – векторы падения напряжения на сопротивлении рассеяния обмотки и на её синхронном сопротивлении (индуктивного характера). Гипотенузу – напряжение на обмотке (уже не интересующее нас).

Представленный выше по тексту план упрощения наблюдателя не лишен изъяна. Описанным способом, можно уточнить лишь установившееся электрическое состояние обмотки двигателя. Поэтому в моменты мгновенного изменения управляющего воздействия проявятся ошибки в движении привода. Задача уточнения развязки координат решается разными способами, с применением дифференциаторов (не без погрешностей), и, опять же, повышает требования к быстродействию сигнального процессора. Поэтому для сравнительной оценки реализаций полезно иметь точное решение.

Эксперимент № 3. Запустите процесс симуляции для модели представленной на чертеже 3. Перейдите в составной блок устройства развязки координат. Ознакомьтесь с точными осциллограммами активной и реактивной составляющих фазного напряжения. Обратим внимание. В действующем приводе они должны вычисляться по желаемой величине тока и текущему значению угловой скорости. В данном случае – рассчитаны для известных напряжений (посредствам преобразователя числа фаз и ротатора).

Чертеж 3

Эксперимент № 4. Ознакомьтесь с ошибками, которые привнесет в движение координат привода "скелетная" версия наблюдателя, учитывающая лишь статику состояний. В блок-схеме наблюдателя отключите связи в каналах вычисления производных сигналов (см. блок "Re_U Im_U", находящийся внутри блока развязки координат на чертеже 4). Запустите процесс симуляции.

Эксперимент № 5. Восстановите исходное состояние модели (чертеж 4). Запустите процесс симуляции. Ознакомьтесь с осциллограммами и убедитесь в том, что включение (в наблюдателе) каналов чувствительных к производным сигналов оказывает положительное влияние на движение координат привода.

Эксперимент № 6. Напомним, что нежелательные эффекты, которые вызывает "скелетная" (статическая) версия наблюдателя, могут проявляться лишь при существенной динамике управляющей координаты (при ступенчатом изменении желаемой амплитуды тока). Ограничьте её динамику. Установите во входной цепи наблюдателя апериодическое звено с постоянной времени равной электрической постоянной двигателя (Ld/Rs). Отключите в наблюдателе каналы чувствительные к производным сигналов. Запустите процесс симуляции. Ознакомьтесь с результатом.

Чертеж 4

Эксперимент № 7. Выясните, насколько чувствительны приводы с инвертером тока и с инвертером напряжения (чертежи 1 и 4) к погрешности установки датчика углового положения вала. Добавьте константу к выходному сигналу "интегратора угла" (блок "1/s°" внутри устройства развязки координат). Для системы с инвертером напряжения начальное значение отклонения датчика примите равным градусу (Pi/180 рад).

Самостоятельно проверьте чувствительность системы с инвертером напряжения к погрешностям настройки устройства развязки координат. Например, известно, что активное сопротивление меди при нагреве двигателя меняется...

Примечание 1. Рассматриваемый в моделях вентильный двигатель имеет низкую намагниченность ротора (малое синхронное сопротивление), т.е. по свойствам он близок к вентильному индукционному двигателю. Подобная настройка параметров машины позволила увеличить скорость расчета моделей и получить красивые результаты со "скелетной" версией устройства развязки координат.

Примечание 2. Искать точную блок-схему устройства развязки координат автору было лень. За пять минут перебрал комбинации с производными и бросил. Дерзайте.

8.01.2011