11.5. Пряме керування моментом асинхронного двигуна

Подальшим розвитком векторного керування є пряме керування моментом двигуна (Direct Torque Control-ДТС). Принцип такого ке-рування був опублікований у 1985 р. і через 10 років фірмою АВВ він був реалізований.

Мета прямого керування моментом є забезпечення швидкої реак-ції електромагнітного моменту АД на керуючі впливом. На відміну від векторного керування, коли зміна моменту досягається шляхом зміни струму статора, який є керованою змінною, в системі прямого керування моментом керованого величиною є потокозчеплення ста-тора. Його зміна досягається зміною положення вектора напруги шляхом відповідного перемикання ключів інвертора.

При прямому керуванні електромагнітний момент розраховують за формулою

, (11.12)

де , і – відповідно індуктивності намагнічуючого конту-ру, обмоток статора і ротора; – кут між векторами потокозчеплення статора і ротора (рис.11.10).

О скільки електромеханічна стала часу ротора АД досить велика, то мож-на вважати, що на кожному кроці роз-рахунку модуль потокозчеплення ро-тора залишається сталим.

Я

Рис.11.10. Просторові вектори потокозчеплення статора і ротора

кщо модуль потокозчеплення ста-тора впливом на вектор напруги підтримувати також сталим, то електромагнітний момент двигуна залежатиме згідно (11.12) тільки від кута . Зміна кута досягається зміною положення вектора напруги на статорі за рахунок відповідної зміни станів ключів інвертора.

В

Рис.11.11. Вплив перемикання ключів інвер-тора на потокозчепленням і момент двигуна

інверторі напруги вектор напруги при перемиканні ключів за „законом 180⁰” повертається у нерухомій системі координат х-у на 60 електричних градусів і може займати одне із шести фіксованих положень в одному із шести секторів І-VI (рис.11.11).

Зв’язок вектора на-пруги і вектора потокозчеплення в системі координат (рис.11.11) визначається рівнянням рівноваги напруг

.

Якщо знехтувати опором обмотки статора, то

. (11.13)

Тоді проекції вектора напруги і будуть визначати швидкості зміни проекцій вектора потокозчеплен-ня в залежності від прикладеної напруги. Замінивши похідні мали-ми кінцевими величинами, одержимо згідно (11.13) , або у приростах і . Повні значення проекцій вектора потокозчеплення будуть такими:

; , (11.14)

де і – проекції вектора потокозчеплення статора, яке було до зміни вектора ; – відрізок часу, на протязі якого діяв прикладений вектор напруги.

Отже, змінюючи положення вектора напруги (його складові і ), можна повертати вектор і змінювати кут , впливаючи цим на зміну моменту двигуна.

На рис.11.11 показані нерухома система координат і розта-шовані на ній просторові вектори напруги на виході інвер-тора, від якого живиться обмотка статора двигуна, а також миттєве положення вектора потокозчеплення статора , який в даний мо-мент часу знаходиться у секторі .

Щоби забезпечити пряме керування моментом переключення векторів напруги (переключення ключів інвертора), потрібно прово-дити тоді, коли момент двигуна чи потокозчеплення відхилюються від заданих значень на величину, рівну прийнятій похибці.

З (11.12) слідує, що при сталих значеннях модулів і електромагнітний момент двигуна збільшується ,коли збільшується кут . Кут збільшується, коли вектор напруги повертається проти годинникової стрілки (переходить з сектора І у сектор ІІ чи ІІІ), і зменшується, коли він повертається за стрілкою годинника (проти напряму руху магнітного поля статора – сектори VI і V).

Для ілюстрації алгоритму перемикання векторів напруги на рис.11.11 початки векторів напруги , , і перенесені на кінець вектора . Кожний вектор показує на табличку, в якій вказані знаки приростів потокозчеплення статора і моменту двигу-на, які виникають при підключенні вказаних векторів. Знак „+” означає, що величина збільшується, а знак „–” – що зменшується. Наприклад, якщо в даний момент часу модуль і електромагніт-ний момент менші проти необхідних (знаки „+”), то необхідно пере-йти на вектор , то призведе до їх збільшення.

Якщо модуль вектора великий (знак „–”), а електромагніт-ний момент малий (знак „+”), то потрібно переключитись на вектор . Це призведе до зменшення потокозчеплення (у рівнянні (11.13) стане від’ємним) і збільшення моменту за рахунок збільшення кута . Коли модуль і момент великі, то необхідно переключи-тись на вектор , що спричинить їх зменшення. Коли треба збіль-шити і зменшити момент двигуна, то переходять на вектор .

На відміну від векторного керування швидкістю АД в системі прямого керування моментом немає широтно-імпульсної модуляції зі сталою частотою, а перемикання ключів здійснюється у залежно-сті відхилення дійсних значень модуля вектора потокозчеплення статора і моменту двигуна від заданих значень. Структурна схема, яка реалізує такий спосіб керування, наведена на рис.11.12 До її складу входять компаратори потоку і моменту з гістерезисними характеристиками, таблиці оптимальних перемикань ключів, авто-номний інвертор напруги частотного перетворювача, давачі напру-ги і струмів та математична модель двигуна.

На входи компараторів подаються відхилення фактичних зна-чень модуля і моменту двигуна від заданих значень і . Вихідна змінна компаратора потокозчеплення може приймати два значення: 1 і 0. Якщо на величину (допустиму похибку), то його потрібно збільшити і це відповідає . Якщо на , то його потрібно зменшити і це відповідає .

Рис.11.12. Структурна схема прямого керування моментом

Вихідний сигнал компаратора може приймати три значення: 1, 0 і -1. Сигналу відповідає стан, коли треба збільшити мо-мент двигуна; при сигналі момент треба зменшити. Стан означає, що момент знаходиться в допустимих межах (в зоні нечутливості компаратора).

У відповідності з наведеними алгоритмами формується таблиця переключень інвертора. В залежності від значень і для кожного сектора, в якому у даний момент часу знаходиться вектор потокозчеплення, вказується вектор напруги, а отже і набір ключів інвертора. При цьому номер сектора визначається на підставі моделі двигуна.

Отже, для прямого керування моментом потрібно знати на кож-ному такті керування миттєві значення потокозчеплення статора і моменту двигуна. Для цього модель здійснює опитування миттєвих значень фазних напруг і струмів з високою частотою (порядка ) і розраховує протягом певного часу квантування дійсні зна-чення потокозчеплення статора, електромагнітного моменту й шви-дкості обертання двигуна, знання якої необхідне для керування час-тотою ПЧ. Необхідні обчислення здійснює швидкодіючий сигналь-ний мікропроцесор на підставі вимірюваних значень напруг та стру-мів і введених попередньо у модель ідентифікованих параметрів двигуна.

Основною перевагою прямого керування моментом є висока швидкодія, яка знаходиться в межах 6...10мс.

Контрольні запитання і задачі

1. Якими засобами можна забезпечити плавний пуск асинхрон-ного двигуна з короткозамкненим ротором?

2. У якому випадку систему плавного пуску асинхронних двигу-нів доповнюють функцію бустера?

3. Коли доцільно використовувати розімкнені системи частотно-го керування асинхронними двигунами за умови ?

4. У чому суть скалярної системи частотного керування асинхро-нними двигунами?

5. Визначити модуль жорсткості лінеаризованої частини меха-нічної характеристики асинхронного двигуна, якщо ; , і .

6. Якою ланкою представляють частотний перетворювач в сис-темі частотного керування з автономним інвертором струму?

7. У чому суть векторного керування частотно-регульованого електропривода?

8. У чому суть прямого керування моментом асинхронного дви-гуна?

9. Яку функцію виконує мікропроцесорна математична модель двигуна в системі прямого керування моментом?

10. Якими ланками можна представити передавальну функцію асинхронного двигуна при частотному регулюванні швидкості?

Розділ 12