5.11. Частотнорегулируемый асинхронный электропривод с векторным управлением

Появление микропроцессорных средств позволило вычислять переменные состояния электропривода, недоступные для прямого измерения и реализовать законы управления, более сложные, но более эффективные. В качестве примера можно указать на частотнорегулируемый асинхронный электропривод с векторным регулированием момента и вычислением с использованием модели двигателя тех переменных состояния, которые трудно доступны для прямого измерения.

Асинхронный двигатель М (рис. 5.29) получает питание от преобразователя частоты ПЧ, который содержит неуправляемый выпрямитель, L-C фильтр, подключенные к автономному инвертору напряжения, выполненному на транзисторах по трехфазной мостовой схеме.

Регулирование электромагнитного момента производится регуляторами РТ_W активной I_W и РТµ реактивной Iµ составляющих тока статора. Измерение этих составляющих осуществляется косвенным путем с помощью модели асинхронного двигателя («Модель АД»), на вход которой поступают мгновенные (текущие) значения фазных токов I_А, I_В , I_С, напряжений U_А, U_В, U_С и угловой скорости n двигателя. На выходе модели представлены величины скольжения s, составляющих токов I_W и Iµ.

Управление движением электропривода производится по традиционной схеме подчиненного регулирования скорости с задатчиком интенсивности ЗИ, ПИ-регулятором скорости РС с блоком ограничения БО, двумя параллельно работающими каналами регулирования токов I_W и Iµ со своими регуляторами РТ_W и РТ_µ , преобразователем координат ПК, который вектор желаемого тока статора, полученный регуляторами тока в двухфазной системе коородинат, преобразует в трехфазную систему переменных по числу фаз асинхронного двигателя.

Как правило, фирмы-изготовители электрооборудования не считают обязательным раскрывать алгоритмы функционирования отдельных блоков более подробно, чем это представлено на рис. 5.29.

Для более глубокого понимания процессов, происходящих в системе управления, рассмотрим подробнее один из возможных вариантов работы модели асинхронного двигателя.

Будем исходить из упрощенной модели двигателя, для чего примем ряд допущений. Прежде всего, считаем, что асинхронный двигатель работает в режимах малых скольжений, когда цепь ротора можно принять чисто активной, а вектор приведенного тока ротора I^'₂ равнопротивоположен вектору I_W. Это вполне допустимо, так как в номинальном режиме отклонение вектора тока I₂ от ЭДС ротора Е₂ не превышает 10...15 градусов. Далее, не будем учитывать падение напряжения в обмотке статора (примем I₁ z₁  0), тогда можно принять ортогональность векторов напряжения на статоре и тока намагничивания (U₁  Iµ). С учетом сказанного принята векторная диаграмма асинхронного двигателя (рис. 5.30), которая является основой для описания электромагнитного состояния двигателя.

Уравнения, описываюшие состояние двигателя, с учетом принятых допущений выглядят следующим образом.

Уравнение связи между напряжением на статоре и током намагничивания:

U ₁  E₁ = k₁ f₁ I .

Уравнения токов в асинхронном двигателе:

I^'₂  I_W = ( I²₁ – I ) ^0,5.

Закон Ома для цепи ротора:

I^'₂  k₂ I / r₂ .

Наконец, связь между частотой напряжения на статоре f₁, угловой скоростью n ротора и скольжением s дается уравнением:

f₁ = n + s.

Здесь k₁ и k₂ – коэффициенты пропорциональности; r₂ – активное сопротивление роторной цепи.

Процедура определения текущих (мгновенных) значений скольжения s и токов I_W и I с использованием приведенных уравнений может выглядеть следующим образом. Задавая f₁ и зная U₁, определяем I. По I и зная I₁, определим I_W . По I и I_W найдем s. По найденному s и измеренному n найдем f₁. Найденное f₁ сопоставим с заданным в начале процедуры расчета f₁ и повторим процедуру счета до тех пор, пока, ошибка (погрешность расчета) не уменьшится до допустимой величины. Схема описанной процедуры расчета изображена на рис. 5.31.

Однако рассмотренная процедура вычислений не отражает полной картины преобразования информации в модели асинхронного двигателя, так как она устанавливает связь только между действующими (или амплитудными) значениями векторов U₁ и I₁ и составляющими токов I_W и Iµ. На схеме же датчиками тока и напряжения измеряются текущие (мгновенные) значения фазных токов и напряжений. Необходимо установить связь между мгновенными значениями этих токов и напряжений и векторами U₁ и I₁. Эта связь дается уравнениями преобразования координат и поясняется рис. 5.32, на котором изображены неподвижные системы координат, связанные со статором (трехфазная с осями а, в, с и двухфазная прямоугольная с осями  и , причем ось  направлена по оси а), и подвижная (вращающаяся с частотой напряжения на статоре) двухфазная прямоугольная с осями х и у, причем ось х направлена по оси изображающего вектора U₁. Чтобы не загромождать рисунок, показана связь только изображающего вектора тока I₁ с его проекциями на оси во всех трех указанных системах координат.

Последовательность вычислительных процедур может быть принята следующей. По измеренным мгновенным значениям фазных напряжений U_А, U_В, U_С определяются проекции изображающего вектора U₁ на оси  и , после чего вычисляются длина вектроа U₁ и угол  поворота этого вектора относительно оси . Аналогично определяются длина и угол поворота вектора I₁, после чего ищутся составляющие I_W и I как проекции вектора I₁ на оси х и у.

 Вспомните определение изображающего вектора тока в трехфазной электрической машине переменного тока. Чем этот вектор отличается от результирующего вектора тока?