Проектирование позиционных и следящих систем переменного тока системы переменного тока с частотным управлением

Частотное управление двигателями переменного тока вы­полняется в двух вариантах: с короткозамкнутыми асинхронными двигателями и с синхронными двигателями. Второй ва­риант в сочетании с полупроводниковыми преобразователями и жесткой обратной связью по углу поворота ротора представляет собой так называемый вентильный двигатель [21] с характеристиками, приближающимися к характеристикам коллектор­ного двигателя постоянного тока.

Аналогично системам постоянного тока системы с частотным управлением должны обеспечивать жесткие механические харак­теристики, широкий диапазон регулирования скорости, реверс двигателя и торможение его в режиме с рекуперацией [7]. Они могут строиться в двух вариантах: со звеном постоянного тока и с преобразователем типа НПЧ. Второй вариант обладает рядом недостатков и поэтому находит существенно меньшее применение.

Упрощенная схема системы частотного управления короткозамкнутым асинхронным двигателем представлена на рис. 6.1. Питание двигателя осуществляется от автономного инвертора напряжения (АИН), который на выходе обеспечивает напряже­ние переменного тока с частотой, регулируемой в широких пределах. Амплитуда напряжения может регулироваться как с помощью самого АЙН, так и посредством воздействия на вы­прямитель, питающий цепи АЙН. Вместо АЙН может использо­ваться также широтно-импульсный преобразователь, желатель­но с напряжением на выходе, имеющим синусоидальную форму, что крайне существенно для систем с широким диапазоном регулирования скорости. Как правило, в ШИП применяется схема с симметричной модуляцией, в которой используются разнополярные импульсы. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения последовательности работы вентилей, обеспечи­вающих частотное управление.

Рис. 1. Следящая система с частотным управлением асинхронным двигателем

При торможении запасенная энергия должна возвращаться в питающую сеть. Для этого параллельно с управляемым выпря­мителем включен инвертор. Выпрямитель и инвертор должны работать при совместном включении. Для ограничения уравни­тельных токов использованы реакторы - индуктивности. При­меняемые на практике более простые Схемы, предусматри­вающие гашение энергии замыканием входной цепи АИН на сопротивление или подключением аккумуляторов, для следящих систем непригодны. Рекуперативное торможение обеспечивает столь же жесткие механические характеристики, как и в дви­гательном режиме.

Фильтр в цепи питания АИН необходим для гашения гармо­нических составляющих на выходе выпрямителя.

Схемы управления системами с частотным управлением строятся на базе использования векторно-координатных преобразований согласно уравнениям Парка-Горева. При этом трех­фазная машина как бы преобразуется в двухфазную. Токи двухфазного двигателя определяются согласно соотношениям:

i_a = i_A ; i_b = ( i_A + i_B )

где индексы А и В соответствуют трехфазной системе, а а и b - двухфазной.

Обратному преобразованию из двухфазного варианта вы­полнения двигателя в трехфазный отвечают формулы:

U_A=U_a ;

U_B=- U_a+ U_b;

U_C= - U_a - U_b;

Преобразование числа фаз приходится использовать дваж­ды: при преобразовании трехфазных токов машины в двухфаз­ные и при обратном переходе для получения сигналов, необхо­димых для управления вентилями силового преобразователя.

В целях упрощения системы управления в последние годы промышленность стала выпускать специальные двигатели для частотного управления, выполняемые как двухфазные. При этом, естественно, двигатели несколько утяжеляются, так как активные материалы (сталь и медь) используются менее эффек­тивны, зато система управления становится проще.

Для построения системы управления на базе уравнений Парка-Горева также требуется преобразование координат, первоначально от неподвижных к вращающимся, а затем на­оборот. В системах с непрерывным (аналоговым) управлением для создания преобразователей обычно используются вращающиеся трансформаторы; возможно также применение преоб­разователей с множительными устройствами. В цифровых систе­мах тригонометрические зависимости для синуса и косинуса формируются на базе ПЗУ, хранящих табличные данные триго­нометрических функций.

На рис.1 показана следящая система с частотным управле­нием асинхронным двигателем [31]. Здесь используются коорди­натные оси, вращающиеся синхронно с магнитным полем статора. При этом переменные токи статора преобразуются в постоянные, действующие по двум взаимоперпендикулярным осям. Токи, действующие по одной из осей, создают необходимый магнитный поток, а направленные по другой - опережающей оси, определяют величину момента, развиваемого двигателем.

При использовании системы координат, вращающейся синхронно с полем статора, получаем условия, соответствующие работе машины постоянного тока. При этом удается построить систему управления, получившую наименование векторного управления, аналогичную системе подчиненного управления, применяемую в электромеханических устройствах постоянного тока [27]. Для преобразования координат в системе использу­ются устройства с блоками умножения (рис. 2).

Рис. 2. Следящая система с векторным управлением асинхронным двигателем

ЗУ- задающее устройство; РП, PC, PT, РМП - регуляторы положения, скорости, тока, магнитного потока; ПФ1 и ПФ2 - преобразователи числа фаз; ПК1 и ПК2 -преобразователи координат; ПЧ - преобразователи частоты (АЙН или ШИП); ДП -датчик положения (рассогласования);ДТ-датчик тока; ДХ - датчик потока (Холла)

На вход преобразователя ПК1 подаются сигналы от датчи­ков тока после пересчета их на двухфазную систему и от датчи­ков Холла, поставляющих информацию о магнитном потоке в зазоре. Токи статора изменяются по гармоническому закону и являются функцией угла поворота координатных осей γ. На выходе преобразователя координат получаем величины, опре­деляемые соотношениями:

i_ψ=i_acosγ + i_asinγ;

i_M =i_asinγ + i_bcosγ,

где токи статора в двухфазном представлении являются функ­циями того же угла поворота координатных осей γ. После подстановки для стационарного режима получаем i_ψ = const и i_M = const, где i_ψ - намагничивающий ток; i_M - активная составля­ющая тока статора, определяющая момент двигателя.

В соответствии с изложенным скомпонована система управ­ления, имеющая два канала. В канале перемещения (угол 6) име­ются три регулятора, соответствующие трем контурам: тока, скорости и угла отработки, в канале магнитного потока- один. Преобразователи ПК2 и ПФ2 служат для обратного преобразо­вания к неподвижным координатам статора и трехфазному построению силовой части привода, что необходимо для созда­ния сигналов управления преобразователем частоты (АИН или ШИМ).

Рис. 3. Преобразователь координат

ia , ib - токи статора, соответствующие неподвижным координатным осям α, β;

iψ - ток намагничивания; iM - активная составляющая тока

Аналогично строится и система управления вентильным дви­гателем , причем за счет преобразования координат также оказы­вается возможным использование принципов построения систе­мы подчиненного регулирования.

При синтезе приходится учитывать дополнительный контур, создаваемый за счет электромагнитных процессов в фильтре уси­лителя, питающего двигатель.

Синтез рассмотренных систем векторного управления осу­ществляется методами, отработанными для систем подчинен­ного регулирования. Расчет динамики систем достаточно сложен и, как правило, выполняется на моделях средствами компьютер­ной техники.

Наряду с классической систе­мой частотного управления с ав­тономным инвертором напряже­ния используется также система частотно-токового управления асинхронным двигателем (или синхронным). В этом случае в ка­честве преобразователя, питающе­го двигатель, применяется инвер­тор тока. Подобная электро­механическая система имеет мяг­кие характеристики (рис.4) и в разомкнутом виде может исполь­зоваться только для объектов с вентиляторной нагрузкой. Замк­нутые системы с датчиками тока и положения ротора обеспечивают стабилизацию тока и соответственно момента. Достоин­ством системы является простота ее построения. Для ее функцио­нирования требуются простые средства информации и весь­ма ограниченное число датчиков. Например, может отсутство­вать датчик скорости; не требуется измеритель магнитного по­тока и т. д.

Рис. 4. Механические характеристи­ки системы с частотно-токовым управ­лением асинхронным двигателем

Для позиционных и следящих систем частотно-токовое уп­равление мало пригодно хотя иногда и используется. К не­достаткам его следует отнести отсутствие средств стабилизации скорости, обычно необходимых для отслеживания траектории, и средств обеспечения других режимов, используемых в по­зиционных системах.

Схема следящей системы с частотно-токовым управлением асинхронным двигателем в упрощенном двухфазном варианте представлена на рис. 6.5. На входе использован датчик рассо­гласования, построенный на сельсинах. Сигнал с датчика, последовательно проходя фазочувствительный усилитель ФЧУ и корректирующее звено КЗ, поступает на модулятор М. Напря­жение повышенной частоты от модулятора используется для питания датчика углового положения ДУП. На вторую обмотку датчика поступает напряжение, сдвинутое на 90°. Напряжение датчика положения, в качестве которого применяется СКВТ, демодулируется в ФЧВ и используется для управления инвер­тором тока, который представляет собой усилитель с глубокой отрицательной связью.

Рис. 5. Упрощенная схема частотно-токового управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме следящей системы

При расчете динамики привода с частотно-токовым управ­лением, если не учитывать электромагнитные процессы в двига­теле и преобразователе, передаточную функцию можно пред­ставить как интегрирующее звено второго порядка. Следова­тельно, в системе обязательно применение корректирующего звена. При необходимости учета электромагнитных процессов следует принять во внимание один или два последовательно включенных апериодических звеньев. Два звена должны быть учтены, если возбуждение электромагнитного поля двигателя обеспечивается за счет преобразователя, питающего машину, т. е. применительно к асинхронному двигателю.

В связи со сложностью синтеза систем переменного тока час­то отказываются от учета электромагнитных процессов, кото­рые в системах переменного тока обычно не оказывают суще­ственного влияния на переходные характеристики. При этом процесс синтеза существенно упрощается, так как учитывается только влияние механической инерции. Естественно, такой путь решения задачи может быть использован лишь в неответствен­ных случаях для построения простейших систем, для которых не требуются высокие динамические свойства и обеспечение ми­нимальной погрешности.

Лекция 8