2 Лабораторная работа № 4.1 Исследование характеристик асинхронного двигателя при векторном управлении с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора

Цель работы: приобретение навыков в настройке систем векторного управления асинхронным электроприводом, изучение регулировочных свойств, статических и динамических характеристик асинхронного электропривода при векторном управлении с ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД. Работа выполняется на стенде № 4.

При подготовке и защите отчёта студенты должны ответить на контрольные вопросы, которые состоят из двух блоков:

1. Блок вопросов, относящихся к методике работы на стенде для исследуемой системы.

2. Блок вопросов, относящихся к обработке экспериментальных данных.

К работе допускаются студенты, правильно ответившие на первый блок вопросов – 1 – 13. На второй блок вопросов – 14 – 18 – студент должен ответить при защите лабораторной работы.

2.1 Основные теоретические положения

При векторном управлении короткозамкнутым асинхронным двигателем со стороны статора наибольшее распространение получил закон . Данный закон в этом случае реализуется наиболее просто, и к тому же обеспечивает наилучшие статические и динамические свойства электропривода.

Сущность закона состоит в следующем.

В установившихся режимах электромагнитный момент АД может быть определён как отношение электромагнитной мощности к частоте вращения:

,

где – скольжение АД;

–модуль вектора потокосцепления ротора.

Введем обозначения относительной частоты и абсолютного скольжения

,

которое показывает отношение перепада скорости к синхронной скорости при номинальной частоте. Тогда

.

Если удается обеспечить, что , связь между моментом, развиваемым двигателем, и абсолютным скольжением, линейна:

,

следовательно, ,

кроме того, невозможен процесс опрокидывания двигателя, поскольку исчезает само понятие критического момента.

Из последнего выражения следует, что статический перепад скорости при действии момента статической нагрузкиМ_С не зависит от частоты питающего двигатель напряжения. Жесткости механических характеристик (рис.2.1) одинаковы, как это имеет место при управлении двигателем постоянного тока независимого возбуждения по цепи якоря.

В реальных системах даже при использовании ПЧ с достаточным запасом по напряжению реальное поддержание требует при увеличении нагрузки (росте токов в обмотках) увеличивать, следовательно, и намагничивающий ток машины. При больших моментах это приводит к насыщению двигателя и режимстановится невозможным примерно при.

Векторное управление асинхронным электроприводом является более совершенным вариантом частотного управления, при котором соблюдение закона управления выполняется не только в установившихся, но и в переходных режимах работы, за счет использования специального приема – ориентации системы координат. Это позволяет достичь высоких показателей качества системы электропривода на основе асинхронного двигателя за счет организации раздельного регулирования магнитного потока и момента двигателя.

В основе подхода к построению алгоритма управления лежит понятие обобщенного вектора и математическое описание АД как объекта управления в системе координат d, q, ориентированной по вектору потокосцепления ротора (,). В этой системе координат, согласно которому уравнения, описывающие процессы в АД, имеют вид:

;,

где – приведенное активное сопротивление обмоток двигателя;

–коэффициент приведения ротора;

–коэффициент затухания ротора, с^–1;

–общий коэффициент рассеяния.

Анализ уравнений показывает, что при исключении нелинейных слагаемых в уравнениях баланса напряжений и стабилизации потокосцепления ротора на заданном уровне (за счет регулирования потокообразующей составляющей вектора тока статора) можно организовать независимое регулирования электромагнитного моментаМ и скорости  двигателя (за счет регулирования моментообразующей составляющей тока ).

Характерным свойством векторного управления является необходимость получения текущей информации о значении модуля и углового положения вектора потокосцепления ротора. Измерение потокосцепления АД с помощью устанавливаемых в расточке статора двигателя датчиков Холла не является достаточно надежным, поэтому в настоящее время используют косвенное определение вектора потокосцепления с помощью идентификаторов (моделей) или наблюдателей потока.

Функциональная схема системы векторного управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора представлена на рис.2.2.

Принцип управления заключается в формировании диаграммы изменения фазных напряжений АД с помощью АИН с ШИМ в функции напряжений управления и, задаваемых в ортогональной системе координатd, q, ориентированной по вектору потокосцепления ротора . Для последовательного преобразования напряжений управления к трехфазной системе координат используют преобразователь координат ПК1 (d, q  , ) и преобразователь фаз ПФ (,   A, B, C).

Регулирующая часть СУЭП строится в ортогональной системе координат d, q как двухканальная система с двухконтурными подсистемами стабилизации скорости (с регуляторами скорости РС и тока PTq) и потокосцепления ротора АД (с регуляторами потокосцепления РПт и тока РТd)¹. Блок деления БД на выходе РС компенсирует использование операции перемножения при формировании момента АД.

Рис.2.2. Функциональная схема системы векторного управления АД.

Ограничение выходных сигналов регуляторов внешних контуров выполняется на уровнях и, соответствующих максимально допустимым значениям составляющихитока статора.

Для получения сигналов обратных связей в силовой части электропривода предусматриваются датчики токов (ДТ1, ДТ2) и напряжений (ДН1, ДН2), а также датчик скорости ДС (электромашинный или цифровой), устанавливаемый на валу АД или механизма.

Преобразование сигналов, пропорциональных токам (,) и напряжениям (,) трехфазной системы к неподвижной ортогональной системе координат,  осуществляется с помощью вычислителей ортогональных токов (ВОТ) и напряжений (ВОН). Сигналы и, пропорциональные ортогональным токами, подвергаются координатным преобразованиям в ПК2 (,   d, q), и участвуют в организации обратных связей по составляющим итока статора. Выходные сигналы ВОТ и ВОН также обычно принимают участие в формировании наблюдаемого (вычисляемого) значения вектора потокосцепления ротора.

Блок компенсации БК, с учетом наличия параллельных обратных связей по ортогональным составляющим тока статора, потокосцеплению и скорости, предназначен для компенсации влияния внутренних перекрестных обратных связей АД по принципу, аналогичному используемому в электроприводах постоянного тока для компенсации влияния противо-ЭДС.

Рис.2.3. Структурная схема системы векторного управления с ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД.

В качестве задающих устройств обычно используют задатчик интенсивности (ЗИ), формирующий задание на контур скорости, и задатчик ослабления поля (ЗОП), формирующий зависимый от сигналасигнал заданияна модуль вектора потокосцепления ротора (или, при отсутствии контура регулирования потокосцепления, сигналзадания на потокообразующую составляющую тока статора).

Синтез передаточных функций регуляторов выполняют на основе упрощенной структурной схемы (рис.2.3), полученной в предположении об отсутствии взаимного влияния ЭДС вращения и противо-ЭДС двигателя на динамические свойства контуров регулирования тока.

Регуляторы тока (ПИ-типа) получаются идентичными, и их настраивают из условия обеспечения приемлемого быстродействия. Регулятор скорости настраивают на модельный (П-регулятор) или симметричный (ПИ-регулятор) оптимум, регулятор потокосцепления (при его наличии) синтезируют ПИ-типа.

Для реализации частотно-регулируемого асинхронного электропривода с векторным управлением принципиально возможно использование любого из известных типов преобразователей частоты. Однако наиболее универсальным является электропривод на основе преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения (АИН).