Системы векторного управления асинхронным электроприводом

Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и амплитуды переменных АД, так и угла между переменными. Изменением амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается гораздо лучшее качество переходных процессов, чем со скалярным управлением.

Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД может быть получена прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, или косвенно на базе математической модели АД. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом преимущество систем с косвенным регулированием в простоте технических решений и, следовательно, в практической надежности.

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

Образование момента АД возможно воздействием на абсолютные значения векторов потокосцеплений , токов и фазовых сдвигов между ними. Например:

,

где L₁₂ – взаимные индуктивности; L₂`- собственная индуктивность ротора; - вектор потокосцепления ротора; - вектор тока статора.

Принцип построения и техническая реализация систем управления электроприводом зависит от того, какие вектора выбраны в качестве регулируемых.

В качестве регулируемых векторов выберем и . Их векторные диаграммы при ориентации по оси x системы координат хy, вращающейся с синхронной скоростью поля двигателя, показаны на рис.6.3. Здесь же даны проекции вектора тока статора на оси x, y, а также на оси a, b неподвижной системы координат, связанной со статором АД.

Составляющие вектора в системе координат ab могут быть подсчитаны через токи фаз статора I _А, I _В, I _С (при условии инвариантности мощности АД в двухфазной и трехфазной системах координат):

; . (6.1)

В систему координат xy проекции векторов тока I _{1 a} и I _{1 b} пересчитываются как:

; . (6.2)

Они представлены сигналами постоянного тока и не зависят от частоты питания АД. Имея в виду это, система векторного управления может строиться подобно системам управления двигателями постоянного тока, где составляющая I _{1 x} тока статора определяет потокосцепление y ₂ АД (аналогично магнитному потоку ДПТ), а составляющая I _{1 у} является моментной составляющей тока статора (аналогично току якоря ДПТ).

Рис.6.3. Векторные диаграммы переменных АД при ориентации системы координат xy по потокосцеплению ротора

По аналогии с ДПТ в канале управления скоростью следует иметь внутренний контур управления составляющей тока статора I _{1 у} , эквивалентной току якоря ДПТ, и внешний контур управления угловой скоростью ротора. Канал управления модулем потокосцепления y ₂ должен иметь контур управления составляющей тока статора I _{1 x}, равный току возбуждения ДПТ.

При стабилизации потокосцепления ротора (Y₂ = const) механические характеристики АД похожи к характеристикам ДПТ независимого возбуждения.

Такая система векторного управления Transvektor впервые предоставлена фирмой Siemens (ФРГ). Эта система обладает двумя внешними контурами регулирования: модулем вектора потокосцепления ротора ½ Y₂ ½ и угловой скоростью w ротора, а также пара подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I _{1 x} и I _{1 y} в осях x и y ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью w ₀ электрического поля двигателя. Система выполняет независимое управление модулем вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом двигателя и составляющей намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с волной потокосцепления ротора (рис.6.4).

Рис.6.4. Функциональная схема системы векторного управления АД

Система управления имеет три крупных блока: блок вычисления текущих величин переменных БВТП, блок регуляторов переменных БРП и блок вычисления заданных величин переменных - управляющих воздействий БВЗП.

Чтобы вычислить фазу и амплитуду переменной трехфазного двигателя, надо определить мгновенные величины этой переменной в двух фазах двигателя. Блок БВТП меняет измеренные с датчиков Холла трехфазные мгновенные величины потока в воздушном зазоре и (в нынешних системах эти значения определяются без наличия датчиков Холла), и определенные датчиком тока действительные трехфазные переменные токи и в ориентированные по полю величины потокосцепления ротора , намагничивающего тока и активного тока .

Задающие сигналы и поступающие на вход блока регуляторов БРП с ориентированными по полю величинами переменных применяются для определения заданных величин переменных и , при помощи которых блок вычисления задающих сигналов БВЗП создает синусоидальные напряжения управления преобразователем и .

В современных частотно-регулируемых электроприводах системы программного управления реализованы на базе микропроцессорной техники, данные о векторах потокосцеплений электрической машины, поступают косвенным путем на положение ее математических моделей. Наряду с этим ключевыми являются структуры управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора и модульным принципом построения систем управления. Оно реализует возможность сочетаний различных структур управления скоростью и моментом АД, в том числе как прямое (с помощью тахогенератора), так и косвенное (по модели) нахождение действительной скорости двигателя.

Нами принята система векторного управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора.