При проектировании частотного регулирования электропривода возникает необходимость построения адекватных моделей, в полной мере учитывающих специфику протекающих электромеханических процессов в двигателе. Для апробации моделей необходимо сравнение с физически реализуемым процессом на реальном оборудовании, в связи с этим возникает необходимость определения параметров реальных электродвигателей для проверки модели на адекватность. В статье описана математическая модель векторного управления асинхронным электродвигателем. Модель позволяет отслеживать электромеханические процессы в электродвигателе при его работе. Получены графики механических и электрических переходных процессов, характеризующих пуск электродвигателя. Построена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, наглядно показывающая увеличение нагрузочного диапазона. Произведена оценка адекватности модели. Математические эксперименты и создание модели выполнены в графической среде имитационного моделирования Simulink – приложении к пакету Matlab.

инвертор

математическая модель

механическая характеристика

векторное управление

асинхронный двигатель

1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 297 с.

2. Лиходедов А.Д. Построение механической характеристики асинхронного двигателя и её апробация // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла. – СПб., 2002.

4. Шувалов Г.А. Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2012. – № 2.

5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (in German), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.

6. PLC – это просто!! Векторное управление. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (дата обращения: 12.09.2012).

Развитие асинхронного электропривода с векторным управлением

Принято различать два основных способа управления электроприводами переменного тока, использующими в качестве преобразователей энергии по-лупроводниковые преобразователи частоты: частотное и векторное.

При частотном управлении в ЭП реализуется один из статических за-конов частотного управления (например, , и т.д.). На выходе системы управления формируется задание по частоте и ам-плитуде выходного напряжения ПЧ. Область применения таких систем: асинхронный электропривод, к кото-рому не предъявляется повышенных статических и динамических требований, вентиляторы, насосы и прочие общепромыш-ленные механизмы.

При векторном управлении управление осуществляется по мгновен-ным значениям переменных. В цифровых векторных системах может выпол-няться управление по эквивалентным (усредненным на интервале дискретно-сти управления) переменным .

В 1971 году Блашке предложил принцип построения системы управления асинхронным двигателем , в котором использовалась векторная модель АД с ориентацией системы координат по потокосцеплению ротора. Этот принцип называется также прямым управлением моментом . Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно-регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи по скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов .

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат, позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы). В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент. Так, например, частотный преобразователь обеспечивает точность поддержания скорости вращения ±2-3% в режиме U/f, при векторном управлении без датчика скорости ±0,2%, при полном векторном управлении с датчиком скорости обеспечивается точность ±0,01% .

Общий принцип векторного управления АД

В дальнейшем мы будем использовать следующие индексы систем координат: a-b - неподвижная система координат (), ориентированная по оси фазы a обмотки статора; x-y - система координат, вращающаяся синхронно с ротором () и ориентированная по оси фазы a его обмотки; d-q - система координат, вращающаяся синхронно с потокосцеплением ротора () и ориентированная по его направлению; m-n - произвольно ориентированная система координат, вращающаяся с произвольной скоростью .

Общий принцип моделирования и построения системы управления АД заключается в том, что для этого используется система координат, постоянно ориентированная по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Тогда проекция этого вектора на другую ось координат и соответствующее ей слагаемое в выражении для электромагнитного момента будут равны нулю, и формально оно принимает вид, идентичный выражению для электромагнитного момента двигателя постоянного тока, который пропорционален по величине току якоря и основному магнитному потоку.

В случае ориентации системы координат по потокосцеплению ротора () момент можно представить как:

, (1)

где - индуктивность рассеяния цепи ротора, - индуктивность цепи намагничивания, - число пар полюсов, - проекции токов статора на оси системы координат .

По данному выражению можно при условии постоянства потокосцепления ротора управлять электромагнитным моментом, изменяя проекции тока статора на поперечную ось . Выбор уравнения для построения системы управления играет большую роль, т.к. многие величины, в особенности у короткозамкнутых АД, не могут быть измерены. Кроме того, этот выбор существенно влияет на сложность передаточных функций системы, иногда в несколько раз увеличивая порядок уравнений.

Для построения системы векторного управления АД нужно выбрать вектор, относительно которого будет ориентирована система координат, и соответствующее выражение для электромагнитного момента, а затем определить входящие в него величины из уравнений для цепи статора и/или ротора (2) :

, (2, а)

, (2, б)

где - напряжение обмоток статора в векторной форме; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; составляющие ,связаны с изменением потокосцепления во времени вследствие изменения во времени токов и называются ЭДС трансформации, по аналогии с процессами ее возбуждения в соответствующей электрической машине; составляющие , - связаны с изменением потокосцепления вследствие вращения ротора и называются ЭДС вращения.

Если в качестве опорного вектора выбрать потокосцепление ротора и ориентировать по нему координатную систему так, чтобы ее вещественная ось совпадала с направлением , то угловая частота вращения системы координат будет равна угловой частоте питания статора , т.к. векторы потокосцеплений статора и ротора вращаются с одинаковой частотой. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД.

При этом проекции вектора тока статора с учетом того, что , равны:

(3)

где - электромагнитная постоянная времени ротора.

Выразим потокосцепление и угловую частоту ротора:

(4)

Таким образом, с помощью проекции тока статора можно управлять потокосцеплением ротора, и передаточная функция этого канала соответствует апериодическому звену с постоянной времени, равной постоянной времени ротора; а с помощью проекции можно независимо и безынерционно управлять частотой ротора .

При этом электромагнитный момент АД можно определить, зная частоту токов ротора при заданном потокосцеплении:

, (5)

Выражения - определяют связь между проекциями тока статора на оси координат, потокосцеплением, частотой ротора и электромагнитным моментом АД. Из выражения и уравнения движения следует, что управление моментом может осуществляться безынерционно двумя входными сигналами: потокосцеплением и частотой ротора. Эти сигналы связаны с проекциями вектора тока статора выражениями . Поэтому устройство векторного управления содержит блок развязки координат (РК), осуществляющий преобразования в соответствии с выражениями (3), а также ротатор, вращающий вектор тока статора в направлении, противоположном вращению ротора АД. Входными сигналами для устройства управления будут линейное напряжение сети и частота питающего напряжения, соответствующие потокосцеплению и частоте ротора. Название блока развязки координат происходит от выполняемой им функции формирования сигналов, соответствующих независимым (развязанным, разделённым) проекциям вектора тока статора (рисунок 1).

Рис. 1. Структурная схема блока развязки координат.

Из выражения для электромагнитного момента (5) и общего уравнения движения можно получить передаточную функцию АД по каналу управления частотой ротора:

где - механическая постоянная времени. Эта передаточная функция полностью соответствует двигателю постоянного тока, поэтому построение систем электропривода с векторным управлением АД ничем не отличается от приводов постоянного тока.

Следует отметить, что устройство управления может выполнять свои функции только при условии, что параметры АД, входящие в передаточные функции его звеньев, соответствуют истинным значениям, в противном случае потокосцепление и частота ротора в АД и в устройстве управления будут отличаться друг от друга. Это обстоятельство создает значительные трудности при реализации систем векторного управления на практике, т.к. параметры АД изменяются в процессе работы. В особенности это относится к значениям активных сопротивлений .

Математическое описание координатных преобразований

Если вектор тока представлен в неподвижной системе координат (a, b), то переход к новой системе координат (x,y), развернутой относительно исходной на некоторый угол (рисунок 2а), осуществляется из следующего соотношения аргументов комплексных чисел:

Или (7)

Рис. 2. Обобщенный вектор тока в различных системах координат.

Для системы координат, вращающейся с постоянной угловой частотой , угол равен .

Преобразование координат можно записать в развернутом виде следующим образом:

Отсюда можно найти составляющие вектора и в матричной форме:

, (9)

где , - мгновенные значения токов соответствующих обмоток.

Необходимым элементом системы векторного управления АД является ротатор, осуществляющий преобразование координат векторов в соответствии с выражением (9) .

Для преобразования переменных из системы координат (d,q) в систему координат (a, b) воспользуемся следующими уравнениями:

где γ - угол полеориентирования. Структурная схема ротатора изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема ротатора.

Математическая модель АД

Асинхронный двигатель смоделирован в системе координат - α, β. Уравнения, соответствующие этой системе координат, описываются системой уравнений:

(11)

где: , , , - составляющие векторов потокосцепления статора и ротора в системах координат ; , - составляющие вектора напряжения статора в системах координат ; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; - полные индуктивности обмоток статора и ротора (17),(18);- коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора (12),(13); p - число пар полюсов; - механическая скорость ротора; J - момент инерции ротора двигателя; - момент сопротивления на валу двигателя.

Значения полных индуктивностей обмоток и коэффициентов электромагнитной связи статора и ротора вычисляются по формулам:

где:- индуктивности рассеяния; - индуктивность цепи намагничивания,

где: - индуктивное сопротивление рассеяния обмоток статора и ротора; - индуктивное сопротивление цепи намагничивания; f - частота напряжения, подводимого к статору.

При решении системы дифференциальных уравнений в координатах (11) можно получить динамическую механическую характеристику и временные характеристики переменных состояния (например, момента и скорости), которые дают представление о процессах, протекающих в двигателе. Составляющие напряжения, подводимого к статорной обмотке двигателя, вычисляются по формуле:

(19)

где U - действующее значение напряжения, подводимого к статору.

Решение уравнений сводится к интегрированию левой и правой частей каждого дифференциального уравнения системы:

(20)

Токовременные зависимости вычисляются по уравнениям:

(21)

Паспортные данные АД ДМТ f 011-6у1 приведены в статье .

На рисунке 4 изображена модель АД, управляемого током статора, в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора.

Рис. 4. Модель векторного управления АД в среде Simulink:

АД - асинхронный двигатель;

УУ - устройство управления, включающее: РК - блок развязки координат, Р - ротатор;

Н - нагрузка, учитывающая также сопротивление подшипников.

Модель векторного управления АД позволяет отслеживать электромагнитные процессы, происходящие в асинхронном двигателе при его работе.

На следующем графике (рисунок 5) изображена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, полученная модельным путем, в сравнении с механической характеристикой электродвигателя без регулятора, полученной при натурном эксперименте .

Рис. 5. Сравнение механических характеристик.

Как можно видеть по графику, при векторном управлении механическая характеристика асинхронного двигателя приобретает жёсткость, вследствие чего расширяется перегрузочный диапазон. Значения характеристик в диапазоне от 0 до 153 Н·м расходятся незначительно, погрешность составляет лишь 1,11%, следовательно, полученная математическая модель адекватно отражает работу реального двигателя и её можно использовать для проведения экспериментов в инженерной практике.

Заключение

Применение векторного управления позволяет посредством изменения амплитуды и фазы питающего напряжения напрямую управлять электромагнитным моментом электродвигателя. Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе, в соответствии с этим имеются системы координат, связанные со статором, ротором и полем. Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели регулируемого электродвигателя.

Механические характеристики, полученные при работе описанной модели, подтверждают теоретические сведения о векторном управлении. Модель адекватна и может применяться для дальнейших экспериментов.

Рецензенты:

Швецов Владимир Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры РЭС КамчатГТУ, г. Петропавловск-Камчатский.

Потапов Вадим Вадимович, д.т.н., профессор филиала ДВФУ, г. Петропавловск-Камчатский.

Библиографическая ссылка

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности.

На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
2. Векторное управление.

Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности. Это, прежде всего, связано с большими достижениями в области силовой электроники и микропроцессорной техники, на основе которых были разработаны частотные преобразователи. С другой стороны, унификация производства преобразователей частоты производителями, позволила достаточно сильно повлиять на их стоимость и сделала их окупаемыми в достаточно короткие промежутки времени. Экономия энергоресурсов при применении преобразователей для управления асинхронными двигателями в некоторых случаях может достигать 40% и более.
На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
1. U/f- регулирование (вольт-частотное или скалярное управление);
2. Векторное управление.

U/f- регулирование скорости асинхронного электропривода

Скалярное управление или U/f-регулирование асинхронным двигателем - это изменение скорости двигателя путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля этого напряжения. При U/f-регулировании частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые обычно регулируются совместно. При этом частота принимается за независимое воздействие, а значение напряжения при данной частоте определяется исходя из того, как должен изменяться вид механических характеристик привода при изменении частоты, т.е., из того, как должен меняться в зависимости от частоты критический момент. Для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить постоянство соотношения U/f=const, где U-напряжение на статоре, а f-частота напряжения статора.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
К законам U/f-регулирования можно отнести законы, связывающие величины и частоты питающего двигатель напряжения (U/f=const, U/f2=const и другие). Их достоинством является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление используется для большинства практических случаев применения частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя без использования датчика обратной связи до 1:40. Алгоритмы скалярного управления не позволяют реализовать контроль и управление вращающим моментом электродвигателя, а также режим позиционирования. Наиболее эффективная область применения данного способа управления: вентиляторы, насосы, конвейеры и т.д.

Векторное управление

Векторное управление – это метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующий гармонические токи и напряжения фаз (скалярное управление), но и обеспечивающий управление магнитным потоком двигателя. В основе векторного управления лежит представление о напряжениях, токах, потокосцеплениях, как о пространственных векторах.
Основные принципы были разработаны в 70-х годах 20 века. В результате фундаментальных теоретических исследований и успехов в области силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорных систем, на сегодняшний день, разработаны электроприводы с векторным управлением, которые серийно выпускаются производителями приводной техники всего мира.
При векторном управлении в асинхронном электроприводе в переходных процессах имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление ротора в переходных процессах меняется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора (аналогия с изменением момента при изменении тока якоря в машине постоянного тока).
При векторном управлении в звене управления подразумевается наличие математической модели регулируемого электропривода. Режимы векторного управления можно проклассифицировать следующим образом:
1. По точности математической модели электродвигателя, используемой в звене управления:
. Использование математической модели без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем);
Использование математической модели с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя, т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя.
2. По наличию или отсутствию обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:
Управление двигателем без обратной связи по скорости – при этом устройством управления используются данные математической модели двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора;
Управление двигателем с обратной связью по скорости – при этом устройством используется не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точность отработки электроприводом задания скорости (положения) .

К основным законам векторного управления можно отнести следующие:
а. Закон обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления статора ψ1 (соответствующее постоянству Евнеш /f).
б. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления воздушного зазора ψ0 (постоянство Е/f);
в. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления ротора ψ2 (постоянство Евнут/f).
Закон поддержания постоянства потокосцепления статора реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основной недостаток такого закона – пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах. Обусловлено это увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.
Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.
При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Сравнительная оценка законов регулирования скорости асинхронным электроприводом изменением частоты напряжения на статоре

На рис.1 приведены результаты теоретических исследований энергетических показателей асинхронного двигателя мощностью Рн=18,5 кВт при различных законах частотного управления, которые проводились в работе В.С. Петрушина и к.т.н. А.А. Танькова «Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления». Там же даны результаты эксперимента, проведенного при испытании этого двигателя (закон частотного управления U/f = const). Двигатель работал на нагрузку с постоянным моментом 30,5 Нм в диапазоне скоростей 500 - 2930 об/мин.
Сопоставив полученные зависимости можно сделать вывод, что в зоне небольших скоростей при использовании законов управления второй группы КПД больше на 7-21%, а коэффициент мощности меньше на 3-7%. С увеличением скорости различия снижаются.

Рис.1. Изменение КПД (а) и cosφ (б) в диапазоне регулирования: 1 - экспериментальные зависимости; расчетные зависимости при разных законах управления: 2 - U/f = const, 3 - Евнеш /f = const, 4 - Е/f= const, 5 - Евнут /f= const.
Таким образом, законы векторного управления обеспечивают не только лучшее управление электроприводом в статических и динамических режимах, но и повышение КПД двигателя и, соответственно, всего привода. Однако все законы с поддержанием постоянства потокосцепления имеют свои определенные недостатки.
Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.
Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.
На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки. В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

Использование частотного преобразователя направлено на решение важных задач. Они заключаются в осуществлении управления моментом и скоростью электродвигателя. Данные требования указывают на необходимость ограничивать ток двигателя, а также момент значениями, которые являются допустимыми. Это выполняется в процессах пуска, торможения, а также при изменениях нагрузки.

Делать это требуется для того, чтобы ограничивать динамические ударные нагрузки в механизме преобразователя частоты . При этом отмечаются перегрузки при работе и потребность в регулировке момента двигателя, которая выполняется непрерывно. Также выполнение таких действий требуется, когда необходимо точно поддержать усилия на мехнизме, который является рабочим. Примером в данном случае становятся приводы, используемые в станках для обработки металла.

Сущестуют различные методы частотного управления, которые позволяют решить различные задачи при регулировке скорости и измененения момента, среди которых- два основных метода - векторный и скалярный . Каждый из них имеет свои характерные особенности, на которых следует остановиться более подробно.

Первый метод управления - скалярный . Особенность скалярного управления заключается в его распространенности, а область применения связана с приводами насосов и вентиляторов. Кроме этого, частотные преобразователи со скалярным методом управления используют там, где важно поддерживать определенный технологический параметр. Им может быть, например, давление в трубопроводе. Изменение амплитуды, а также частоты питающего напряжения выступает в качестве основного принципа, на котором основывается данный метод. При этом используется закон U/f. Наибольший диапазон для регулирования скорости составляет 1:10.
Дополнительные особенности скалярного метода заключаются в свойственной ему легкости при реализации. Существует также и недостаток, который заключается в том, что нет возможности точно регулировать скорость вращения вала. Еще одна особенность - на валу двигателя частотный преобразователь со скалярным управлением не дает возможности контролировать момент.

Второй метод, используемый в частотных преобразователях - векторный . Это такой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, при котором формируются не только гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора,а именно, моментом на валу электродвигателя. Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах.

Системы векторного управления разделяются на два класса - это бездатчиковые и с обратной связью. Область применения позволяет определить применение определенного метода. Применение бездатчиковых систем возможно, когда скорость изменяется не больше чем 1:100, а точность поддержания составляет не больше чем ±0,5 %. При аналогичных показателях, составляющих 1:1000 и ±0,01 % соответственно принято использовать системы с обратной связью.

Преимуществами векторного метода управления является быстрота реакции относительно изменения нагрузки, а в области малых частот вращение двигателя характеризуется плавностью, отсутствием рывков. Внимание привлекает обеспечение на валу при условии нулевой скорости номинального момента, если имеется датчик скорости. Регулировка скорости выполняется при достижении высокой точности. Все эти преимущества становятся важными на практике.

ВЫВОДЫ:

1. Если в скалярных преобразователях частоты объектом контроля и управления является только магнитное поле статора, то в векторных моделях объектом контроля и управления является и магнитное поле статора, и ротора, а точнее - их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Что касается методов контроля и управления, то когда применяется скалярный метод управления- используется выходная частота и ток частотного преобразователя, а в случае с векторным управлением - выходная частота, ток и его фаза.

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

• U/f – вольт на герц;
• U/f с энкодером;
• Векторное управление с разомкнутым контуром;
• Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.

Главная идея векторного управления заключается в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и фазу. Другими словами контролируется величина и угол пространственного вектора . Векторное управление в сравнении со обладает более высокой производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех недостатков скалярного управления.

Преимущества векторного управления:
• высокая точность регулирования скорости;
• плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот;
• быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости;
• увеличенный диапазон управления и точность регулирования;
• снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается .

К недостаткам векторного управления можно отнести:
• необходимость задания параметров ;
• большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
• большая вычислительная сложность.

Общая функциональная схема векторного управления

Общая блок-диаграмма высокопроизводительной системы управления скорости переменного тока показана на рисунке выше. Основой схемы являются контуры контроля магнитного потокосцепления и момента вместе с блоком оценки, который может быть реализован различными способами. При этом внешний контур управления скоростью в значительной степени унифицирован и генерирует управляющие сигналы для регуляторов момента М * и магнитного потокосцепления Ψ * (через блок управления потоком). Скорость двигателя может быть измерена датчиком (скорости / положения) или получена посредством оценщика, позволяющего реализовать .

Классификация методов векторного управления

Начиная с семидесятых годов двадцатого века было предложено множество способов управления моментом. Не все из них нашли широкое применение в промышленности. Поэтому, в данной статье рассматриваются только самые популярные методы управления. Обсуждаемые методы контроля момента представлены для систем управления и с синусоидальной обратной ЭДС.

Существующие методы управления моментом могут быть классифицированы различным способом.

Чаще всего методы управления моментом разделяют на следующие группы:
• линейные (ПИ, ПИД) регуляторы;
• нелинейные (гистерезисные) регуляторы.

Примечание:

1. Без обратной связи.
2. С обратной связью.
3. В установившемся режиме

Среди векторного управления наиболее широко используются (FOC - field oriented control) и (DTC - direct torque control).

Линейные регуляторы момента

Линейные регуляторы момента работают вместе с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Регуляторы определяют требуемый вектор напряжения статора усредненный за период дискретизации. Вектор напряжения окончательно синтезируется методом ШИМ, в большинстве случаев используется пространственно векторная модуляция (ПВМ). В отличие от нелинейных схем управления моментом, где сигналы обрабатываются по мгновенным значениям, в линейных схемах контроля момента, линейный регулятор (ПИ) работает с значениями усредненными за период дискретизации. Поэтому частота выборки может быть уменьшена с 40 кГц у нелинейных регуляторов момента до 2-5 кГц в схемах линейных регуляторов момента.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление (ПОУ, англ. field oriented control, FOC) - метод регулирования, который управляет бесщеточным переменного тока ( , ), как машиной постоянного тока с независимым возбуждением, подразумевая, что поле и могут контролироваться отдельно.

Полеориентированное управление, предложенное в 1970 году Блашке и Хассе основано на аналогии с механически коммутируемым . В этом двигателе разделены обмотки возбуждения и якоря, потокосцепление контролируется током возбуждения , а момент независимо управляется регулировкой тока . Таким образом, токи потокосцепления и момента электрически и магнитно разделены.

Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного управления 1

С другой стороны бесщеточные электродвигатели переменного тока ( , ) чаще всего имеют трехфазную обмотку статора, и вектор тока статора I s используется для контроля и потокосцепления и момента. Таким образом, ток возбуждения и ток якоря объединены в вектор тока статора и не могут контролироваться раздельно. Разъединение может быть достигнуто математически - разложением мгновенного значения вектора тока статора I s на две компоненты: продольную составляющую тока статора I sd (создающую поле) и поперечную составляющую тока статора I sq (создающую момент) во вращающейся dq системе координат ориентированной по полю ротора (R-FOC – rotor flux-oriented control) - рисунок выше. Таким образом, управление бесщеточным двигателем переменного тока становится идентичным управлению и может быть осуществлено используя инвертер ШИМ с линейным ПИ регулятором и пространственно-векторной модуляцией напряжения.

В полеориентированном управлении момент и поле контролируются косвенно посредством управления составляющими вектора тока статора.

Мгновенные значения токов статора преобразовываются к dq вращающейся системе координат с помощью преобразования Парка αβ/dq, для выполнения которого также требуется информации о положении ротора. Поле контролируется через продольную составляющую тока I sd , в то время как момент контролируется через поперечную составляющую тока I sq . Обратное преобразование Парка (dq/αβ), математический модуль преобразования координат, позволяет вычислить опорные составляющие вектора напряжения V sα * и V sβ * .

Для определения положения ротора используется либо датчик положения ротора установленный в электродвигателе либо реализованный в системе управления бездатчиковый алгоритм управления, который вычисляет информацию о положении ротора в режиме реального времени на основании тех данных, которые имеются в системе управления.

Блок-схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией с регулировкой момента и потокосцепления с обратной связью работающей в прямоугольной системе координат ориентированной по полю статора представлена на рисунке ниже. Выходы ПИ регуляторов момента и потокосцепления интерпретируются как опорные составляющие напряжения статора V ψ * и V M * в системе координат dq ориентированной по полю статора (англ. stator flux-oriented control, S-FOC). Эти команды (постоянные напряжения) затем преобразуются в неподвижную систему координат αβ, после чего управляющие значения V sα * и V sβ * поступают на модуль пространственно векторной модуляции.

Функциональная схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией напряжения

Обратите внимание, что данная схема может рассматриваться как упрощенное управление ориентированное по полю статора (S-FOC) без контура управления током или как классическая схема (ПУМ-ТВ, англ. switching table DTC, ST DTC) в которой таблица включения заменена модулятором (ПВМ), а гистерезисный регулятор момента и потока заменены линейными ПИ регуляторами.

В схеме прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией (ПУМ-ПВМ) момент и потокосцепление напрямую управляются в замкнутом контуре, поэтому необходима точная оценка потока и момента двигателя. В отличии от классического алгоритма гистерезисного , работает на постоянной частоте переключения. Это значительно повышает характеристики системы управления: уменьшает пульсации момента и потока, позволяет уверенно запускать двигатель и работать на низких оборотах. Но при этом снижаются динамические характеристики привода.

Нелинейные регуляторы момента

Представленная группа регуляторов момента отходит от идеи преобразования координат и управления по аналогии с коллекторным двигателем постоянного тока, являющегося основой для . Нелинейные регуляторы предлагают заменить раздельное управление на непрерывное (гистерезисное) управление, которое соответствует идеологии работы (включено-выключено) полупроводниковых устройств инвертора.

В сравнении с полеориентированным управлением схемы прямого управления моментом имеют следующие характеристики:

Преимущества:
• простая схема управления;
• отсутствуют контуры тока и прямое регулирование тока;
• не требуется преобразование координат;
• отсутствует отдельная модуляция напряжения;
• датчик положения не требуется;
• хорошая динамика.

Недостатки:
• требуется точная оценка вектора магнитного потокосцепления статора и момента;
• сильные пульсации момента и тока из-за нелинейного (гистерезисного) регулятора и переменной частоты переключения ключей;
• шум с широким спектром из-за переменной частоты переключения.

Прямое управление моментом

Впервые метод прямого управления моментом с таблицей включения был описан Такахаси и Ногучи в статье IEEJ представленной в сентябре 1984 года и позже в статье IEEE опубликованной в сентябре 1986 года . Схема классического метода прямого управления моментом (ПУМ) на много проще, чем у метода управления по полю (), так как не требуется преобразования систем координат и измерения положения ротора. Схема метода прямого управления моментом (рисунок ниже) содержит оценщик момента и потокосцепления статора, гистерезисные компараторы момента и потокосцепления, таблицу включения и инвертор.

Принцип метода прямого управления моментом заключается в выборе вектора напряжения для одновременного управления и моментом и потокосцеплением статора. Измеренные токи статора и напряжение инвертора используются для оценки потокосцепления и момента. Оцененные значения потокосцепления статора и момента сравниваются с управляющими сигналами потокосцепления статора ψ s * и момента двигателя M * соответственно посредством гистерезисного компаратора. Требуемый вектор напряжения управления электродвигателем выбирается из таблицы включения исходя из оцифрованных ошибок потокосцепления d Ψ и момента d M генерируемых гистерезисными компараторами, а также исходя из сектора положения вектора потокосцепления статора полученного исходя из его углового положения . Таким образом, импульсы S A , S B и S C для управления силовыми ключами инвертора генерируются посредством выбора вектора из таблицы.

Классическая схема прямого управления моментом с таблицей включения с датчиком скорости

Имеется множество вариаций классической схемы нацеленых на улучшение пуска, условий перегрузки, работы на очень низких скоростях, уменьшение пульсаций момента, работу на переменной частоте переключения и уменьшение уровня шумов.

Недостатком классического метода прямого управления моментом является наличие высоких пульсаций тока и в установившемся состоянии. Проблема устраняется повышением рабочей частоты инвертора выше 40кГц, что увеличивает общую стоимость системы управления .

Прямое сомоуправление

Заявка на патент метода прямого самоуправления была подана Депенброком в октябре 1984 года . Блок схема прямого самоуправления показана ниже.

Основываясь на командах потокосцепления статора ψ s * и текущих фазовых составляющих ψ sA , ψ sB и ψ sC компараторы потокосцепления генерируют цифровые сигналы d A , d B и d C , которые соответствуют активным состояниям напряжений (V 1 – V 6). Гистерезисный регулятор момента имеет на выходе сигнал d M , который определяет нулевые состояния. Таким образом, регулятор потокосцепления статора задает отрезок времени активных состояний напряжений, которые перемещают вектор потокосцепления статора по заданной траектории, а регулятор момента определяет отрезок времени нулевых состояний напряжений, которые поддерживают момент электродвигателя в определенном гистерезисом поле допуска.

Схема прямого самоуправления

Характерными особенностями схемы прямого самоуправления являются:
• несинусоидальные формы потокосцепления и тока статора;
• вектор потокосцепления статора перемещается по шестиугольной траектории;
• нет запаса по напряжению питания, возможности инвертора используются полностью;
• частота переключения инвертора ниже чем у прямого управления моментом с таблицей включения;
• отличная динамика в диапазонах постоянного и ослабленного поля.

Заметьте, что работа метода прямого самоуправления может быть воспроизведена с помощью схемы при ширине гистерезиса потока 14%.