Структурная схема при ориентации системы координат по вектору потокосцепления ротора [л.1:2.4]

Особый интерес представляет собой структурная схема системы с ориентацией оси α по вектору потокосцепления ротора Ψ₂ , на базе которой строятся системы векторного управления асинхронным двигателем, получившие широкое распространение в практике электропривода. Для ее построения необходимо использовать исходные уравнения, предварительно преобразовав их так, чтобы все переменные были выражены через I₁ и Ψ₂ , т.к. конечной целью является формирование момента двигателя. Хотя момент можно выразить любым сочетанием токов и потокосцеплений обмоток, но выбор именно этих переменных обусловлен следующими соображениями. Ψ₂ является наиболее инерционной переменной, поэтому выбор именно Ψ₂, а не Ψ₁ позволит значительно упростить структурную схему. Стабилизировав же Ψ₂ момент можно регулировать изменением I₁, регулирование которого легко реализовать.

Так как в преобразователях частоты обычно используются инверторы напряжения, то в качестве управляющей величины логично принять напряжение обмотки статора U₁. Однако ток статора создается тем же напряжением, и нужно лишь обеспечить требуемый закон его изменения, используя для этого контур тока. Таким образом, регулирование момента можно выполнить управлением либо напряжением, либо током обмотки статора.

Для получения искомых выражений необходимо исключить недоступные для измерения I₂ и Ψ₁, выразив их через I₁ и Ψ₂:

После преобразований исходные уравнения примут вид:

Так как при ориентации оси вещественных по вектору Ψ̃₂ имеет место Ψ̃₂ = ψ_2α = ψ₂,

то переходя к представлению векторов в виде комплексных чисел получим:

после чего исходная система уравнений примет вид:

С труктурная схема, составленная по этим

уравнениям, показана на рис.6.

Она отличается от схемы с произ-вольной ориентацией вращающейся системы (рис.4) не только своей конфигурацией, но и по существу. Ее главные отличия состоят в следующем:

1) Внешними управляющими воздей-ствия являются только проекции вектора напряжения статора u_1α и u_1β , а выход-ными величинами электромагнитной части – потокосцепление ротора Ψ₂ и электромагнитный момент М_д.

2) В структуре двигателя существуют перекрестные связи между каналами формирования потокосцепления Ψ₂ и момента М_д. Рис.6. Структурная схема двигателя при ориен-

3) Частота напряжения на статоре ω_0эл тации по вектору потокосцепления ротора

как управляющее воздействие не рассматривается и определяется через скорость двигателя и частоту роторной ЭДС, которая, в свою очередь, рассчитывается через значения составляющей тока статора i_1β и потокосцепление ротора.

Управляющие воздействия. Сигналом u_1α задается величина потокосцепления, а

сигналом u_1β - величина момента. Однако из структурной схемы видно, что на входы блоков (1/ R₁)/(σT₁ p) кроме управляющих воздействий u_1α и u_1β поступают сигналы перекрестных связей по проекциям вектора тока статора i_1α и i_1β. Из-за этого не может быть достигнута однозначная зависимость между входными и выходными величинами.

Е сли бы тем или иным способом удалось исключить (или свести к минимуму) влияние перекрестных связей, то, задавая значение u_1α , можно было бы независимо устанавливать потокосцепление ротора Ψ₂. В таком случае по установленному значению Ψ₂ с помощью составляющей напряжения u_1β, задавались бы значения электромагнитного момента. Благодаря этому, задачи управления потокосцеплением ротора и моментом были бы разделены подобно тому, как это имеет место в двигателе постоянного тока независимого возбуждения.

Наиболее эффективным способом исключения влияния перекрестных связей является непосредственное управление током статора. Это может быть достигнуто двумя способами: а) использованием для питания двигателя преобразователей час-тоты, управляемых током; б) организацией в преобразователях частоты с инверторами напряжения замкнутого контура регулиро- Рис.7. Структурная схема двигателя с

вания тока статора с заданием тока статора управлением током статора

по его проекциям i_1α и i_1β.

Из структурной схемы (рис.7), соответствующей второму способу, видно, что установившееся значение потокосцепления ротора однозначно определяется составляющей тока статора i_1α. При этом единственным управляющим воздействием является задание по моменту двигателя i_1β при фиксированном значении потокосцепления Ψ₂, задаваемым уставкой i_1α.

Следовательно, при токовом управлении становится возможным организация регулирования не только скорости, но и момента, что является его существенным достоинством.

В переходных режимах замедление потокосцепления по отношению к току i_1α характеризуется постоянной времени ротора Т₂. Электромагнитный момент при постоянном потокосцеплении ротора определяется только значением составляющей тока статора i_1β и без замедления следует за ее изменениями, т.е. момент изменяется так же быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора i_1β. Это способствует обеспечению высокого быстродействия электропривода с асинхронным двигателем.

В преобразователях MOVIDRIVE фирмы SEW-EURODRIVE предлагаются оба способа управления и называются они соответственно: VFC (Voltage Flux Control) – с управлением по проекциям вектора напряжения u_1α и u_1β; CFC (Current Flux Control) – с управлением по проекциям вектора тока статора i_1α и i_1β и замкнутыми контурами регулирования токов фаз обмотки статора I_1А, I_1В, I_1С.

Регулирование скорости. Так как в асинхронном двигателе соотношение между моментом и скоростью однозначно определяется его механической характеристикой, то независимое задание одновременно и момента, и скорости не возможно. Следовательно, при задании момента двигателя частота напряжения на статоре ω_0эл управляющим воздействием быть не может. Она определяется суммированием текущих значений скорости двигателя ω и частоты роторной ЭДС ω_Р. В этом принципиальное отличие векторного управления от скалярного, при котором управляющим воздействием является заданная частота ω_0эл , а момент формируется с помощью компенсирующих связей.

В системах векторного управления используются два способа получения информации о скорости двигателя ω и частоты роторной ЭДС ω_Р: 1) с помощью датчиков скорости; 2) бездатчиковое определение скорости расчетным путем.

При наличии датчика скорости в системе управления создается контур скорости, на вход регулятора которого подаются сигналы задания по частоте ω_0зад и обратной связи ωр_п. Выходной сигнал регулятора, пропорциональный их разности ω_Р = ω_0зад – ωр_п, с учетом коэффициента передачи регулятора скорости К_рс в системе управления снова суммируется с сигналом по скорости, формируя задание по частоте напряжения питания: ω_0эл = ωр_п + К_рсω_Р. Подбором К_рс достигается требуемая жесткость механических характеристик.

В бездатчиковых системах векторного управления текущее значение скорости двигателя определяется косвенно вычислением на моделях с использованием измеряемых значений напряжения и тока обмотки статора.