Исследование системы векторного управления частотно-регулируемым электроприводом переменного тока на виртуальной модели | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №1 (187) январь 2018 г.

Дата публикации: 06.01.2018

Статья просмотрена: 62 раза

Библиографическое описание:

Хидолда Е., Шауалиев А., Мектеп Е. Исследование системы векторного управления частотно-регулируемым электроприводом переменного тока на виртуальной модели // Молодой ученый. — 2018. — №1. — С. 25-30. — URL https://moluch.ru/archive/187/47675/ (дата обращения: 18.10.2018).



В настоящее время частотно-регулируемый электропривод переменного тока становится главным типом регулируемого промышленного электропривода, серийно выпускаемого ведущими электротехническими компаниями.

Основным силовым преобразователем энергии такого электропривода являются полупроводниковые преобразователи частоты на полностью управляемых коммутируемых элементах типа силовых транзисторов (IGВT) и запираемых тиристоров (IGCT).

При разработке систем регулирования электроприводом различных производителей развиваются в одном направлении и, если на первом этапе развития (70-е годы прошлого века) использовались, преимущественно, законы частотного управления типа закона М. П. Костенко с коррекцией по напряжению в области низких частот, то на втором этапе (80-е годы) признание получили алгоритмы векторного управления [1].

Управление переходными процессами в машинах переменного тока основывается на необходимости организовать управление по переменным состояния: вектору тока статора is, вектору тока ротора ir, потокосцеплению статора s, потокосцеплению ротора r, главному потокосцеплению машины o = Lm (is + ir). Эти переменные состояния взаимосвязаны перекрестными связями.

Базовым элементом такой системы управления приводом является преобразователь координат (векторный преобразователь). При помощи преобразователя координат осуществляется преобразование сигналов, пропорциональных переменным состояния (is, ir, r, s, o), из системы координат, жестко связанной со статором ( — ) или с ротором (d — q), во вращающуюся систему координат (1–2).

В [2] приведены алгоритмы управления АД, структурные схемы САУ и характеристики частотно-управляемого электропривода с асинхронным двигателем при управлении по вектору главного потокосцепления, по вектору потокосцепления ротора двигателя и по вектору магнитного потокосцепления статора асинхронного двигателя.

В последнее время наблюдается тенденция перехода к бездатчиковым системам с вычислением значений потокосцеплений по модели двигателя в реальном масштабе времени на основе применения быстродействующих вычислительных управляющих устройств.

В этом случае реализация закона r = const имеет преимущественное значение [3].

Абсолютное скольжение, определяющее частоту тока ротора  = (1 — ).

В режиме r = const развиваемый электромагнитный момент не имеет максимума и растет неограниченно с ростом . Однако, при больших величинах скольжения поддержание неизменным r невозможно из-за роста потокосцепления в воздушном зазоре и неизбежного насыщения машины. При изменении скольжения в пределах 3ном увеличение о незначительно и реализация r = const вполне осуществима.

Имеется три основных способа реализации закона r = const: скалярный, полярный и векторный.

Алгоритм управления в векторной форме имеет следующий вид:

,

а в полярной форме — следующий вид:

,

 — угол между вектором потокосцепления r и током is:

.

В схеме, реализующей векторный способ управления по абсолютному скольжению, регулирование тока осуществляется по двум каналам, которые соответствуют проекциям вектора на оси вращающейся системы координат, совмещенной с вектором потокосцепления ротора r. При этом проекция на вещественную ось isх может поддерживаться постоянной или регулироваться в зависимости от скорости вращения для организации двухзонного регулирования АД. Проекция на мнимую ось isy изменяется пропорционально абсолютному скольжению .

В этом случае отсутствует электромагнитный переходный процесс по потокосцеплению ротора, который вызывает низкочастотные колебания в замкнутом по скорости электроприводе.

Таким образом, выбор закона управления электроприводом переменного тока с поддержанием r = const можно считать наиболее приемлемым, что использовано в наиболее распространенных системах.

При построении микропроцессорной системы управления асинхронным электроприводом с преобразователем частоты, построенном на модулях с транзисторами IGBT и с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения задание амплитуды Um и частоты ωо выходного напряжения предпочтительно осуществлять в виде цифрового сигнала, а не в виде тригонометрических функций.

В связи с этим при моделировании асинхронного электропривода с векторным управлением целесообразнее использовать систему координат, в которой амплитуда и частота напряжения, приложенного к статорным обмоткам, присутствуют в явном виде. Такой системой координат является система координат, вращающаяся с частотой поля статора двигателя о, то есть система координат (u — v) [4].

Если динамическая модель асинхронного двигателя выполнена в системе координат (u — v), вычисление модуля вектора потокосцепления ротора двигателя осуществляется по формуле:

после чего также определяются мгновенные значения косинуса и синуса угла γ для перевода переменных в систему координат (1–2):

Однако, поскольку обе системы координат и (u — v), и (1–2) вращается в пространстве с одинаковой частотой ωо, координатное преобразование здесь представляет собой поворот одной системы координат по отношению к другой на некоторый пространственный угол до совмещения оси v с вектором потокосцепления ротора.

Раз обе системы координат неподвижны относительно друг друга, cosγ и sinγ представляют собой числовые значения соответствующих тригонометрических функций. Перевод составляющих вектора тока статора из системы координат (u — v) в систему координат (1–2) осуществляется с помощью уравнений:

Далее строится двухканальная система регулирования, как и в предыдущем случае. Обратное преобразование координат также представляет собой поворот одной системы координат относительно другой на угол γ, но в противоположном направлении.

Канал регулирования потокосцепления ротора двигателя содержит внутренний контур регулирования составляющей тока статора is1 с ПИ-регулятором РТ1 и внешний контур регулирования модуля потокосцепления r m с П-регулятором Р. На входе Р действует единичное постоянное задание.

Канал регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя содержит контур регулирования составляющей тока статора is2 с ПИ-регулятором РТ2 и контур регулирования скорости  с П-регулятором РС, на входе которого включен задатчик интенсивности (на структурной схеме не показан).

Структурная схема такой динамической модели системы векторного управления представлена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема модели системы векторного управления в осях (u — v)

Выходные сигналы регуляторов РТ1 и РТ2 пропорциональны составляющим вектора напряжения статора двигателя Us1 и Us2. Обратное преобразование координат для перехода из системы координат (1–2) в систему координат (u — v) имеет вид:

Напряжения Usu и Usv представляют собой амплитудные значения и не содержат гармонических составляющих. Значение амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты определяется следующим образом:

Значение частоты вращения системы координат, то есть частоты выходного напряжения преобразователя частоты, определяется следующим образом:

Таким образом, при реализации системы векторного управления с представлением модели асинхронного двигателя в системе координат (u — v) на выходе системы регулирования амплитуда и частота напряжения преобразователя частоты присутствуют в явном виде. Оптимальным с точки зрения реализации описанных алгоритмов является использование цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), архитектура которых адаптирована для выполнения рекуррентных полиномиальных вычислений.

Решение системы уравнений, описывающих работу частотно­регулируемого привода — весьма трудоемкая задача. Для решения задач подобного рода существуют различные компьютерные технологии, в основе которых лежат пакеты прикладных программ. Наиболее распространенным среди таковых является пакет MATLAB с различными дополнениями, из числа которых Toolbox Simulink, удобный при проведении анализа электромеханических процессов, протекающих в электроприводе.

Основным достоинством этого дополнения является наличие библиотечных моделей, имитирующих практически все элементы, входящие в состав ЭП, в том числе и исполнительные двигатели. Поэтому для решения системы уравнений, моделирующих частотно­регулируемый привод, был выбран программный пакет Matlab Simulink.

Диаграммы электромеханических процессов, протекающих в компьютерной модели частотно­регулируемого ЭП с алгоритмом векторного управления по вектору главного потокосцепления, приведена на рис.2.

На приведенных диаграммах показаны процессы изменения напряжения Us и тока Is статора, частоты вращения ω, электромагнитного момента и модуля вектора главного потокосцепления |Ψ0|, протекающие при пуске и равноускоренном разгоне АД до номинальной частоты вращения (рад/c), набросе и сбросе статического момента нагрузки (Нм), а также при равнозамедленном снижении частоты вращения АД до полной остановки.

Рис.2. Диаграммы электромеханических процессов

На основе полученных характеристик частотного привода можно оценить его энергопотребление в различных режимах работы и сравнить с энергопотреблением классического ступенчато регулируемого привода.

Литература:

  1. Современный частотно-регулируемый электропривод /Горбань Р. Н., Янукович А. Т. — под редакцией Гаврилова А. В. — С-Петербург, СПЭК. 2001.
  2. Дартау В. А., Рудаков В. В., Столяров И. М. Асинхронные электроприводы с векторным управлением -–Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1987.
  3. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы Analog Devices / CHIP NEWS. № 7–8, 1997.
  4. Козярук А. Е., Рудаков В. В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. С.-Петербург, ГГИ(ТУ). -2002.
Основные термины (генерируются автоматически): система координат, векторное управление, асинхронный двигатель, регулируемый привод, ротор двигателя, переменный ток, абсолютное скольжение, асинхронный электропривод, выходное напряжение, структурная схема.


Похожие статьи

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

асинхронный двигатель, система управления, векторное управление, трансформация координат, инвертор напряжения, тяговый электропривод троллейбусов, статорный ток, позиция ротора, случай управления...

Математическое моделирование асинхронного двигателя...

структурная схема, уравнение, электромагнитный момент, неподвижная система координат, асинхронный двигатель, Проекция уравнения, статорный ток, номинальный режим, математическая модель, система...

Пространственные векторы в асинхронном двигателе...

уравнение, пространственный вектор, вектор, мгновенное значение напряжений, система координат, система уравнений, роторная система координат, векторная форма, асинхронный двигатель, статорная обмотка.

Разработка частотно-регулируемого асинхронного...

буровой насос, буровая установка, частотно-регулируемый асинхронный электропривод, асинхронный двигатель, глубокое вращательное бурение, преобразовательный агрегат, функциональная схема, ток.

Математическая модель САР скорости линейного асинхронного...

Математическая модель САР скорости линейного асинхронного двигателя на магнитных схемах замещения при векторном управлении. Емельянов Александр Александрович, доцент; Бесклеткин Виктор Викторович, ассистент; Прокопьев Константин Васильевич, студент...

Моделирование САР скорости асинхронного двигателя...

Рис. 7. Реализация статорного тока по проекции y. Скольжение системы координат и скорость её вращения определяются по следующим зависимостям [4]

Полная схема математической модели САР скорости асинхронного двигателя приведена на рис. 10.

Математическая модель асинхронного двигателя в неподвижной...

уравнение, система координат, структурная схема, роторная система координат, вектор, неподвижная система координат, асинхронный двигатель, электромагнитный момент, неподвижная система координат статора, система...

Моделирование САР скорости асинхронного двигателя...

Математическая модель асинхронного двигателя с переменными is – ψr. А) Выражение для статорного тока isx по проекции x, подготовленное для структурной схемы, имеет следующий вид [1]

Скин-эффект в асинхронном двигателе с короткозамкнутым...

В процессе работы короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД) скольжение может изменяться. При скольжении, не равном нулю, в большей или меньшей степени возникает эффект вытеснения тока в стержнях ротора.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

асинхронный двигатель, система управления, векторное управление, трансформация координат, инвертор напряжения, тяговый электропривод троллейбусов, статорный ток, позиция ротора, случай управления...

Математическое моделирование асинхронного двигателя...

структурная схема, уравнение, электромагнитный момент, неподвижная система координат, асинхронный двигатель, Проекция уравнения, статорный ток, номинальный режим, математическая модель, система...

Пространственные векторы в асинхронном двигателе...

уравнение, пространственный вектор, вектор, мгновенное значение напряжений, система координат, система уравнений, роторная система координат, векторная форма, асинхронный двигатель, статорная обмотка.

Разработка частотно-регулируемого асинхронного...

буровой насос, буровая установка, частотно-регулируемый асинхронный электропривод, асинхронный двигатель, глубокое вращательное бурение, преобразовательный агрегат, функциональная схема, ток.

Математическая модель САР скорости линейного асинхронного...

Математическая модель САР скорости линейного асинхронного двигателя на магнитных схемах замещения при векторном управлении. Емельянов Александр Александрович, доцент; Бесклеткин Виктор Викторович, ассистент; Прокопьев Константин Васильевич, студент...

Моделирование САР скорости асинхронного двигателя...

Рис. 7. Реализация статорного тока по проекции y. Скольжение системы координат и скорость её вращения определяются по следующим зависимостям [4]

Полная схема математической модели САР скорости асинхронного двигателя приведена на рис. 10.

Математическая модель асинхронного двигателя в неподвижной...

уравнение, система координат, структурная схема, роторная система координат, вектор, неподвижная система координат, асинхронный двигатель, электромагнитный момент, неподвижная система координат статора, система...

Моделирование САР скорости асинхронного двигателя...

Математическая модель асинхронного двигателя с переменными is – ψr. А) Выражение для статорного тока isx по проекции x, подготовленное для структурной схемы, имеет следующий вид [1]

Скин-эффект в асинхронном двигателе с короткозамкнутым...

В процессе работы короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД) скольжение может изменяться. При скольжении, не равном нулю, в большей или меньшей степени возникает эффект вытеснения тока в стержнях ротора.

Задать вопрос