7.11. Принцип ориентирования по полю двигателя при частотном управлении

Координатные и фазные преобразования переменных, рас­смотренные в гл. 2, в настоящее время не только исполь­зуются для упрощения анализа динамических процессов элект­ромеханического преобразования энергии, но и успешно при­меняются в качестве математической основы построения алго­ритмов функционирования систем управления электропривода­ми переменного тока В частности, этот математический аппарат является основой принципа ориентирования по полю двигателя, который реализован в ряде совершенных систем частотного управления асинхронными и синхронными электро­приводами.

Для пояснения этого принципа предположим, что при управлении двигателем доступны для измерения текущие зна­чения модуля, угловой скорости и фазы вектора потокосцепления ротора. Тогда ось хсинхронно вращающейся системы координатх, упредставляется возможным совместить с мгно­венным направлением этого вектора:

при этом _2x=_2max, _2y=0, вектор тока статора становится ориентированным относительноуглом сдвига₁:

его проекция на ось х i_1xявляется мгновенным значением намагничивающего тока машины, а проекция на осьу,как было показано в § 5.5 для статического режима, представляет собой активный ток статора. Основой для вычисления теку­щих переменных служат уравнения механической характери­стики в осяхх, у(_k=_0эл), ориентированных по полю двига­теля, в которых_2x=_2max, _2y=0 в любой момент времени:

(7.101)

С помощью уравнений потокосцеплений при ориентирова­нии по вектору систему уравнений (7.101) можно преобра­зовать к виду

(7.102)

Аналогичным путем можно осуществить ориентирование по вектору потокосцепления илии получить соотно­шения, соответствующие этим условиям.

Полученные уравнения наглядно представляют динамиче­ские особенности асинхронного электропривода с частотным управлением при ориентировании по полю двигателя. Изме­нением i_1xможно регулировать потокосцепление ротора, но при существенных проявлениях электромагнитной инерции, характеризуемой большими постоянными времениТ₁ и Т₂. При постоянном потоке _2max= const) система (7.102) пред­ставляется в виде

(7.103)

при этом электромагнитная инерция обусловлена только изме­нениями потоков рассеяния статора (малая постоянная времени T_1) и полностью проявляется только при питании статора от источника напряжения. Если преобразователь частоты об­ладает свойствами источника тока, при_2max=constтеорети­чески асинхронный двигатель представляет собой безынерцион­ный объект управления, а при регулировании потока по отклонению его механическая характеристика определяется уравнениями

(7.104)

Отсюда следует, что, если при управлении асинхронным двигателем оперировать в цепях управления не с реальными переменными машины, а с преобразованными к координатным осям, ориентированным по полю, можно отдельно управлять магнитным потоком и моментом двигателя, имея дело не с переменными синусоидальными величинами, а с постоянными их преобразованными значениями. Это позволяет строить систему управления асинхронным двигателем аналогично сис­теме управления двигателем постоянного тока. Основой по­строения таких систем является информация о мгновенном значении и пространственном положении вектора потокосцеп­ления в воздушном зазоре, непосредственное измерение кото­рого обычно осуществляется с помощью датчиков Холла.

В соответствии с изложенным для реализации управления потоком и моментом двигателя по отклонению необходимо измерить мгновенные реальные трехфазные токи статора и поток в воздушном зазоре, осуществить преобразование трех­фазных переменных к эквивалентным двухфазным и произвести координатное преобразование их к осям, ориентированным по полю. Определенные таким образом преобразованные те­кущие значенияi_1x, иi_1yостается сравнить с их заданными значениями, получить сигналы управления потоком и момен­том в осях х,у, а затем осуществить обратные координатное и двухфазно-трехфазное преобразования и получить действи­тельные сигналы для управления трехфазным преобразовате­лем частоты. Для осуществления этой цепочки операций не­обходимо управляющее вычислительное устройство, некоторые особенности которого можно установить, рассматривая схему, приведенную на рис. 7.37, а.

Система управления состоит из трех крупных блоков: блока вычисления текущих значений переменных БВТП,блока регуляторов переменныхБРПи блока вычисления заданных значений переменных - управляющих воздействий БВЗП.

Рис. 7.37. Функциональная схема, реализующая принцип ориенти­рования по полю

Рассмотрим назначение, ос­новные элементы и особенности измерительного блока БВТП.

Для того чтобы вычислить амплитуду и фазу переменной трех­фазного двигателя, достаточно измерить мгновенные значения этой переменной в двух фазах двигателя. Блок БВТПпреобразует изме­ренные с помощью датчиков Холла трехфазные мгновенные значения потока в воздушном зазоре_a, и _bи измеренные с помощью датчиков тока действительные трехфазные переменные токиi_1a и i_1bв ориентированные по полю значения потокосцепления ротора_2max, намагничивающего токаi_1xи активного токаi_1y. Он состоит из бло­ков фазных преобразованийБФП1иБФП2,блока векторного фильт­раБВФи блока координатного преобразованияБКП2.БлокБФП1 осуществляет трехфазно-двухфазное преобразование потокосцепления в воздушном зазоре в соответствии с формулами (2.34):

(7.105)

Кроме того, блок БФП1вычисляет необходимое для контроля потокосцепление ротора в соответствии с формулами

(7.106)

Необходимые для решения (7.106) значения i_1и i_1вычисляются блокомБФП2по формулам, аналогичным (7.105). Так как перемен­ные_2 и_2вычислены с помощью (7.106) через переменные статора, они представляют собой синусоидальные величины, изме­няющиеся с частотой_0эл.

Блок векторного фильтра БВФрешает задачу определения мгно­венного пространственного угла поворота_0элвектора потокосцепле­ния ротора. Решение этой задачи осложняется наличием зубцовых пульсации потока машины, уменьшение влияния которых обеспечива­ется активным векторным фильтром (рис. 7.37, б). Его составной частью является блок координатного преобразованияБКП1,на два входа которого подаются текущие значения_2 и_2, а к двум дру­гим входам подводятся функцииsin’_0элиcos’_0эл, вырабатываемые управляемым генератором колебанийУГК. Вобщем случае’_0эл_0эл, поэтому блокБКП1осуществляет координатное преобразова­ние,  u, vв соответствии с (2.15):

(7.107)

Так как _2­=_2maxcos_0эли_2=_2maxsin_0эл, то, подставив эти выражения в (7.105), после преобразований получим

(7.108)

Нетрудно видеть, что на выходе блока БКП1получаются составляющие векторав виде периодических функции разности между действительным углом поворота_0эли выдаваемым генера­тором колебанийУГК’_0эл. Предусмотренное в схеме вычислительное устройство ВУ выделяет модуль_2maxи определяет угол_0эл =_0эл-’_0элСигнал отрицательной связи по углу подается на вход ПИ-регулятора фазы РФ, выходная величина которого воздействует на УГК в направлении уменьшения_0эл.

При отсутствии в кривой потока высших гармоник в установив­шемся режиме благодаря интегральной составляющей регулятора РФ достигалось бы полное устранение ошибки_0эл= 0. При этом’_0эл = _0эли в соответствии с (7.108)_2u =_2max,a _2v =0.Таким образом, составляющая_2v непосредственно связана со знаком ошиб­ки_0эли ее значением. С помощью задающего сигнала_0эл,зустанавливается минимальное значение ошибки, обусловленной гар­мониками потока.

Полученные на выходе БВФфункцииcos _0элиsin _0элисполь­зуются для координатного преобразования токовi_1иi_1, которое осуществляется блокомБКП2.Этот блок не имеет отличий от блокаБКП1(рис. 7.37,6); на его выходе получаются составляющие тока статораi_1xиi_1y, постоянные по значению (для статического режима). Эти значения, а также текущие потокосцепления_2maxи скоростипоступают в блок регуляторов переменныхБРПи используются для регулирования по отклонению от заданных значений.

Поступающие на вход блока регуляторов БРПзадающие сигналы_2max,зи_з, совместно с ориентированными по полю текущими значениями переменных используются для вычисления заданных зна­чений переменныхi_1x,з и i_1y,з, с помощью которых блок вычисления задающих сигналовБВЗПформирует синусоидальные напряжения управления преобразователемu_1a,з, u_1b,з и u_1c,з .

Здесь для пояснения принципа ориентирования по полю подробно рассмотрен блок вычисления текущих переменных БВТПсистемы «Трансвектор», разработанной фирмой «Сименс» (ФРГ) для управле­ния асинхронными и синхронными электроприводами с частотным управлением. Описание других блоков этой системы приведено в [4].