Раздел 2. Системы частотного управления асинхронными двигателями с датчиком скорости (Векторное управление).

В первом разделе говорилось о том, что кроме механизмов с достаточно простыми требованиями к электроприводу, широкое распространение имеют механизмы, требующие: больших (до 100:1) или сверхбольших (до 1000:1 и более) диапазонов регулирования скорости; высокой точности стабилизации скорости (до δω = 1% и менее) в установившихся режимах; высокой точности и быстродействия при отработке управляющих и возмущающих воздействий в динамических режимах.

Из теории систем автоматического управления известно, что для обеспечения регулирования с высокой точностью в статических и динамических режимах необходимо решить задачу линеаризации регулировочных характеристик в данном случае по моменту.

Но из предыдущего рассмотрения следует, что электромагнитные переменные, формирующие момент асинхронного двигателя:

взаимозависимы, так как за счет взаимоиндукции изменение одной из них влечет за собой изменение другой, а изменение нагрузки (и угла ) влияет на обе переменные. Таким образом, асинхронный двигатель, как объект управления, представляет собой сложную нелинейную систему, потому что момент определяется тремя переменными, связанными между собой в общем случае нелинейными зависимостями.

Наиболее простым и качественным управление будет в том случае, если оно осуществляется регулированием только одной переменной, наиболее доступной для технической реализации, как в двигателях постоянного тока независимого возбуждения.

В двигателях переменного тока это напряжение или ток обмотки статора. Кроме того должна быть линейной динамическая модель двигателя.

Регулирование скорости с ориентацией по потокосцеплению ротора.

Для того чтобы асинхронный электропривод по своим регулировочным свойствам был аналогичен двигателю постоянного тока, он должен иметь линейные механические характеристики и математическое описание, соответствующее линейному динамическому звену.

Для определения условия, необходимого для линеаризации механических характеристик, воспользуемся формулами для мощности потерь и момента двигателя:

; .

Подставив в него выражение для абсолютного скольжения ротора

,

где и другие величины с таким обозначением - относительные значения скоростей, - скорость вращения магнитного поля статора при номинальной частоте питания, а - то же, но при произвольном значении частоты питания, получим выражение для механической характеристики асинхронного двигателя в таком виде:

.

Первая составляющая, соответствующая скорости вращения магнитного поля статора , т.е. частоте питания и числу пар полюсов , аналогична скорости идеального холостого хода двигателя постоянного тока. Вторая составляющая определяет статическое падение скорости, т.е. наклон механической характеристики. Только при Ψ₂ = const он постоянен и пропорционален активному сопротивлению обмотки ротора R₂ как у двигателя постоянного тока, что подтверждает идентичность их характеристик (рис.2.1). Следовательно, задача линеаризации сводится к выполнению условия Ψ₂ = const.

Рис.2.1. Механические характеристики при Ψ₂ = const.

Другая особенность асинхронного двигателя – наличие перекрестных связей в его структурной схеме, из-за чего он представляется нелинейным динамическим звеном, а это в свою очередь приводит к неизбежному усложнению системы управления. Если бы по своей структуре он был аналогичен двигателю постоянного тока, то для него можно было бы использовать хорошо отработанные для последних методы, в частности подчиненного управления. Таким образом, вторая задача ориентирована на улучшение динамических характеристик приводов с асинхронными двигателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Стабилизировать величину одной из электромагнитных переменных выражения для момента, лучше всего наиболее инерционную – потокосцепление ротора, т.к. при этом учитывается не только ток ротора, но и его фазовый сдвиг.

2. Организовать управление током статора, обеспечивающее оптимальное формирование электромагнитного момента двигателя.

От того, насколько точно эти задачи решаются, зависит качество работы системы управления и привода в целом. Повышенные требования естественно влекут за собой усложнение системы управления или использование определенных типов двигателей, обязательную установку датчиков скорости или угла поворота и других мероприятий.

Обе задачи решаются при использовании систем управления, называемых у нас векторными, а в зарубежной литературе - системами управления полем

(FC – Flux Control). Использование термина векторное управление связано с тем, что потокосцепление ротора Ψ₂ не может быть измерено непосредственно и рассчитывается по моделям двигателя, построенным на векторном описании процессов. Эти модели весьма разнообразны, и выбор ее той или иной фирмой неизвестен. Общее для них состоит в том, что задается и поддерживается постоянное потокосцепление ротора, но реализуется эта операция по-разному.

Так например, в документации фирмы SEW-EURODRIVE в зависимости от способа управления различают системы управления полем ротора с управлением напряжением (Voltage) - VFC или током (Current) - СFC. Принципиальное отличие обоих способов состоит в том, что в первом случае рассчитывается и задается амплитуда напряжения статора, а во втором – текущие значения и фазы токов обмоток статора. В установившихся режимах оба способа управления равноценны, но в динамике – при ступенчатом набросе нагрузки – управление СFC позволяет уменьшить величину и время динамической ошибки. Выигрыш во времени объясняется тем, что при задании амплитуды напряжения нарастание тока и момента двигателя зависят от инерционности обмоток статора и ротора, а при формировании тока обмотки статора ее инерционность компенсируется. Однако более существенное достоинство режима СFC состоит в том, что задание тока статора при поддержании постоянства потокосцепления ротора означает задание момента двигателя. Таким образом, в режиме СFC возможно регулирование не только скорости, но и момента.

При векторном управлении обязательным условием является наличие информации о текущем значении скольжения. В приводах с датчиком скорости она получается в контуре скорости сравнением заданного и текущего значений скорости. Этот вариант наиболее точный и потому предпочтительный. В тех случаях, когда установка датчика по тем или иным причинам не возможна, используются бездатчиковые системы управления, в которых скольжение также рассчитывается по моделям двигателя, построенным на векторном описании процессов.

Векторное управление базируется на математическом описании двигателя в операторной форме и представлении его в виде структурных схем. Поэтому прежде чем перейти к его изучению необходимо рассмотреть используемые подходы к такому математическому описанию асинхронного двигателя.