Терехин. Учебное пособие

Анализ выражений (4.14) позволяет сделать следующие заключения:

1)управление электроприводом осуществляется путём задания тока статора по соответствующим осям. По оси x задаётся ток, опреде ляющий поток ротора, по оси y – ток, определяющий момент дви гателя. Кроме того, текущие значения тока по оси у и потока рото ра определяют совместно с частотой вращения ротора частоту пре образователя, питающего двигатель (4.9);

2)для придания проектируемому приводу свойств привода постоян ного тока эти составляющие тока статора iSx и iSy не должны изме няться при воздействии поступающих при работе двигателя возму щений;

3)такими свойствами структура, представленная на рис. 4.1 не обла дает.

Реализация режима источника тока в автономном инверторе осу

ществляется введением дополнительных контуров управления с аста тическими регуляторами, на вход которых подается разность задающе го сигнала и сигнала с датчика реального тока двигателя.

На рис. 4.2 показана разработанная структура асинхронного двига теля с векторным управлением с применением преобразователя часто ты с широтно импульсной модуляцией. В отличие от структуры на рис. 4.1 введён контур тока с реальным преобразователем. Причём кон тур тока присутствует на осях х и у, задание на работу двигателя посту пает в токовой форме. Поэтому такое управление называют частотно токовым. Все возмущения, действующие в реальном двигателе и опи санные системой уравнений (4.14), в структуре учтены.

На рис. 4.3 демонстрируется структура с релейным управлением тока. Все особенности математического описания (4.14) также учтены.

На обоих структурах предусмотрена возможность исследования работы двигателя с любым характером нагрузки (с реактивным TL и ак тивным моментом Та сопротивления).

Для оптимизации процессов векторного управления асинхронным двигателем необходимо спроектировать два управляющих контура: по током и скоростью с внутренними подчинёнными контурами тока.

На рис. 4.4 представлена структура контура формирования пото косцепления (магнитного потока) ротора.

Структура включает два контура: внешний (главный) контур пото ка и внутренний (подчинённый) контур тока. Управление процессом формирования тока статора во вращающейся системе координат по оси х ведёт регулятор тока Current PI Controller. Ток в контуре ISx созда

201

ётся с помощью управляемого преобразователя (инвертора), предста вленного идеальным (непрерывным) апериодическим звеном первого порядка. Силовая часть двигателя, введённая в контур тока Transfer Fcn Current, представлена апериодическим звеном первого порядка с по стоянной времени T'S. Цепь обратной связи содержит фильтр Filtr1.

Впрямой цепи контура тока показан сумматор Sum12, через который вводятся возмущения, действующие от реального электропривода.

Врасчётной схеме возмущения исключены в предположении компен сации их при использовании астатического управления.

Рис. 4.4. Структура контура управления магнитным потоком (Fig 4_4)

Внешний контур управляется регулятором потока Flux PI Control* ler. Выходной сигнал регулятора является входным для контура тока. Формирование магнитного потока в структуре асинхронного двигателя осуществляется апериодическим звеном первого порядка Transfer Fcn Flux с постоянной времени Tr. В прямую цепь контура потока введён фильтр Filtr2 в предположении, что в реальном электроприводе поток будет вычисляться, так как прямого доступа к этому параметру нет.

Данная структура смоделирована в Simulink и представлена в фай ле Fig 4_4. В модель введены параметры, полученные ниже, и при жела нии можно наблюдать оптимальный процесс управления потоком.

Структура контура управления частотой вращения ротора предста влена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Структура контура управления скоростью (Fig 4_5)

204

Структура включает два контура: внешний (главный) контур ско рости и внутренний (подчинённый) контур тока. Управление процес сом формирования тока статора во вращающейся системе координат по оси у ведёт регулятор тока Current PI Controller. Ток в контуре ISу соз даётся с помощью управляемого преобразователя (инвертора), пред ставленного идеальным (непрерывным) апериодическим звеном пер вого порядка. Силовая часть двигателя, введённая в контур тока Tran* sfer Fcn Current, представлена апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени TS'. Цепь обратной связи содержит фильтр Filtr1.

Впрямой цепи контура тока показан сумматор Sum13, через который вводятся возмущения, действующие от реального электропривода.

Врасчётной схеме возмущения исключены в предположении компен сации их при использовании астатического управления. В отличие от контура потока характер возмущений другой, требующий запаса на пряжения от инвертора.

Внешний контур управляется регулятором скорости Speed PI Con* troller. Выходной сигнал регулятора является входным для контура то ка. Электромагнитный момент Te создаётся током ISу после умножения его на поток и коэффициент Gain Te. Для упрощения структуры поток введён в виде номинального значения. Формирование частоты враще ния в структуре асинхронного двигателя осуществляется интегральным звеном Integrator с постоянной времени J. В прямую цепь контура ско рости введён фильтр Filtr31, оптимизирующий переходный процесс в структуре при ступенчатом управлении. В цепь обратной связи контура скорости введён фильтр Filtr32 в предположении, что в реальном элек троприводе частота вращения будет вычисляться при безсенсорном управлении, либо формироваться от цифрового датчика положения.

Данная структура смоделирована в Simulink и представлена в фай ле Fig 4_5. В модель введены параметры, полученные ниже, и при жела нии можно наблюдать оптимальный процесс управления частотой вра щения.

Рассмотренные структуры (рис. 4.4 и 4.5) приняты для расчёта и оптимизации.

205

4.3.Оптимизация и имитационное исследование

вSimulink контура тока

4.3.1. Расчёт параметров регулятора тока при идеальном источнике тока

Расчётная схема контура тока показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Структурная схема контура тока

Контур содержит идеальный инвертор с передаточной функцией:

–

US = Uф√2 – модуль пространственного вектора фазного напряжения ста тора; Uymax = 10 B – максимальное напряжение управления инверто

ра; fi = 2500 Гц – несущая частота (коммутации) инвертора (см. табл. 4.1).

Нагрузка инвертора представлена эквивалентным сопротивлени ем статорной обмотки R = 5,503 Ом и эквивалентной постоянной вре мени TS' = 0,0123 c (см. табл. 4.3).

Передаточная функция нагрузки (цепи обмотки статора):

206

Передаточная функция фильтра Filtr1:

где Tf1 = 0,00002 c – постоянная времени фильтра, которая соответству ет периоду опроса данных о реальном токе 40 мкс.

Коэффициент обратной связи по току был вычислен ранее и равен:

Рис. 4.7. Схема модели контура тока (Fig 4_7)

Расчёт параметров регулятора тока (рис. 4.7) произведём по мо дульному оптимуму [8]. Все необходимые условия выполнены.

При одной большой постоянной времени рекомендуется примене ние пропорционально интегрального регулятора с передаточной функ цией вида:

TS' = Tиз = 0,0123 c – большая постоянная времени, равная времени изо дрома Tиз; Tμ1 = TI + Tf1 = 0,0002 + 0,00002 = 0,00022 c – эквивалентная малая постоянная времени контура тока; ak = 2 – коэффициент опти мизации.

Таким образом, рассчитав все параметры контура тока (4.15–4.19), разработаем модель в Simulink и представим её на рис. 4.7.

Модель реализована на элементах библиотеки Simulink, за исклю чением регулятора тока Current PI Controller, схема модели которого от крывается по команде Look Under Mask и показана на рис. 4.8.

207

Edit Scope

Рис. 4.8. Схема модели ПИ*регулятора

Параметры регулятора вносятся через диалоговое окно, откры вающееся при двойном щелчке по изображению регулятора (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Окно ввода параметров ПИ*регулятора

В строку Proportional заносится коэффициент усиления регулятора κрег, в строку Izodrom – время изодрома Tиз, коэффициент усиления ин тегратора I = κрег/Tиз вычисляется при инициализации регулятора. Limit Out, Limit Int – параметры, устанавливающие уровень ограничения вы ходного напряжения и интегратора регулятора. Параметры введены за ведомо большого значения, чтобы исключить насыщения и обеспечить работу регулятора в линейном режиме.

Блок Current задаёт ток преобразователя (инвертора). Ток задаётся

в виде напряжения. Для установленных параметров задающему напря

–

жению в ±10 В соответствует ток статора по осям ±15,13 А=10,7√2. Проведём исследование спроектированного контура в линейном

режиме без ограничения выходных напряжений регулятора. Для этого вызывается файл Fig 4_7 и осуществляется моделирование при задаю щем сигнале 10 В (рис. 4.10).

208