Частотно-регулируемый электропривод с адаптивной моделью в системе управления
В частотно-регулируемых электроприводах фирмы АВВ используется технология прямого управления моментами (технология DTC). Она позволяет управлять двигателем без импульсного датчика скорости. В результате применения мощного цифрового сигнального процессора система быстро реагирует на изменения нагрузки, меняя момент на валу двигателя, чем повышается качество управления.
На рис.7.1 показана функциональная схема системы управления электроприводом.
Рис. 7.1.
Основные модули схемы:
1 – регулирования
в скользящем режиме вектора потокосцепления
статора
s
и момента М
двигателя по значениям, вводимым в него
заданных и действительных величин;
2 – модель АД, в которой через каждые 25 мкс осуществляется вычисление потока статора и момента по введенной в нее информации: токам двух фаз статора АД, напряжению цепи постоянного тока и положению ключей АИН; производится вычисление скорости АД и частоты выходного тока АИН. Таким образом, модель АД осуществляет организацию обратных связей по регулируемым переменным в системе автоматического регулирования;
3 – быстродействующего логического автомата, переключающего ключи автономного инвертора напряжения АИН по предельным отклонениям момента и потока статора. Таким образом, организация ШИМ – управления осуществляется как функция заданных переменных электромагнитного состояния АД. Отметим также объединение задач ШИМ – управления и регулирование момента, при котором отсутствует программное ШИМ - управление;
4 – регулятора скорости;
5 – задания и ограничения момента;
6 – задания потока статора.
Асинхронный
двигатель представляет собой динамическую
систему, фазовое состояние которой
характеризуется вектором потокосцепления
ротора. Поэтому оптимальное управление
АД осуществляется при
r=const
изменением угла между векторами
r
и
s
или изменением
s
(в специальных режимах работы АД с целью
минимизации потерь либо работы с
ослаблением поля). Постоянная времени
ротора АД больше 100 мс, поэтому быстрые
процессы регулирования мало влияют на
значение потока ротора.
Модель двигателя является важнейшим элементом системы DTC; ее точность определяет выходные характеристики электропривода. Идентичность параметров АД модели достигаются идентификационными режимами работы в процессе ввода электропривода в промышленную эксплуатацию. Основными параметрами, идентифицируемыми в этом режиме, являются: индуктивности статора Ls и цепи намагничивания Lm, сопротивление статора Rs. Учитывается и насыщение магнитной цепи. Расчетная модель АД также учитывает нагревание машины и падение напряжение (омическое и коммутационное) в АИН при определении потока статора. В течение каждого цикла управления (25 мкс) определяется вектор s потока статора:
, (7.1)
где
-
векторы соответственно напряжения и
тока статора.
Вектор напряжения
определяется на основе действительного
(измеренного) напряжения звена постоянного
напряжения ПЧ и реального положения
ключей АИН.
Точность расчета
вектора
корректируется на основе действительных
(измеренных) значений токов:
, (7.2)
где Ls
– индуктивность статора; Lm
– индуктивность намагничивания;
-
векторы токов соответственно статора
и ротора.
При этом вектор тока статора определяется по токам двух фаз, а вектор тока ротора рассчитывается.
С учетом динамических характеристик звена регулирования момента DTC регулятор скорости синтезируется как ПИД-регулятор, чем достигается высокое быстродействие по контуру скорости и статическая точность регулирования. Выход регулятора скорости включен каскадно с устройством задания и ограничения момента. Это устройство обеспечивает: ограничение момента двигателя, защиту АИН от токовых перегрузок, поддержание напряжения в звене постоянного напряжения. Оно имеет также вход для задания независимой (от регулятора скорости) уставки момента. Функционально регулятор скорости включает (кроме ПИД-регулятора) модуль ускорения для задания темпа разгона и торможения. В процессе ввода электропривода в эксплуатацию в режиме идентификации осуществляется настройка регулятора на электромеханическую постоянную времени. При реализации обратной связи по скорости с выхода модуля 2 (см. рис. 7.1) статическая точность достигается на уровне 0,1…0,5%. Для получения более высокого значения этой характеристики электропривода применяется обратная связь с помощью датчика скорости. В этом случае достигается точность до 0,01%. Система регулирования снабжена устройством независимого задания потока статора АД. Это позволяет реализовать САР с ослаблением потока или заданием потока как функции минимизации потерь и увеличения общего КПД электропривода. Так, при снижении потока статора в режиме малых нагрузок потери могут быть снижены более чем на 60%. Таким образом, устройство позволяет учитывать характер нагрузки (вентиляторная характеристика) при настройке САР. Имеется также блок задания частоты переключения ключей АИН. Этот параметр может регулироваться (в зависимости от типа полупроводникового прибора АИН) от 0,8 кГц ( для запираемых тиристоров) до 3,5 кГц (для силовых транзисторов разного типа).
Фазное напряжение асинхронного двигателя формируется переключением трех IGBT – транзисторов между положительным и отрицательным полюсами постоянного напряжения. Система DTC отдельно определяет момент каждого переключения в зависимости от текущих значений потока и момента. Текущие значения потока и момента каждые 25 мкс вычисляются на основе информации о токе и напряжении двигателя в адаптивной модели двигателя. Затем они сравниваются со значением тока и момента, задаваемыми контроллером, что служит информацией для подачи системой управления переключающих импульсов. Таким образом, не существует фиксированной частоты переключений, в результате чего шумовой спектр не содержит пиков высокой частоты и двигатель имеет низкий уровень шума.
Лекция 11