Pri návrhu frekvenčného riadenia elektrického pohonu je potrebné postaviť adekvátne modely, ktoré plne zohľadňujú špecifiká prebiehajúcich elektromechanických procesov v motore. Pre testovanie modelov je potrebné ich porovnať s fyzikálne realizovaným procesom na reálnom zariadení, v tomto smere je potrebné určiť parametre reálnych elektromotorov, aby sa preverila vhodnosť modelu. Článok popisuje matematický model vektorového riadenia asynchrónneho elektromotora. Model umožňuje sledovať elektromechanické procesy v elektromotore počas jeho prevádzky. Získali sa grafy mechanických a elektrických prechodových procesov charakterizujúcich rozbeh elektromotora. Bola skonštruovaná mechanická charakteristika elektromotora s vektorovým riadením, ktorá jasne ukazuje zvýšenie rozsahu zaťaženia. Hodnotila sa primeranosť modelu. Matematické experimenty a tvorba modelu boli realizované v grafickom simulačnom prostredí Simulink, aplikácii do balíka Matlab.
striedač
matematický model
mechanické vlastnosti
vektorové ovládanie
asynchrónny motor
1. Vinogradov A.B. Vektorové riadenie striedavých elektrických pohonov / Štátna energetická univerzita Ivanovo pomenovaná po V.I. Lenin“. – Ivanovo, 2008. – 297 s.
2. Likhodedov A.D. Konštrukcia mechanických charakteristík asynchrónneho motora a jeho testovanie // Moderné problémy vedy a vzdelávania. – 2012. – č. 5. – URL: http://www..09.2012).
3. Usoltsev A.A. Vektorové riadenie asynchrónnych motorov: učebnica disciplín elektromechanického cyklu. – Petrohrad, 2002.
4. Šuvalov G.A. Úspora elektrickej energie pomocou frekvenčného meniča // Elektrické zariadenia: prevádzka a opravy. – 2012. – č.2.
5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (v nemčine), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.
6. PLC - je to jednoduché!! Vektorové ovládanie. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (dátum prístupu: 9.12.2012).
Vývoj asynchrónneho elektrického pohonu s vektorovým riadením
Je zvyčajné rozlišovať medzi dvoma hlavnými spôsobmi riadenia striedavých elektrických pohonov, ktoré používajú ako meniče energie polovodičové frekvenčné meniče: frekvenčný a vektorový.
Pri frekvenčnom riadení je v elektrickom pohone implementovaný jeden zo statických zákonov frekvenčného riadenia (napríklad , atď.). Na výstupe riadiaceho systému je generovaná úloha pre frekvenciu a amplitúdu výstupného napätia meniča. Rozsah použitia takýchto systémov: asynchrónny elektrický pohon, ktorý nemá zvýšené statické a dynamické požiadavky, ventilátory, čerpadlá a iné všeobecné priemyselné mechanizmy.
S vektorovým riadením sa riadenie vykonáva na základe okamžitých hodnôt premenných. V digitálnych vektorových systémoch môže byť riadenie vykonávané pomocou ekvivalentných (spriemerovaných v rámci riadiaceho diskrétneho intervalu) premenných.
V roku 1971 Blaschke navrhol princíp konštrukcie riadiaceho systému pre asynchrónny motor, ktorý využíval vektorový model motora s orientáciou súradnicového systému pozdĺž väzby rotorového toku. Tento princíp sa tiež nazýva priame riadenie krútiaceho momentu. Vektorové riadenie umožňuje výrazne zvýšiť rozsah ovládania, presnosť ovládania a zvýšiť rýchlosť elektrického pohonu. Táto metóda poskytuje priame riadenie krútiaceho momentu motora.
Krútiaci moment je určený statorovým prúdom, ktorý vytvára vzrušujúce magnetické pole. Pri priamom riadení krútiaceho momentu je potrebné zmeniť okrem amplitúdy aj fázu prúdu statora, teda vektor prúdu. Odtiaľ pochádza pojem „vektorová kontrola“.
Na riadenie prúdového vektora a tým aj polohy magnetického toku statora vzhľadom na rotujúci rotor je potrebné kedykoľvek poznať presnú polohu rotora. Problém je vyriešený buď pomocou externého snímača polohy rotora, alebo určením polohy rotora výpočtami pomocou iných parametrov motora. Ako tieto parametre sa používajú prúdy a napätia vinutia statora.
Lacnejší je frekvenčný menič s vektorovým riadením bez snímača spätnej väzby otáčok, ale vektorové riadenie vyžaduje veľký objem a vysokú rýchlosť výpočtov z frekvenčného meniča. Okrem toho, pre priamu reguláciu krútiaceho momentu pri nízkych, takmer nulových otáčkach, nie je možná prevádzka elektrického pohonu s premenlivou frekvenciou bez spätnej väzby otáčok. Vektorové riadenie so snímačom spätnej väzby otáčok poskytuje regulačný rozsah až 1:1000 a vyššie, presnosť regulácie otáčok je v stotinách percenta, presnosť krútiaceho momentu je niekoľko percent.
Napájanie IM a SM v režime vektorového riadenia je realizované z meniča, ktorý dokáže kedykoľvek zabezpečiť požadovanú amplitúdu a uhlovú polohu vektora napätia (alebo prúdu) statora. Amplitúda a poloha vektora väzby rotorového toku sa meria pomocou pozorovateľa (matematický prístroj, ktorý umožňuje obnoviť nenamerané parametre systému). V závislosti od prevádzkových podmienok elektropohonu je možné riadiť elektromotor ako v režimoch s normálnou presnosťou, tak aj v režimoch so zvýšenou presnosťou spracovania úlohy otáčok alebo krútiaceho momentu. Napríklad frekvenčný menič poskytuje presnosť udržiavania rýchlosti otáčania ±2-3% v režime U/f, s vektorovým riadením bez snímača rýchlosti ±0,2%, s úplným vektorovým riadením so snímačom rýchlosti presnosť ± poskytuje sa 0,01 %.
Všeobecný princíp vektorového riadenia IM
V budúcnosti budeme používať nasledujúce indexy súradnicových systémov: a-b - pevný súradnicový systém (), orientovaný pozdĺž osi fázy a vinutia statora; x-y - súradnicový systém otáčajúci sa synchrónne s rotorom () a orientovaný pozdĺž fázovej osi a jeho vinutia; d-q - súradnicový systém otáčajúci sa synchrónne s väzbou rotorového toku () a orientovaný v jeho smere; m-n je ľubovoľne orientovaný súradnicový systém rotujúci ľubovoľnou rýchlosťou.
Všeobecným princípom modelovania a konštrukcie riadiaceho systému IM je, že na tento účel sa používa súradnicový systém, neustále orientovaný v smere ľubovoľného vektora, ktorý určuje elektromagnetický krútiaci moment. Potom sa priemet tohto vektora na druhú súradnicovú os a zodpovedajúci člen vo výraze pre elektromagnetický krútiaci moment bude rovnať nule a formálne nadobudne tvar totožný s výrazom pre elektromagnetický krútiaci moment jednosmerného motora, ktorý je úmerný vo veľkosti k prúdu kotvy a hlavnému magnetickému toku.
V prípade orientácie súradnicového systému pozdĺž väzby rotorového toku ( 
) moment môže byť reprezentovaný ako:
, (1)
kde je zvodová indukčnosť obvodu rotora, je indukčnosť magnetizačného obvodu, je počet pólových párov a je priemet statorových prúdov na osi súradnicového systému.
Použitím tohto výrazu je možné za predpokladu, že väzba rotorového toku je konštantná, riadiť elektromagnetický krútiaci moment zmenou projekcie prúdu statora na priečnu os. Výber rovnice pre konštrukciu riadiaceho systému zohráva veľkú úlohu, pretože mnohé veličiny, najmä pri skratovom krvnom tlaku, sa nedajú merať. Okrem toho táto voľba výrazne ovplyvňuje zložitosť prenosových funkcií systému, niekedy niekoľkonásobne zvyšuje poradie rovníc.
Na zostavenie vektorového riadiaceho systému IM je potrebné vybrať vektor, vzhľadom na ktorý bude súradnicový systém orientovaný, a zodpovedajúci výraz pre elektromagnetický krútiaci moment a potom určiť množstvá v ňom obsiahnuté z rovníc pre stator a/alebo obvod rotora (2):
, (2, a)
, (2, b)
kde je napätie vinutia statora vo vektorovej forme; - aktívny odpor vinutia statora a rotora; komponenty sú spojené so zmenami vo väzbe toku v priebehu času v dôsledku zmien prúdov v priebehu času a nazývajú sa transformačné EMF, analogicky s procesmi jeho budenia v príslušnom elektrickom stroji; komponenty , - sú spojené so zmenou väzby toku v dôsledku otáčania rotora a nazývajú sa rotačné emf.
Ak zvolíme väzbu rotorového toku ako referenčný vektor a orientujeme súradnicový systém pozdĺž neho tak, aby sa jeho skutočná os zhodovala so smerom , potom sa uhlová frekvencia otáčania súradnicového systému bude rovnať uhlovej frekvencii napájania statora, odkedy Vektory toku statora a rotora sa otáčajú rovnakou frekvenciou. Použitie vektora väzby rotorového toku teoreticky poskytuje väčšiu kapacitu preťaženia IM.
V tomto prípade sa projekcie vektora prúdu statora, berúc do úvahy skutočnosť, že , rovnajú:
(3)
kde je elektromagnetická časová konštanta rotora.
Vyjadrime väzbu toku a uhlovú frekvenciu rotora:
(4)
Pomocou projekcie prúdu statora možno teda riadiť väzbu rotorového toku a prenosová funkcia tohto kanála zodpovedá aperiodickej väzbe s časovou konštantou rovnou časovej konštante rotora; a pomocou projekcie je možné nezávisle a bez zotrvačnosti riadiť frekvenciu rotora.
V tomto prípade možno elektromagnetický krútiaci moment IM určiť na základe znalosti frekvencie rotorových prúdov pre dané prepojenie toku:
, (5)
Výrazy - určujú vzťah medzi priemetmi prúdu statora na súradnicové osi, väzbou toku, frekvenciou rotora a elektromagnetickým momentom IM. Z výrazu a pohybovej rovnice vyplýva, že krútiaci moment môže byť riadený bez zotrvačnosti dvoma vstupnými signálmi: väzbou toku a frekvenciou rotora. Tieto signály súvisia s projekciami vektora statorového prúdu pomocou výrazov. Preto vektorové riadiace zariadenie obsahuje súradnicovú oddeľovaciu jednotku (RC), ktorá vykonáva transformácie podľa výrazov (3), ako aj rotátor, ktorý otáča vektor statorového prúdu v smere opačnom k otáčaniu rotora IM. Vstupnými signálmi pre riadiace zariadenie bude lineárne sieťové napätie a frekvencia napájacieho napätia, zodpovedajúca prepojeniu toku a frekvencii rotora. Názov súradnicového oddeľovacieho bloku pochádza z jeho funkcie generovania signálov zodpovedajúcich nezávislým (oddeleným, oddeleným) projekciám vektora statorového prúdu (obrázok 1).
Ryža. 1. Bloková schéma bloku súradnicového oddelenia.
Z výrazu pre elektromagnetický krútiaci moment (5) a všeobecnej pohybovej rovnice môžeme získať prenosovú funkciu IM cez kanál riadenia frekvencie rotora:
kde je mechanická časová konštanta. Táto prenosová funkcia je plne v súlade s jednosmerným motorom, takže konštrukcia elektrických pohonných systémov s vektorovým riadením IM sa nelíši od jednosmerných pohonov.
Je potrebné poznamenať, že riadiace zariadenie môže vykonávať svoje funkcie len za podmienky, že parametre IM zahrnuté v prenosových funkciách jeho spojov zodpovedajú skutočným hodnotám, inak bude väzba toku a frekvencia rotora v IM a v riadiacom zariadení sa navzájom líšia. Táto okolnosť vytvára značné ťažkosti pri zavádzaní vektorových riadiacich systémov do praxe, pretože parametre krvného tlaku sa počas prevádzky menia. To platí najmä pre hodnoty aktívnych odporov.
Matematický popis transformácií súradníc
Ak je aktuálny vektor prezentovaný v pevnom súradnicovom systéme (a, b), potom sa prechod na nový súradnicový systém (x, y), otočený vzhľadom k pôvodnému o určitý uhol (obrázok 2a), uskutoční od nasledujúci vzťah argumentov komplexných čísel:
Alebo 
(7)
Ryža. 2. Zovšeobecnený vektor prúdu v rôznych súradnicových systémoch.
Pre súradnicový systém rotujúci s konštantnou uhlovou frekvenciou sa uhol rovná .
Transformáciu súradníc je možné zapísať v rozšírenej forme takto:
Tu nájdete zložky vektora v maticovej forme:
, (9)
kde sú okamžité hodnoty prúdov príslušných vinutí.
Nevyhnutným prvkom vektorového riadiaceho systému IM je rotátor, ktorý transformuje vektorové súradnice v súlade s výrazom (9).
Na transformáciu premenných zo súradnicového systému (d,q) do súradnicového systému (a, b) používame nasledujúce rovnice:
kde γ je uhol orientácie poľa. Bloková schéma rotátora je znázornená na obrázku 3.
Ryža. 3. Bloková schéma rotátora.
Matematický model krvného tlaku
Asynchrónny motor je modelovaný v súradnicovom systéme - α, β. Rovnice zodpovedajúce tomuto súradnicovému systému sú opísané systémom rovníc:
(11)
kde: , , , - komponenty väzbových vektorov toku statora a rotora v súradnicových systémoch; , - zložky vektora statorového napätia v súradnicových systémoch; - aktívny odpor vinutia statora a rotora; - celkové indukčnosti vinutia (17), (18) statora a rotora - koeficienty elektromagnetickej väzby statora a rotora (12), (13); p - počet pólových párov; - mechanická rýchlosť rotora; J je moment zotrvačnosti rotora motora; - moment odporu na hriadeli motora.
Hodnoty celkových indukčností vinutia a koeficienty elektromagnetickej väzby statora a rotora sa vypočítajú pomocou vzorcov:
kde: - indukčnosť úniku; - indukčnosť magnetizačného obvodu,
kde: - indukčný zvodový odpor vinutia statora a rotora; - indukčná reaktancia magnetizačného obvodu; f je frekvencia napätia privádzaného do statora.
Riešením systému diferenciálnych rovníc v súradniciach (11) je možné získať dynamickú mechanickú charakteristiku a časové charakteristiky stavových premenných (napríklad krútiaci moment a otáčky), ktoré dávajú predstavu o procesoch prebiehajúcich v motore. . Zložky napätia privádzaného do vinutia statora motora sa vypočítajú podľa vzorca:
(19)
kde U je efektívna hodnota napätia privádzaného do statora.
Riešenie rovníc spočíva v integrácii ľavej a pravej strany každej diferenciálnej rovnice systému:
(20)
Aktuálne závislosti sa vypočítajú pomocou rovníc:
(21)
Údaje o pase AD DMT f 011-6у1 sú uvedené v článku.
Obrázok 4 zobrazuje model IM riadeného statorovým prúdom v súradnicovom systéme orientovanom pozdĺž väzby rotorového toku.
Ryža. 4. Model vektorového riadenia IM v prostredí Simulink:
AD - asynchrónny motor;
УУ - riadiace zariadenie vrátane: RK - súradnicová oddeľovacia jednotka, R - rotátor;
N je zaťaženie, ktoré zohľadňuje aj odpor ložísk.
Model vektorového riadenia IM vám umožňuje sledovať elektromagnetické procesy vyskytujúce sa v asynchrónnom motore počas jeho prevádzky.
Nasledujúci graf (obrázok 5) ukazuje mechanické charakteristiky elektromotora s vektorovým riadením, získané modelovaním, v porovnaní s mechanickými charakteristikami elektromotora bez regulátora, získanými v celorozmerovom experimente.
Ryža. 5. Porovnanie mechanických charakteristík.
Ako vidíte z grafu, pri vektorovom riadení sa mechanická charakteristika asynchrónneho motora stáva tuhým, v dôsledku čoho sa rozširuje rozsah preťaženia. Charakteristické hodnoty v rozsahu od 0 do 153 Nm sa mierne líšia, chyba je len 1,11 %, preto výsledný matematický model adekvátne odráža činnosť reálneho motora a je možné ho použiť na vykonávanie experimentov v inžinierskej praxi.
Záver
Použitie vektorového riadenia umožňuje priamo riadiť elektromagnetický krútiaci moment elektromotora zmenou amplitúdy a fázy napájacieho napätia. Na vektorové riadenie asynchrónneho motora ho musíte najskôr zredukovať na zjednodušený dvojpólový stroj, ktorý má dve vinutia na statore a rotore, podľa ktorých existujú súradnicové systémy spojené so statorom, rotorom a poľom. Vektorové riadenie predpokladá prítomnosť matematického modelu nastaviteľného elektromotora v riadiacom prepojení.
Mechanické charakteristiky získané z prevádzky opísaného modelu potvrdzujú teoretické informácie o vektorovom riadení. Model je adekvátny a môže byť použitý pre ďalšie experimenty.
Recenzenti:
Shvetsov Vladimir Alekseevich, doktor technických vied, profesor katedry RES KamchatSTU, Petropavlovsk-Kamčatsky.
Potapov Vadim Vadimovič, doktor technických vied, profesor pobočky Federálnej univerzity Ďalekého východu, Petropavlovsk-Kamčatskij.
Bibliografický odkaz
Likhodedov A.D., Portnyagin N.N. MODELOVANIE VEKTOROVÉHO RIADENIA ASYNCHRONNÉHO ELEKTRICKÉHO POHONU // Moderné problémy vedy a vzdelávania. – 2013. – č. 1.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (dátum prístupu: 02/01/2020). Dávame do pozornosti časopisy vydávané vydavateľstvom „Akadémia prírodných vied“
Na získanie vysokokvalitného riadenia elektromotorov v statických a dynamických (prechodných) režimoch je potrebné mať schopnosť rýchlo priamo riadiť krútiaci moment motora.
Krútiaci moment akéhokoľvek motora v každom časovom období je určený veľkosťou (amplitúdou) a fázou dvoch komponentov generujúcich krútiaci moment: prúdu a magnetického toku. Pri IM sa prúdy a tokové väzby statora a rotora otáčajú rovnakými rýchlosťami, majú rôzne, časovo premenné fázové parametre a nepodliehajú priamemu meraniu a riadeniu. Dostupná riadená premenná v IM je statorový prúd, ktorý má zložky tvoriace magnetický tok a krútiaci moment. Fázová orientácia týchto dvoch komponentov môže byť dosiahnutá iba externým riadiacim zariadením, čo vedie k pojmu „vektorové riadenie“.
V štruktúre elektrického pohonu je motor považovaný za elektromechanický EMF menič vo forme idealizovaného motora. Jeho rotor nemá hmotu a mechanickú energiu, nemá straty mechanickej energie a je pevne spojený so skutočným fyzickým rotorom, ktorý patrí k mechanickej časti elektrického pohonu. Takýto motor môže byť reprezentovaný elektromechanickou multiterminálovou sieťou obsahujúcou n párov elektrických vodičov podľa počtu n vinutí a jeden pár mechanických vodičov (pozri obrázok 2). Na mechanických svorkách v dôsledku elektromechanickej premeny (EMT) energie pri rýchlosti w vzniká elektromagnetický krútiaci moment M. Krútiaci moment M je výstupná hodnota EMF a vstupná hodnota pre mechanickú časť elektrického pohonu. Rýchlosť w je určená podmienkami pohybu mechanickej časti, ale pre EMF ju možno považovať za nezávislú premennú. Mechanické premenné M A w prepojiť EMF s mechanickou časťou do jedného prepojeného systému. Všetky procesy v motore sú popísané sústavou rovníc elektrickej rovnováhy (počet rovníc sa rovná počtu vinutí) a rovnicou elektromechanickej premeny energie. Na tento účel sa v teórii elektrických elektrární používa dvojfázový model zovšeobecneného elektrického stroja (pozri obrázok 1), na ktorý sa redukujú absolútne všetky typy a typy elektrických strojov:
Obrázok 1 – Model zovšeobecneného EMP.
α, β – pevné osi statora; d, q– rotačné osi rotora; φ – uhol natočenia rotora; — uhlová rýchlosť rotora;
Rovnica elektrickej rovnováhy i- vinutia:
Obrázok 2 – Vektorový riadiaci obvod
Vektorový riadiaci obvod pozostáva z troch hlavných funkčných častí:
BRP– blok variabilných regulátorov;
BVP– variabilný výpočtový blok;
BZP– blok pre nastavenie premenných;
Pri vchode BRP prijímajú sa signály príkazov rýchlosti a prietoku, ako aj signály spätnej väzby (z výstupu BVP) – poľom orientované hodnoty zložiek prúdu statora, väzby rotorového toku a rýchlosti. BRP obsahuje sústavu regulátorov toku, momentu a prúdu, na výstupe ktorých sú generované aj poľom orientované signály pre nastavenie zložiek prúdu statora.
BZP vykonáva fázovú a súradnicovú transformáciu definovania d – q premenných do trojfázového riadiaceho signálneho systému PWM AIN. Blokovať BVP vypočíta aktuálne hodnoty parametrov amplitúdy a fázy d – q IM premenné, vykonávajúce fázové a súradnicové transformácie skutočných trojfázových IM prúdových a napäťových signálov prichádzajúcich z výstupov príslušných snímačov.
Transformácie súradníc vykonávané blokom BVP, spočívajú v prechode z reálnych súradníc trojfázového systému statora IM s os. d,q(premena 3 → 2). Blokovať BZP vykonáva inverzné transformácie súradníc (2 → 3), od d— q Komu a, b, c.
Fázové transformácie v týchto blokoch poskytujú väzbu fázových parametrov premenných v dvoch súradnicových systémoch.
Spoľahlivosť, cena a kvalita charakteristík ED sú ovplyvnené množstvom meraných parametrov a presnosťou merania. Na vektorovú kontrolu krvného tlaku je potrebné zmerať aspoň dve zo štyroch premenných dostupných na meranie:
- IM statorové prúdy;
- Napätie na svorkách IM;
- Uhlová rýchlosť rotora IM;
- Uhlová poloha rotora IM;
Vektorové riadenie vám umožňuje získať maximálny cos φ IM takmer kedykoľvek, v akejkoľvek polohe rotora vzhľadom na stator, pri akejkoľvek uhlovej rýchlosti a zaťažení stroja. To zase výrazne zvyšuje účinnosť a krútiaci moment. stroj, ktorý v tomto prípade prakticky nezávisí od uhlovej rýchlosti motora.
Akákoľvek zmena alebo udržiavanie konštantných otáčok elektrického pohonu zabezpečuje cielenú reguláciu krútiaceho momentu vyvinutého motorom. Krútiaci moment vzniká ako výsledok interakcie toku (prepojenie toku) vytvoreného jednou časťou motora s prúdom v druhej časti a je určený vektorovým súčinom týchto dvoch priestorových vektorov vytvárajúcich krútiaci moment. Preto je veľkosť krútiaceho momentu vyvinutého motorom určená modulmi každého vektora a priestorovým uhlom medzi nimi.
Pri stavbe skalárne riadiace systémy Riadené a regulované boli iba číselné hodnoty (moduly) vektorov generujúcich krútiaci moment, ale ich priestorová poloha nebola riadená. Princíp vektorového riadenia spočíva v tom, že riadiaci systém riadi číselnú hodnotu a vzájomnú polohu vektorov vytvárajúcich krútiaci moment v priestore. Úlohou vektorového riadenia je teda určiť a násilne stanoviť okamžité hodnoty prúdu vo vinutí motora tak, aby zovšeobecnené vektory prúdov a tokových väzieb zaujali polohu v priestore, ktorá zaisťuje vytvorenie požadovaného elektromagnetického krútiaceho momentu.
Elektromagnetický krútiaci moment generovaný motorom:
kde m je konštrukčný faktor; , 2 - priestorové
vektory prúdov alebo tokových väzieb, ktoré tvoria krútiaci moment; X- priestorový uhol medzi vektormi generujúcimi moment.
Ako vyplýva z (6.53), minimálne hodnoty prúdov (spojovacích tokov) tvoriacich krútiaci moment budú pre požadovanú hodnotu krútiaceho momentu, ak vektory X a 2 sú na seba kolmé, t.j. X = °.
Vo vektorových riadiacich systémoch nie je potrebné určovať absolútnu priestorovú polohu vektorov a 2 vo vzťahu k osám statora alebo rotora. Je potrebné určiť polohu jedného vektora voči druhému. Preto sa jeden z vektorov považuje za byť základňa, a poloha druhého ovláda uhol X.
Na základe toho je pri konštrukcii vektorových riadiacich systémov vhodné vychádzať z matematického popisu elektromagnetických a elektromechanických procesov vyjadrených v súradniciach viazaných na základný vektor (súradnice a- v). Takýto matematický popis je uvedený v § 1.6.
Ak vezmeme ako základný vektor a nasmerujeme súradnicovú os A pozdĺž tohto vektora potom na základe (1.46) dostaneme nasledujúcu sústavu rovníc:
V týchto rovniciach? v = , pretože vektor sa zhoduje so súradnicovou osou A.
Na obr. Obrázok 6.31 ukazuje vektorový diagram prúdov a prietokových väzieb v osiach A- v ^orientácia súradníc A pozdĺž vektora spojky rotora. Z vektorového diagramu to vyplýva
Ryža. B.31. Vektorový diagram tokových väzieb a prúdov v osiach u-v pri M
Pri konštantnej (alebo pomalej zmene) p rotorová spojka d"V u /dt= vyúsťujúce do ja a = A Г = yji u +i v = i v
V tomto prípade vektor prúdu rotora G kolmo na tok rotora. Pretože únikový tok rotora 0 je výrazne menší ako tok v medzere stroja H, t potom, ak je väzba rotorového toku konštantná, môžeme predpokladať, že projekcia vektora statorového prúdu na súradnicovú os v ja v rovná sa |/"| alebo /
Výhoda prijatého súradnicového systému u-v pre zostrojenie systmu vektorovho riadenia krútiaceho momentu a otáčok asynchrónneho motora je, že krútiaci moment motora (6.54) je definovaný ako skalárny súčin dvoch vzájomne kolmých vektorov: väzby rotorového toku *P a aktívnej zložky prúdu statora. Táto definícia krútiaceho momentu je typická napríklad pre nezávislé budenie jednosmerných motorov, najvhodnejšie pre konštrukciu automatického riadiaceho systému.
Vektorový riadiaci systém.Štrukturálny diagram takéhoto riadenia je založený na nasledujúcich princípoch:
- ? dvojkanálový riadiaci systém pozostáva z kanála na stabilizáciu spojenia rotorového toku a kanála na reguláciu rýchlosti (krútiaceho momentu);
- ? oba kanály musia byť nezávislé, t.j. zmeny v regulovaných hodnotách jedného kanála by nemali ovplyvniť druhý;
- ? kanál riadenia rýchlosti (momentu) riadi zložku prúdu statora /v. Algoritmus činnosti regulačnej slučky momentu je rovnaký ako v systémoch podriadenej regulácie otáčok jednosmerných motorov (pozri § 5.6) - výstupný signál regulátora otáčok je odkazom na krútiaci moment motora. Vydelením hodnoty tejto úlohy modulom prepojenia rotorového toku A dostaneme úlohu pre zložku statorového prúdu i v (obr. 6.32);
- ? každý kanál obsahuje vnútorný obvod prúdov /v a ja a so súčasnými regulátormi, ktoré zabezpečujú požadovanú kvalitu regulácie;
- ? získané aktuálne hodnoty i v a ja a prostredníctvom transformácií súradníc sa premieňajú na hodnoty ja a a / p dvojfázového pevného súradnicového systému a - (3 a potom v úlohe skutočných prúdov vo vinutiach statora v trojfázovom súradnicovom systéme a-b-c;
- ? Signály rýchlosti, uhla natočenia rotora a prúdov vo vinutiach statora potrebné na výpočty a tvorbu spätnej väzby sú merané príslušnými snímačmi a následne pomocou inverzných súradnicových transformácií sú prevedené na hodnoty týchto veličín zodpovedajúcich súradnicovým osám. u-v.
Ryža.
Takýto riadiaci systém poskytuje vysokorýchlostnú reguláciu krútiaceho momentu a následne aj otáčok v najširšom možnom rozsahu (nad 10 000:1). V tomto prípade môžu okamžité hodnoty krútiaceho momentu asynchrónneho motora výrazne prekročiť nominálnu hodnotu kritického krútiaceho momentu.
Aby boli riadiace kanály od seba nezávislé, je potrebné zaviesť na vstup každého kanála krížové kompenzačné signály e K0MPU a e compm (pozri obr. 6.32). Hodnotu týchto signálov zistíme z rovníc obvodu statora (6.54). Po vyjadrení a CHK 1y prostredníctvom zodpovedajúcich prúdov a indukčností (1.4) a pri zohľadnení toho, že keď je os orientovaná A pozdĺž vektora väzby rotorového toku Х / |у =0 získame:
Odkiaľ to nájdeme?
Kde rozptylový koeficient.
Nahradenie (6.55) za (6.54) a zohľadnenie toho v uvažovanom systéme riadenia dxV2u/dt= 0, dostaneme
alebo 
nové časové konštanty; e a e v - EMF rotácie pozdĺž osí u- v
Na nastavenie nezávislých veličín ja a a /v je potrebné kompenzovať e a A e v zavedenie kompenzačných napätí:
Na implementáciu princípov vektorového riadenia je potrebné priamo zmerať alebo vypočítať pomocou matematického modelu (odhad) modul a uhlovú polohu vektora väzby rotorového toku. Funkčná schéma vektorového riadenia asynchrónneho motora s priamym meraním prietoku vo vzduchovej medzere stroja pomocou Hallových snímačov je na obr. 6.33.
Ryža. B.ZZ. Funkčná schéma priameho vektorového riadenia asynchrónneho motora
Obvod obsahuje dva riadiace kanály: riadiaci (stabilizačný) kanál pre väzbu rotorového toku *P 2 a kanál riadenia rýchlosti. Prvý kanál obsahuje slučku prepojenia externého toku rotora obsahujúcu PI regulátor toku RP a spätnú väzbu toku, ktorých signál sa generuje pomocou Hallových senzorov, ktoré merajú prietok v medzere stroja. X? T pozdĺž osí ai(3. Reálne hodnoty toku sa potom v PP bloku prepočítajú na hodnoty väzby rotorového toku pozdĺž osí a a p a pomocou vektorového filtra VF modul väzby rotorového toku nájdený vektor, ktorý sa privádza ako negatívny spätnoväzbový signál do regulátora toku RP a používa sa ako delič v kanáli riadenia rýchlosti.
V prvom kanáli je vnútorný prúdový obvod podriadený obvodu prepojenia toku ja a obsahujúci PI regulátor prúdu PT1 a spätnú väzbu o skutočnej hodnote prúdu / 1i, vypočítanej z reálnych hodnôt fázových prúdov statora pomocou fázového meniča PF2 a súradnicového meniča KP1. Výstupom regulátora prúdu PT1 je nastavenie napätia Ulu, ku ktorému sa pridáva kompenzačný signál druhého kanála e kshpi(6,57). Prijatý signál nastavenia napätia je prevedený pomocou súradnicových meničov KP2 a fázových PF2 na špecifikované hodnoty a napäťové fázy na výstupe frekvenčného meniča.
Kanál riadenia toku rotora zaisťuje, že prepojenie toku Ch* 2 zostáva konštantné vo všetkých prevádzkových režimoch pohonu na úrovni špecifikovanej hodnoty x P 2set. Ak je potrebné pole oslabiť, H*^ sa môže meniť v určitých medziach s malou rýchlosťou zmeny.
Druhý kanál je určený na reguláciu otáčok (krútiaceho momentu) motora. Obsahuje externú rýchlostnú slučku a podriadenú vnútornú prúdovú slučku / 1у. Príkaz rýchlosti vychádza z generátora intenzity, ktorý určuje zrýchlenie a požadovanú hodnotu rýchlosti. Spätná väzba rýchlosti je realizovaná prostredníctvom snímača rýchlosti DS alebo snímača uhlovej polohy rotora.
PC regulátor otáčok sa používa ako proporcionálny alebo proporcionálne integrálny, v závislosti od požiadaviek na elektrický pohon. Výstup regulátora otáčok je príkaz pre krútiaci moment vyvíjaný motorom L/R. Pretože krútiaci moment sa rovná súčinu prúdu väzbou rotorového toku H / 2, potom vydelením hodnoty nastavenia krútiaceho momentu v deliacom bloku DB M späť na Ch / 2 získame hodnotu nastavenia prúdu, ktorá sa privádza na vstup regulátora prúdu PT2. Ďalšie spracovanie signálu je podobné ako pri prvom kanáli. V dôsledku toho získame úlohu pre napájacie napätie motora podľa fázy, ktorá určuje hodnotu a priestorovú polohu v každom časovom okamihu zovšeobecneného vektora napätia statora!? Upozorňujeme, že signály týkajúce sa premenných v súradniciach - sú signály jednosmerného prúdu a signály odrážajúce prúdy a napätia vo vzdušných súradniciach sú signály striedavého prúdu, ktoré určujú nielen modul, ale aj frekvenciu a fázu zodpovedajúceho napätia a prúdu.
Uvažovaný systém vektorového riadenia je v súčasnosti implementovaný v digitálnej forme na báze mikroprocesorov. Boli vyvinuté a široko používané rôzne štrukturálne schémy riadenia vektorov, ktoré sa v detailoch líšia od toho, o ktorom sa uvažuje. V súčasnosti sa teda skutočné hodnoty tokových väzieb nemerajú snímačmi magnetického toku, ale počítajú sa pomocou matematického modelu motora na základe nameraných fázových prúdov a napätí.
Vo všeobecnosti možno vektorové riadenie hodnotiť ako najefektívnejší spôsob riadenia striedavých motorov, ktorý poskytuje vysokú presnosť a rýchlosť riadenia.
Dmitrij Levkin
Hlavná myšlienka vektorové ovládanie je riadiť nielen veľkosť a frekvenciu napájacieho napätia, ale aj fázu. Inými slovami, veľkosť a uhol priestorového vektora sú riadené. Vektorové riadenie má vyšší výkon v porovnaní s. Vektorové riadenie odstraňuje takmer všetky nevýhody skalárneho riadenia.
- Výhody vektorového riadenia:
- vysoká presnosť regulácie rýchlosti;
- hladký štart a plynulé otáčanie motora v celom frekvenčnom rozsahu;
- rýchla reakcia na zmeny zaťaženia: pri zmene zaťaženia prakticky nedochádza k žiadnej zmene rýchlosti;
- zvýšený rozsah ovládania a presnosť ovládania;
- straty v dôsledku zahrievania a magnetizácie sa znižujú a .
- Nevýhody vektorového riadenia zahŕňajú:
- potreba nastavenia parametrov;
- veľké kolísanie rýchlosti pri konštantnom zaťažení;
- vysoká výpočtová náročnosť.
Všeobecný funkčný diagram vektorového riadenia
Všeobecná bloková schéma vysokovýkonného systému riadenia rýchlosti striedavého prúdu je znázornená na obrázku vyššie. Základom obvodu je prepojenie magnetického toku a obvody riadenia krútiaceho momentu spolu s vyhodnocovacou jednotkou, ktorú je možné realizovať rôznymi spôsobmi. V tomto prípade je externá regulačná slučka otáčok do značnej miery zjednotená a generuje riadiace signály pre regulátory momentu M * a prepojenie magnetického toku Ψ * (cez jednotku riadenia prietoku). Otáčky motora môžu byť merané snímačom (rýchlosť/poloha) alebo získané pomocou odhadu umožňujúceho implementáciu.
Klasifikácia metód vektorového riadenia
Od sedemdesiatych rokov dvadsiateho storočia bolo navrhnutých mnoho metód riadenia krútiaceho momentu. Nie všetky sú široko používané v priemysle. Preto tento článok pojednáva len o najpopulárnejších metódach riadenia. Diskutované metódy riadenia krútiaceho momentu sú uvedené pre riadiace systémy so sínusovým zadným EMF.
Existujúce metódy riadenia krútiaceho momentu možno klasifikovať rôznymi spôsobmi.
- Metódy riadenia krútiaceho momentu sú najčastejšie rozdelené do nasledujúcich skupín:
- lineárne (PI, PID) regulátory;
- nelineárne (hysterézne) regulátory.
| Spôsob kontroly | Rozsah regulácie rýchlosti | Chyba rýchlosti 3,% | Čas nárastu krútiaceho momentu, ms | Štartovací moment | cena | Popis | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1:10 1 | 5-10 | Nie je k dispozícií | Krátky | Veľmi nízky | Má pomalú odozvu na zmeny zaťaženia a malý rozsah regulácie otáčok, ale je ľahko realizovateľný. | |||
| >1:200 2 | 0 | Vysoká | Vysoká | Umožňuje plynule a rýchlo ovládať hlavné parametre motora – krútiaci moment a otáčky. Aby táto metóda fungovala, sú potrebné informácie o polohe rotora. | ||||
| >1:200 2 | 0 | Vysoká | Vysoká | Hybridná metóda navrhnutá tak, aby spájala výhody... | ||||
| >1:200 2 | 0 | Vysoká | Vysoká | Má vysokú dynamiku a jednoduchý obvod, ale charakteristickým znakom jeho činnosti je vysoké zvlnenie prúdu a krútiaceho momentu. | ||||
| >1:200 2 | 0 | Vysoká | Vysoká | Má spínaciu frekvenciu meniča nižšiu ako iné metódy a je navrhnutý tak, aby znižoval straty pri riadení vysokovýkonných elektromotorov. | ||||
Poznámka:
- Žiadna spätná väzba.
- So spätnou väzbou.
- V ustálenom stave
Medzi vektorovým riadením sú najpoužívanejšie (FOC - field oriented control) a (DTC - direct moment control).
Lineárne regulátory krútiaceho momentu
Lineárne regulátory krútiaceho momentu pracujú v spojení s pulznou šírkovou moduláciou (PWM) napätia. Regulátory určujú požadovaný vektor napätia statora spriemerovaný počas periódy vzorkovania. Napäťový vektor je nakoniec syntetizovaný metódou PWM, vo väčšine prípadov sa používa priestorová vektorová modulácia (SVM). Na rozdiel od nelineárnych obvodov riadenia krútiaceho momentu, kde sa signály spracovávajú pomocou okamžitých hodnôt, v obvodoch lineárneho riadenia krútiaceho momentu pracuje lineárny regulátor (PI) s hodnotami spriemerovanými počas vzorkovacej periódy. Preto sa vzorkovacia frekvencia môže znížiť zo 40 kHz v obvodoch nelineárneho regulátora krútiaceho momentu na 2-5 kHz v obvodoch lineárneho regulátora krútiaceho momentu.
(POA, anglicky field oriented control, FOC) je metóda riadenia, ktorá riadi bezkomutátorový striedavý prúd (,) ako jednosmerný prúd s nezávislým budením, čo znamená, že pole a môže byť riadené samostatne.
Riadenie orientované na pole, navrhnuté v roku 1970 Blaschke a Hasse, je založené na analógii s mechanicky prepínaným riadením. V tomto motore sú vinutia poľa a kotvy oddelené, prepojenie toku je riadené prúdom poľa a krútiaci moment je nezávisle riadený reguláciou prúdu. Spojenie toku a torzné prúdy sú teda elektricky a magneticky oddelené.
Všeobecná funkčná schéma bezsenzorového riadenia orientovaného na pole 1
Na druhej strane bezkomutátorové striedavé motory ( , ) majú najčastejšie trojfázové vinutie statora a vektor statorového prúdu I s sa používa na riadenie toku aj krútiaceho momentu. Teda prúd poľa a prúd kotvy zlúčené do vektora statorového prúdu a nemožno ho ovládať samostatne. Odpojenie je možné dosiahnuť matematicky - rozkladom okamžitej hodnoty vektora statorového prúdu I s na dve zložky: pozdĺžnu zložku statorového prúdu I sd (vytvorenie poľa) a priečnu zložku prúdu statora I sq (vytvorenie krútiaceho momentu). v rotujúcom dq súradnicovom systéme orientovanom pozdĺž rotorového poľa (R -FOC – rotor flux-oriented control) - obrázok vyššie. Riadenie bezkomutátorového striedavého motora sa tak stáva identickým s riadením a možno ho dosiahnuť pomocou PWM meniča s lineárnym PI regulátorom a priestorovou vektorovou moduláciou napätia.
Pri riadení orientovanom na pole sú krútiaci moment a pole riadené nepriamo riadením zložiek vektora statorového prúdu.
Okamžité hodnoty statorových prúdov sa prepočítavajú na rotačný súradnicový systém dq pomocou Parkovej transformácie αβ/dq, ktorá vyžaduje aj informáciu o polohe rotora. Pole je riadené pozdĺžnou zložkou prúdu Isd, zatiaľ čo krútiaci moment je riadeným priečnou zložkou prúdu Isq. Inverzná Parková transformácia (dq/αβ), matematický modul transformácie súradníc, umožňuje vypočítať referenčné zložky vektora napätia Vsα* a Vsβ*.
Na určenie polohy rotora sa používa buď snímač polohy rotora inštalovaný v elektromotore alebo bezsenzorový riadiaci algoritmus implementovaný v riadiacom systéme, ktorý vypočítava informácie o polohe rotora v reálnom čase na základe údajov dostupných v riadiacom systéme.
Bloková schéma priameho riadenia krútiaceho momentu s priestorovo-vektorovou moduláciou s nastavením krútiaceho momentu a väzby toku so spätnou väzbou pracujúcou v pravouhlom súradnicovom systéme orientovanom pozdĺž statorového poľa je znázornená na obrázku nižšie. Výstupy PI regulátorov krútiaceho momentu a toku sú interpretované ako referenčné zložky statorového napätia V ψ * a V M * v dq súradnicovom systéme orientovanom pozdĺž statorového poľa (anglické riadenie toku statora, S-FOC). Tieto príkazy (konštantné napätia) sa potom prevedú do pevného súradnicového systému αβ, po ktorom sa riadiace hodnoty Vsα* a Vsβ* odošlú do modulačného modulu priestorového vektora.
Funkčná schéma priameho riadenia krútiaceho momentu s priestorovo vektorovou moduláciou napätia
Upozorňujeme, že tento obvod možno považovať za zjednodušené riadenie orientované na statorové pole (S-FOC) bez prúdovej regulačnej slučky alebo za klasický obvod (PUM-TV, anglická spínacia tabuľka DTC, ST DTC), v ktorom je spínacia tabuľka nahradený modulátorom (SVM) a regulátor hysterézneho momentu a toku sú nahradené lineárnymi PI regulátormi.
Pri priamom riadení krútiaceho momentu s moduláciou priestorového vektora (DTC-FCM) sú krútiaci moment a prepojenie toku priamo riadené v uzavretej slučke, takže je potrebný presný odhad toku motora a krútiaceho momentu. Na rozdiel od klasického hysterézneho algoritmu pracuje s konštantnou spínacou frekvenciou. To výrazne zlepšuje výkon riadiaceho systému: znižuje točivý moment a pulzácie prietoku, čo vám umožňuje s istotou naštartovať motor a pracovať pri nízkych otáčkach. Zároveň sa však znižujú dynamické vlastnosti pohonu.
Priama samospráva
Patentovú prihlášku na metódu priamej samosprávy podal Depenbrock v októbri 1984. Bloková schéma priamej samosprávy je uvedená nižšie.
Na základe príkazov prepojenia statorového toku ψ s * a zložiek prúdovej fázy ψ sA , ψ sB a ψ sC generujú komparátory toku prepojenia digitálne signály d A , d B a d C , ktoré zodpovedajú aktívnym napäťovým stavom (V 1 – V 6). Hysteretický regulátor krútiaceho momentu má výstupný signál d M, ktorý určuje nulové stavy. Regulátor väzby statorového toku teda nastavuje časový interval stavov aktívneho napätia, ktoré pohybujú vektorom prepojenia statorového toku pozdĺž danej dráhy, a regulátor krútiaceho momentu určuje časový interval stavov nulového napätia, ktoré udržujú krútiaci moment elektromotora v tolerancii. pole určené hysterézou.
Schéma priamej samosprávy
- Charakteristické črty priamej samosprávnej schémy sú:
- nesínusové formy spojenia toku a prúdu statora;
- vektor väzby toku statora sa pohybuje pozdĺž šesťuholníkovej trajektórie;
- neexistuje žiadna rezerva napájacieho napätia, možnosti meniča sú plne využité;
- frekvencia spínania meniča je nižšia ako frekvencia priameho riadenia krútiaceho momentu so spínacím stolom;
- vynikajúca dynamika v konštantných a oslabených rozsahoch poľa.
Všimnite si, že výkon metódy priamej samoregulácie možno reprodukovať pomocou obvodu so šírkou hysterézie toku 14%.
