4 раздел Векторное управление
.pdf
потокосцеплением ротора и вращающейся со скоростью ω0,эл осуществляется
вектор-фильтром ВФ и координатным преобразователем КП2.
Вектор-фильтр ВФ, аналогично решающему устройству РУ2 (см. рис. 4.14) и согласно (4.98), выделяет модуль вектора потокосцепление ротора
r 
r2,α r2,β
ивычисляет тригонометрические функции
cosφ0,эл r,α |
r |
; |
sin φ0,эл r,β |
r |
, |
где φ0,эл φ – электрический угол поворота ротора относительно статора в осях 1-2, φ0,эл =ω0,элt ωct .
Преобразователь КП2 аналогично преобразователю ПК5 (см. рис. 4.14)
осуществляет поворот вектора намагничивающей силы статора на угол в
соответствии с выражениями (4.96), в которые входят составляющие тока статора по осям «1», «2» вращающейся системе координат:
I |
s,1 |
I |
s,α |
cos φ |
0,эл |
I |
s,β |
sinφ |
0,эл |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Is,α sin φ0,эл Is,β cos φ0,эл. |
|||||||||
Is,2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку вектор потокосцепления ротора в системе координат 1-2 |
|||||||||||
|
|
r,1, r,2 0 , |
то составляющая тока Is,1 |
||||||||
совмещен с осью «1», |
т.е. |
r |
|||||||||
определяет магнитный поток двигателя, что по аналогии с двигателем постоянного тока сравнимо с действием тока в цепи его обмотки возбуждения.
При этом составляющая тока Is,2 , подобно току в якорной цепи двигателя постоянного тока определяет электромагнитный момент двигателя.
Задание на электромагнитный момент двигателя M з формируется выходным сигналом регулятора скорости РС, на входе которого сравниваются сигнал задания скорости ωзи с выхода ЗИ и сигнал, пропорциональный текущей скорости ωм двигателя. Ограничение выходного сигнала РС обеспечивает ограничение задания максимальных значений электромагнитного момента АД. Для поддержания постоянства электромагнитного момента при изменениях модуля потокосцепления ротора в схеме на рис. 4.21 (по аналогии с рис. 4.14) введен в соответствии с выражением (4.63) блок деления БД сигнала с выхода регулятора скорости на r . На выходе блока деления формируется
сигнал задания Is*,2 составляющей тока статора по оси «2» ( Is,2 ).
Сигнал задания Is*,1 составляющей тока статора по оси «1» ( Is,1)
формируется на выходе регулятора потока РП, на входе которого сравниваются сигналы задания и реальные значения модуля потокосцепления ротора.
Сигналы задания Is*,1 и Is*,2 сравниваются с текущими составляющими токов статора Is,1 и Is,2 на входах регуляторов тока соответственно РТ1 и
РТ2, выходные сигналы которых определяют задания составляющих напряжений статора Us*,1* и Us*,2* в системе координат 1-2.
Если в системе дифференциальных уравнений (4.60) выполнить компенсацию составляющих ЭДС Es,1 и Es,2 , наводимых в статоре (исключив влияние внутренних перекрестных связей между каналами объекта управления − АД с КЗ), а также учесть, что напряжения Ur,1 0 и Ur,2 0 , то подобно ЭП постоянного тока получаем
|
|
|
|
|
U |
s,1 |
R |
(T p 1)I |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
s |
s,1 |
|
|
|
|
|
|
|
(4.99) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Us,2 Rs (Ts p 1)Is,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
постоянная |
времени |
цепи |
|||||
Ts и |
Rs – эквивалентные электромагнитная |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
статора и активное сопротивление цепи статора: Ts Ls / Rs Ls / Rs , |
|
||||||||||||||||
|
Rs (Lsr / Lr ) |
2 |
Rr , |
σ |
|
2 |
|
|
d / dt |
|
- |
оператор |
|||||
Rs |
|
1 Lsr / (Ls Lr ); p |
|
||||||||||||||
дифференцирования по времени t. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
На рис. 4.21 роль указанной компенсации выполняет блок компенсации |
||||||||||||||||
БК, в который вводятся переменные Is,1, Is,2 , |
|
r |
|
, ω0,эл , ωм |
и где |
||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
производятся соответствующие функциональные преобразования. |
|
|
|||||||||||||||
|
Преобразование составляющих напряжения статора Us*,1, Us*,2 |
с выхода |
|||||||||||||||
блока БК в составляющие Us*,α , Us*,β |
в осях «α», «β» осуществляется блоком |
||||||||||||||||
координатных преобразований КП1. Преобразователь КП1 аналогично преобразователю ПК1 (см. рис. 4.14) выполняет вычисления напряжений в соответствии с выражениями (4.92):
|
* |
* |
|
|
* |
|
|
|
Us,α Us,1 cos φ0,эл Us,2 sin φ0,эл ; |
||||||||
|
|
U * |
|
|
U * |
|
|
|
U * |
sin φ |
0,эл |
cos φ |
0,эл |
. |
|||
|
s,β |
s,1 |
|
s,2 |
|
|
||
Пеобразователь фаз ПФ аналогично преобразователю координат ПК2 (см. рис. 4.14) в соответствии с выражениями [13]
*Us, A
Us*, B
U *
s,C
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
U * |
; |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
3 |
|
s,α |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
Us*,α U |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2 |
3 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
Us*,α U |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2 |
3 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
*
s,β
*
s,β
; (4.100)
формирует трехфазные синусоидальные сигналы Us*, A , Us*,B , Us*,C ,
определяющие на выходе ПЧ амплитуду и частоту напряжений U A , U B , UC
питания обмоток статора АД. Из сравнения (4.93) и (4.100) нетрудно видеть,
что приведенные напряжения (4.100) пропорциональны сигналам (4.93),
полученными на основании векторной диаграммы АД на рис.4.16.
4.6.2 Линеаризованная структурная схема СПР асинхронного ЭП
типа АИН-АД с прямым управлением по вектору потокосцепления ротора
Учитывая структуру привода ПЧ-АД, проведенную на рис. 3.20, а так же полученные уравнения движения АД с КЗ (4.90), передаточную функцию по напряжению преобразователя частоты ПЧ на основе АИН совместно со всеми блоками преобразования координат (см. рис. 4.21) можно представить в виде
WПЧ (s) |
Us,1 |
(s) |
|
Us,2 |
(s) |
|
kПЧ |
|
, |
(4.101) |
Us**,1(s) |
|
|
TПЧ s 1 |
|||||||
|
Us**,2 (s) |
|
|
|
||||||
где kПЧ – эквивалентный статический коэффициент передачи между составляющими напряжений управления преобразователем Us**,1(s) , Us**,2 (s) и
составляющими в осях «1», «2» выходных напряжений преобразователя Us,1(s) ,
Us,2 (s); TПЧ − эквивалентная постоянная времени цепи управления ПЧ на
основе АИН.
Тогда, согласно (4.99) и (4.101), передаточные функции между
составляющими напряжений Us**,1(s) , Us**,2 (s) и токов Is,1, Is,2 статора
WПЧ АД,1 |
(s) |
|
Is,1 |
(s) |
|
|
kПЧ |
|
|
|
1 |
; |
||
** |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Us,1(s) |
|
|
TПЧ s 1 Rs (Ts s 1) |
(4.102) |
|||||||
|
|
|
|
Is,2 |
(s) |
|
|
kПЧ |
|
|
|
|
||
WПЧ-АД,2 |
(s) |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
. |
||||
** |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Us,2 (s) |
|
|
TПЧ s 1 Rs (Ts s 1) |
|
|
||||||
Обобщенная линеаризованная структурная схема СПР асинхронного ЭП типа АИН-АД, показанного на рис. 4.21, с учетом соотношения (4.61) при
Lm Lsr и Ur,1 0 , соотношения (4.63) при Kr Lsr / Lr и соотношений
(4.64), (4.102) приведена в операторном виде на рис.4.22. Схема содержит: два одинаковых по параметрам внутренних контура регулирования составляющих
Is,1 и Is,2 тока статора с коэффициентом обратной связи по току kТ ; внешний контур регулирования потокосцепления ротора r r,1 с коэффициентом обратной связи по потокосцеплению kп ; внешний контур регулирования скорости двигателя ωм с коэффициентом обратной связи по скорости kc .
Схема на рис. 4.22 подобна структурной схеме системы двухзонного регулирования скорости ДПТ. Поэтому при настройке контуров регулирования на технический (модульный) оптимум определение параметров передаточных функций ПИ-регуляторов тока KРТ (s) , ПИ-регулятора потокосцепления
KРП (s) и П-регулятора скорости KРС (s) выполняются аналогично:
K |
РТ |
(s) k |
РТ |
|
1 |
|
|
kРТTРТ s 1 |
; |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
TРТ s |
|
|
TРТ s |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
K |
РП |
(s) k |
РП |
|
1 |
|
|
kРПTРП s 1 |
; |
(4.103) |
||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
TРП s |
|
|
TРП s |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
KРС (s) kРС.
|
r |
|
r |
|
о |
|
|
I* |
I |
s,1,о |
U** |
I |
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
KРП ( p) |
s,1 |
|
KРТ ( p) |
s,1 |
|
s,1 |
|
|
sr |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Tr p 1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Is*,2 |
** |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
Мc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s,2 |
|
|
3 |
|
|
М |
1 |
||||
|
|
|
|
|
K |
|
( p) |
|
|
|
KРТ ( p) Us,2 |
|
|
|
|
z p Kr |
||||||
|
|
|
|
|
РС |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
J p |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Is,2,о
м
Рисунок 4.22 − Обобщенная структурная схема СПР скорости АД с силовой частью типа АИН-АД и с прямым управлением по вектору потокосцепления ротора (система «Transvector» фирмы Siemens)
В формулах (4.103) с учетом рис. 4.22 обозначены: kРТ и TРТ –
передаточный коэффициент пропорциональной части и постоянная времени
интегрирования регуляторов тока:
k |
РТ |
|
Ts |
, |
РТ |
a T |
kПЧkТ |
; |
(4.104) |
|
|
||||||||
|
|
TРТ |
I ПЧ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Rs |
|
|||
kРП и TРП − передаточный коэффициент пропорциональной части и постоянная времени интегрирования регулятора потокосцепления ротора:
k |
РП |
|
Tr |
, |
T |
a |
a T |
kП Lsr |
; |
(4.105) |
|
|
|||||||||
|
|
TРП |
|
РП |
|
I ПЧ |
kТ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
kРC – передаточный коэффициент регулятора скорости,
|
|
|
|
|
kРC |
2J kТ |
, |
(4.106) |
|
3z p Kr aωaI TПЧkС |
||||
|
|
|
где постоянные коэффициенты aI , a и aω находятся в диапазоне от 2 до 4.
Из рис. 4.22 с учетом соотношений (4.103) и (4.104) для передаточной функции разомкнутых внутренних оптимизированных контуров тока с
единичной отрицательной ОС находим:
Rокт (s) KРТ (s) |
|
kПЧkТ |
|
1 |
. |
|
|
|
aI TПЧ s(TПЧ s 1) |
||||
|
|
|
||||
|
Rs (TПЧ s 1)(Ts s 1) |
|
|
|||
Откуда для передаточной функции замкнутых оптимизированных контуров тока аналогично (4.82) получаем
W (s) |
Rокт (s) / kТ |
|
|
|
1/ kТ |
|
|
1/ kТ |
. (4.107) |
|||
|
|
|
|
|
||||||||
окт |
1 |
Rокт (s) |
|
a T 2 |
s2 a T |
s 1 |
aI TПЧs 1 |
|
||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
I ПЧ |
I ПЧ |
|
|
|
|
|
Из (4.103) и (4.105), (4.106) для передаточных функций |
||||||||||||
оптимизированного |
|
контура |
|
регулирования |
потокосцепления |
и |
||||||
оптимизированного контура регулирования скорости двигателя аналогично
(4.84) и (4.87) имеем:
|
R |
|
(s) K |
РП |
(s) |
|
1/ kт |
|
|
|
kп Lsr |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
; |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
ОКП |
|
|
|
|
|
|
aI TПЧ s 1 Tr s 1 |
|
|
|
a aI TПЧ s(aI TПЧ s 1) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
W |
|
(s) |
RОКП (s) / kп |
|
|
|
|
|
|
|
1/ kп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/ kп |
|
|
;(4.108) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
ОКП |
|
|
1 RОКП (s) |
|
a aI2TПЧ2 s2 a aI TПЧ s 1 |
|
|
a aI TПЧ s 1 |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
RОКС |
(s) KРC (s) |
|
|
1/ kт |
|
|
|
3z p Kr kс |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
; |
|
||||||||||||||
|
aI TПЧ s 1 |
|
|
|
2J s |
|
|
aωaI TПЧ s(aI TПЧ s |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
W |
(s) |
RОКС (s) / kс |
|
|
|
|
|
|
|
|
1/ kс |
|
|
|
|
|
|
, |
(4.109) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
ОКС |
|
|
|
1 RОКС (s) |
|
|
|
|
a |
a2T |
2 |
|
s2 a |
a |
T |
s 1 |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I ПЧ |
|
|
|
I |
|
ПЧ |
|
|
|
|
|
|
|||||
где постоянная времени ПЧ на основе АИН TПЧ обычно находится в пределах: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
T 2 10 4 |
5 10 6 с . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ПЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, линеаризованная структура системы подчиненного регулирования ЭП типа ПЧ-АД с прямым управлением по вектору потокосцепления ротора и П-регулятором скорости полностью определена.
4.7 Примеры систем подчиненного регулирования асинхронного электропривода с косвенным векторным управлением
4.7.1 Необходимые замечания
Установка датчиков магнитного потока ВХ1 и ВХ2 в воздушном зазоре
АД ....
4.7.2 Пример системы векторного частотного управления асинхронного ЭП с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД
4.7.2.1 Функциональная схема системы КВУ ЭП с обратной связью по реальной скорости АД.
Разделим условно функциональную схему системы векторного
частотного управления...
4.7.2.2 Качественные зависимости основных переменных системы
КВУ ЭП с обратной связью по реальной скорости АД.
В соответствии с принципом работы рассматриваемой системы КВУ
асинхронного ЭП ...
4.7.2.3 Примеры обобщенных функциональных схем системы КВУ
ЭП при управлении скоростью и управлении моментом АД.
Рассмотренная структура системы векторного частотного управления
асинхронного ЭП ...
4.7.3Пример комплектного глубокорегулируемого асинхронного ЭП
счастотно-токовым векторным (косвенным) управлением для металлорежущих станков с ЧПУ (электропривод «Размер 2М-5-21»)
4.7.3.1 Назначение. Способ управления. Общий вид блоков
управления.
Комплектный асинхронный глубокорегулируемый электропривод
«Размер 2М-5-21» предназначен для работы в системах автоматического регулирования частоты вращения электродвигателей двух механизмов координатной подачи и механизма главного движения металлорежущих станков с ЧПУ. Электропривод обеспечивает работу в четырех квадрантах.
Для управления электродвигателями подач (например, два АД по 4,5 кВт)
ЭП построен по схеме 3-фазного полумостового инвертора. Для главного, более мощного ЭД (например, АД мощностью 11 кВт), вращающего шпиндель станка, в ЭП используется схема 3-фазного мостового инвертора. Все три инвертора осуществляют частотное регулирование «своими» ЭД [15].
Общий вид электронных блоков управления комплектного асинхронного глубокорегулируемого ЭП «Размер 2М-5-21» представлен на рис. 4.29.
Силовые ключи КС-12 выполнены на достаточно мощных биполярных высоковольтных транзисторах (рис. 4.30). Конструктивно в одном ключе КС-12
расположен полумост со схемой управления (драйвером) для верхнего и нижнего ключей полумоста. Всего в одном комплектном ЭП используется 12
блоков КС-12 (6 – для двигателя главного движения, по 3 – для двигателей подач). Существует еще один силовой ключ КР-9, который снижает до безопасного уровня бросок питающего напряжения при торможении любого из трех управляемых ЭД. Бросок напряжения возникает из-за возврата части энергии в источник питания при торможении ЭД. Ключ КР-9 называется
«разрядным». Во всех 13 силовых ключах использованы однотипные транзисторы КТ839. Для получения необходимых технических характеристик силового ключа КС-12 (коммутируемый ток до 25 А, напряжение питания до
675 В) используется параллельное включение четырех силовых транзисторов.
В электроприводе реализовано частотно-токовое векторное (косвенное)
управление асинхронным двигателем, при котором обеспечивается широкий