Методическое пособие 567

10.Установить в модели значения коэффициента обратной связи по току Кot = 0,004 и постоянной Сm = 4,343. Конечное значение момента Мс установить равным 3700, время наброса нагрузки – 0,2 с. Время окончания моделирования –

30 с.

11.В блоке Saturation установить верхний предел 10; установить нижний предел -10.

12.Установив значение сигнала задания ЭДС Uzе = 8 В, получить переходные процессы изменения сигналов на выходах регуляторов ЭДС Upe и тока Upt, напряжений с выходов тиристорного возбудителя Utv и генератора Ug, противоЭДС E, тока якоря Ia, момента М и скорости w двигателя.

13.Устанавливая значения сигнала задания ЭДС Uzе равными 6, 4, 2, получить с помощью осциллографа Scope переходные процессы изменения скорости привода w. Опреде-

лить время переходного процесса tп.п. и перерегулирование .

14.В блоке Ramp установить наклон характеристики (Slope), равный 500. Время начала пуска (Start Time) установить равным 1.

15.Устанавливая значения сигнала задания ЭДС Uzе1 равными 8, 6, 4, 2, получить семейство механических характеристик электропривода подъема экскаватора с помощью плот-

тера XY Graph.

16.Сделать вывод о характере переходных процессов и жесткости механических характеристик в системе тиристорный возбудитель – генератор – двигатель.

17.Составить отчет по работе.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Цель работы.

2.Рабочее задание.

3.Модели систем управления электроприводами напора и подъема экскаватора.

4.Переходные процессы изменения сигналов на выходах регуляторов ЭДС и тока, напряжений с выходов тиристорного возбудителя и генератора, противоЭДС, тока якоря, мо-

71

мента и скорости двигателя, построенные в соответствии с рабочим заданием для электроприводов напора и подъема экскаватора.

5.Полученные установившиеся значения напряжения с выхода генератора, противоЭДС, тока якоря, момента и скорости w двигателя для электропривода напора экскаватора.

6.Семейства механических характеристик электроприводов напора и подъема экскаватора, построенные в соответствии с рабочим заданием.

7.Анализ результатов и выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Описание электрической схемы системы тиристорный возбудитель – генератор – двигатель.

2.Построение структурной схемы контура тока, протекающего по якорям генератора и двигателя.

3.Получение передаточной функции разомкнутого контура тока и регулятора тока при настройке на модульный оптимум.

4.Построение структурной схемы контура ЭДС двига-

теля.

5.Получение передаточной функции разомкнутого контура ЭДС и регулятора ЭДС при настройке на модульный оптимум.

6.Расчет номинальных значений параметров электродвигателя постоянного тока.

7.Определение индуктивностей, активных сопротивлений и постоянной времени обмоток якорей генератора и двигателя.

8.Расчет коэффициентов усиления тиристорного возбудителя и генератора постоянного тока.

9.Определение суммарного момента инерции двигателя и исполнительного механизма.

10.Определение коэффициентов обратной связи по току якоря, ЭДС двигателя и постоянных времени.

72

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Цель работы: Изучение теоретических сведений о системе векторного управления асинхронным электроприводом. Расчет параметров контуров потокосцепления, скорости, тока и исследование системы векторного управления с подчиненным регулированием координат.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Понятия векторного управления

Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и со взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат. За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе электропривода с векторным управлением.

Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяются техническими требованиями к электроприводу. В общем случае подобные системы с косвенным регулированием координат электропривода из-за нестабильности параметров АД и сложной их взаимосвязи уступают по своим статическим и динамическим показателям системам с прямым векторным управлением. При сложности вычислительных операций и алгорит-

73

мов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием заключается в простоте технических решений и, следовательно, в практической надежности.

При векторном управлении АД может питаться как от источника напряжения, так и от источника тока. Вариант час- тотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока независимо от частоты питания АД обеспечивается регулирование

иего момента. Это не только упрощает схему управления, но

иодновременно ограничивает нагрев двигателя. При этом напряжения на обмотках статора АД устанавливаются автоматически в зависимости от его режима работы.

Основные допущения при математическом описании электромагнитных процессов в АД: синусоидальность распределения намагничивающих сил обмоток двигателя вдоль окружности воздушного зазора; отсутствие потерь в стали статора и ротора; симметричность сдвига осей обмоток статора и ротора на 120°; отсутствие насыщения магнитной цепи двигателя. Эти допущения и переход от трехфазной модели двигателя к эквивалентной ей двухфазной, когда текущие переменные статора и ротора заменяются их проекциями на взаимно перпендикулярные оси координат х, у, вращающиеся с синхронной скоростью магнитного поля двигателя, упрощают математическую модель двигателя и позволяют на ее основе создавать системы векторного управления с подчиненным регулированием координат аналогично электроприводам постоянного тока.

Внаиболее общем случае система векторного управления асинхронным электроприводом должна решать задачи регулирования и стабилизации момента и скорости двигателя.

Момент АД формируется за счет воздействий на абсолютные значения векторов потокосцепления статора Ψ1 , ос-

новного потокосцепления Ψμ , потокосцепления ротора Ψ2 , токов статора I1 и ротора I2 , а также фазовых сдвигов между

74

ними. От того, какие векторы выбраны в качестве регулируемых, зависят принцип построения и техническая реализация систем управления приводом [7].

Если при определении момента использовать выраже-

ние

то в качестве регулируемых будут выбраны

векторы Ψμ и I1 . Их

векторные диаграммы при ориентации по вектору потокосцепления

Ψμ оси х системы ко-

ротора на оси х, у, а также на оси , неподвижной системы координат, связанной со статором АД.

Анализ рис. 24 позволяет интерпретировать АД как эквивалентную машину постоянного тока. Если ротор АД сопоставить якорю двигателя постоянного тока (ДПТ), а статорные обмотки – обмоткам возбуждения ДПТ, то составляющая

тока статора I1x, синфазная потокосцеплению Ψμ , может интер-

претироваться как ток возбуждения ДПТ, составляющая I1у – как ток его компенсационной обмотки, составляющая I2у' – как поперечная составляющая поля якоря ДПТ, составляющая I2х' –

75

как размагничивающая продольная реакция якоря. Из рис. 24

равны и имеют разные знаки, а встречно направленные со-

статора и ротора АД.

В приведенной интерпретации отличительные особенности АД от ДПТ состоят в том, что на статоре АД нет отдельных обмоток, эквивалентных обмотке возбуждения и обмотке, компенсирующей поперечную реакцию якоря (указанные обмотки как бы совмещены в одной обмотке статора), а

0ном = 2 f1ном / pп – синхронная угловая скорость вращения магнитного поля при номинальной частоте напряжения пита-

ния f1ном и числе пар полюсов рп статора АД.

Особенности формирования момента в соответствии с выражением (92) определяют основные положения при технической реализации системы векторного управления АД. Так,

ляющих может быть непосредственно измерена с помощью датчиков Холла, установленных в воздушном зазоре между статором и ротором АД.

угол между осями , неподвижной системы координат и осями х, у системы координат, вращающейся со скоростью

0ном,

76

условии инвариантности мощности АД в двухфазной и трехфазной системах координат могут быть определены через токи фаз статора I1А, I1В, I1С:

При том же условии составляющие вектора тока в системе координат х, у

Составляющие I1х и I1y не зависят от частоты питания АД и по своей форме являются постоянными. С учетом этого система векторного управления строиться аналогично системам управления двигателями постоянного тока, в которых составляющая I1х тока статора определяет потокосцепление АД (магнитный поток), а составляющая I1у является моментной составляющей тока статора (подобна току якоря ДПТ).

Таким образом, система векторного управления с опорным вектором потокосцепления Ψμ должна иметь два канала управления – модулем и угловой скоростью ротора АД. По

аналогии с ДПТ канал управления скоростью содержит внутренний контур управления составляющей тока статора I1у, эквивалентной току якоря ДПТ, и внешний контур управления угловой скоростью ротора.

Канал управления модулем потокосцепления должен содержать контур управления составляющей тока статора I1х, эквивалентной току возбуждения ДПТ. Хотя по своей функции этот канал и подобен каналу управления магнитным потоком ДПТ, он более сложен, поскольку взаимосвязь модуля , составляющих тока и напряжения статора по оси х характеризуется дифференциальными уравнениями второго по-

77

рядка. На этот канал оказывает влияние и составляющая тока статора I1у в виде трансформаторных ЭДС, пропорциональных рассеяниям статора и ротора.

Важной особенностью системы управления с опорным вектором потокосцепления Ψμ является возможность его пря-

мого измерения с помощью датчиков, установленных в воздушном зазоре АД. Подобные системы имеют более высокие показатели качества управления по сравнению с системами, где используется косвенный (расчетный) путь определения сигналов обратных связей.

Если при определении момента использовать выраже-

ние

78

В соответствии с выражениями (96) и (97) электромагнитный момент АД определяется взаимодействием ортогональных составляющих потокосцепления ротора 2 = 2х = L12 I1x и

тока статора I1у. Таким образом, при стабилизации Ψ2 , как и при стабилизации Ψμ , система векторного управления будет

подобна системам управления двигателями постоянного тока, где составляющая I1x тока статора определяет потокосцепле-

ние Ψ2 АД (магнитный поток ДПТ), а составляющая I1у явля-

ется моментной составляющей тока статора (аналогично току якоря ДПТ).

Особенностью систем управления с опорным вектором потокосцепления ротора Ψ2 является более простая, чем при опорном векторе Ψμ , структура управления. В соответствии с рис. 25 она должна иметь два канала управления – потокосцеплением Ψ2 и скоростью двигателя. Канал управления Ψ2

двухконтурный: внутренний контур управляет составляющей I1х тока статора, внешний – модулем потокосцепления ротора. Двухконтурным может быть и канал управления скоростью АД: внутренний контур управляет составляющей I1у тока статора, внешний – угловой скоростью ротора.

Недостаток систем с опорным вектором потокосцепления ротора Ψ2 в том, что определение этого вектора возможно

лишь расчетным путем на основе параметров АД, как правило, известных не точно и изменяющихся при работе двигателя.

79

При стабилизации потокосцепления ротора ( механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ с независимым возбуждением. Поскольку теория и технические решения замкнутых систем управления электроприводом с ДПТ, имеющим независимое возбуждение, достаточно апробированы, то понятна привлекательность применения систем векторного управления с управлением по потоку ротора.

Управление по вектору потокосцепления ротора

Динамические свойства короткозамкнутого АД при питании от источника напряжения в системе координат х, у при

ориентации вектора Ψ2 по оси х определяются из выражений

[9]:

для статорной цепи

Здесь U1x, U1y – проекции вектора напряжения питания

статора АД.

Проекции векторов потокосцеплений статора и ротора на оси х, у:

Поскольку при ориентации вектора потокосцепления ротора по оси х в системе управления АД представляет инте-

80