Рудаков В.В., Козярук А.Е. Системы управления электроприводов. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова

(технический университет)

В.В. РУДАКОВ, А.Е. КОЗЯРУК

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Прямое управление моментом в

электроприводе переменного тока

Mq_[gh_ ihkh[b_

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007 г.

чами. Частота заполнения полуволн выходного напряжения преобра-

зователя частоты с возрастанием выходной частоты снижается. Это

обстоятельство ведет к изменению формы фазных токов в статорных

обмотках асинхронного двигателя.

В математических моделях эти функции преобразуются в ор-

тогональную двухфазную систему координат, неподвижную в про-

странстве (систему координат α - β). Для этого в

моделях предусмот-

рен формирователь выходных напряжений. В реальных системах это

преобразование выполняется в блоке вычисления ненаблюдаемых

координат для получения переключательных функций U

sα

* и U

sβ

Эти же функции в масштабе представляют собой входные напряже-

ния для асинхронного двигателя в математической модели системы

DTC. Они имеют вид, показанный на рис.3.7

Рис.3.7. Переключательные функции системы DTC при ω

уст

= ω

ном

Подавая эти напряжения на вход математической модели

асинхронного двигателя, можно рассчитать электромагнитные про-

цессы в системе DTC. Установившиеся значения фазных токов и на-

пряжений двигателя в системе DTC приведены на рис 3.8.

Рис.3.8. Установившиеся значения фазных токов и напряжений асинхронной

машины в системе DTC.

Сигналы на выходе формирователя выходных напряжений

системы DTC, естественно, не в полной мере соответствуют выход-

ным напряжениям преобразователя частоты в реальных системах.

Математические модели строятся в предположении, что силовая

часть преобразователя частоты состоит из идеальных силовых элек-

тронных ключей. В моделях не учитываются электромагнитные про-

цессы в IGBT-транзисторных модулях, которые являются

основным

элементом в силовой преобразовательной технике. Такое допущение

вносит погрешность в результаты моделирования. Однако, для каче-

ственной оценки электромагнитных и электромеханических процес-

сов, протекающих в системах электропривода с системами DTC-

управления, такое допущение оправдано.

Процессы в электроприводе с прямым управлением моментом

имеют квазиустановившийся характер, поскольку гистерезисные ре-

лейные регуляторы потокосцепления статора и электромагнитного

момента двигателя в установившемся режиме работы электропривода

остаются в автоколебательном режиме. Это вызывает высокочастот-

ные колебания электромагнитного момента, тока и потокосцепления

статора двигателя в установившихся режимах работы. Так как часто-

та этих колебаний высока, на частоту вращения двигателя они влия-

ния не оказывают. На

рис. 3.9 приведены квазиустановившиеся кри-

вые изменения электромагнитного момента, тока и потокосцепления

статора двигателя.

Рис.3.9. Квазиустановившиеся значения электромагнитного момента, тока и

потокосцепления статора асинхронной машины в системе DTC.

Амплитуда и частота квазиустановившихся колебаний опре-

деляются настройками релейных регуляторов. При снижении устано-

вившейся частоты вращения частота квазиустановившихся колебаний

электромагнитного момента и тока статора двигателя возрастает, а

амплитуда этих колебаний снижается. Амплитуда колебаний пото-

косцепления статора мало зависит от установившегося значения час-

тоты вращения двигателя, а определяется, главным образом, величи-

ной гистерезисного допуска соответствующего релейного регулятора.

Следует отметить, что, несмотря на кажущееся сходство кри-

вых фазных напряжений и токов в системе DTC с системами, в кото-

рых используется широтно-импульсная модуляция выходного напря-

жения автономного инвертора, принцип формирования этих кривых в

системах DTC качественно отличается от того, что имеет место в

ШИМ - инверторах. В системах с широтно-импульсной

модуляцией

выходного напряжения алгоритм модуляции задается извне. Система

регулирования никак не воздействует на процесс модуляции. В сис-

темах DTC характер изменения кривой выходного напряжения опре-

деляется исключительно функционированием таблицы переключе-

ний, то есть является внутренним свойством системы регулирования.

3.4. Расчет переходных процессов в системах

прямого управления моментом

Расчет переходных процессов в

системах DTC выполнен в со-

ответствии с функциональной схемой рис. 3.1. При расчетах во внеш-

нем контуре регулирования скорости был использован П - регулятор.

На графики выведены кривые изменения частоты вращения ротора

двигателя ω

*, электромагнитного момента двигателя М

*, амплитуд-

ного значения тока статора двигателя i

*, амплитудного значения по-

токосцепления статора двигателя Ψ

* и фазного напряжения на выхо-

де преобразователя частоты U

Рассмотрены следующие режимы работы частотно- управляе-

мого электропривода с системой прямого управления моментом:

- пуск двигателя из неподвижного состояния до номинальной

частоты вращения (ω

* = 1 о.е.);

- торможение двигателя от номинальной частоты вращения

(ω

* = 1 о.е.) до полной остановки;

- реверс двигателя от номинальной частоты вращения в на-

правлении "вперед" (ω

* = 1 о.е.) до номинальной частоты вращения в

направлении "назад" (ω

* = -1 о.е.).

- наброс двукратной нагрузки от М

* = 1 о.е. до М

* = 2 о.е.;

- сброс нагрузки до 10% от М

* = 1 о.е. до М

* = 0,1 о.е

На рис.3.10 приведены пусковые характеристики электропри-

вода при пуске от нуля до номинальной частоты вращения.

Рис.3.10. Пуск асинхронного двигателя от нуля до номинальной

частоты вращения асинхронного двигателя в системе DTC.

Ограничение максимального значения электромагнитного

момента двигателя определяется настроечными параметрами релей-

ного регулятора момента. В данном примере ограничение электро-

магнитного момента было установлено на уровне 4М

э ном

Торможение в частотно-управляемом электроприводе, незави-

симо от принятой системы регулирования, осуществляется либо элек-

тродинамическим способом - при наличии в цепи постоянного тока

неуправляемого выпрямителя, либо рекуперативным способом - при

наличии в цепи постоянного тока управляемого, так называемого,

активного выпрямителя.

На рис.3.11. показан режим торможения асинхронного двига-

теля при частотном управлении с системой DTC от установившейся

скорости ω

r ном

* = 1 до полной остановки ω

r ном

* =0.

Рис.3.11. Торможение асинхронного двигателя от номинальной частоты до

полной остановки в системе DTC.

Характер переходных процессов при торможении несущест-

венно зависит от выбранного типа регулятора скорости. При стрем-

лении задающего сигнала к нулю в ноль обращаются по завершении

переходного процесса все основные переменные.

Для реверсирования электропривода в системе DTC не требу-

ется дополнительных средств. Реверс осуществляется путем измене-

ния знака задающего сигнала на

входе регулятора скорости. При за-

дании сигнала на реверс система сначала переходит в тормозной ре-

жим, а при достижении нулевого значения частоты вращения - в дви-

гательный режим. При этом изменение порядка следования фаз вы-

ходного напряжения преобразователя частоты обеспечивается за счет

изменения порядка следования импульсов с выхода определителя фа-

зового сектора. На рис. 3.12 приведена реверсивная характеристик

электропривода от полной частоты вращения в направлении "вперед"

до полной частоты вращения в направлении "назад".

Рис.3.12. Реверс асинхронного в системе DTC.

В момент изменения направления частоты вращения двигате-

ля в кривой изменения амплитуды потокосцепления статора наступа-

ет кратковременный провал, который достаточно быстро устраняется.

Рассмотренные переходные процессы в системе DTC пред-

ставляют собой реакцию системы на изменение управляющего воз-

действия. Представляет интерес также реакция системы на изменение

возмущающего воздействия. Оценка реакции системы на 100% на-

брос нагрузки и на сброс нагрузки до 10% номинальной показала, что

отработка возмущающих воздействий происходит достаточно Интен-

сивно. Отклонения скорости от установившегося значений не велики.

Рис.3.13. Наброс и сброс нагрузки в асинхронном электроприводе при номи-

нальной частоте вращения в системе DTC.

Таким образом, результаты анализа переходных процессов в

системе DTC показали, что система работоспособна во всех типовых

для электроприводов гонных машин режимах и обладает высокими

показателями качества переходных процессов, как с точки зрения бы-

стродействия, так и сточки зрения плавности регулирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью микропроцессорных средств в современных сис-

темах автоматического регулирования электроприводами переменно-

го тока с частотным управлением можно реализовать весьма сложные

алгоритмы управления. В то же время, для обеспечения высоких ста-

тических и динамических показателей объекта регулирования не все-

гда требуется алгоритм управления повышенной сложности. Поэтому

создание компактных

и эффективных алгоритмов управления являет-

ся актуальной задачей при разработках программного обеспечения

новых современных систем электроприводов. Одним из таких реше-

ний может служить способ прямого управления моментом асинхрон-

ного двигателя (принцип DTC-управления).

Разумеется, принцип прямого управления моментом приме-

ним отнюдь не всегда. Подобные системы целесообразно использо-

вать для электроприводов механизмов

и технологических комплек-

сов с тяжелыми условиями эксплуатации и жесткими требованиями

по быстродействию.

Тем не менее, системы прямого управления моментом можно

и необходимо выделить в отдельный класс систем частотно-

управляемого электропривода переменного тока. Об этом косвенно

свидетельствует большое количество публикаций в мировой научно-

технической периодике. В прилагаемом списке литературы присутст-

вует лишь малая толика того, что опубликовано на эту тему в послед-

ние годы.

В некоторых публикациях [21] системы прямого управления

моментом объединяются с системами нечеткого управления электро-

приводом. Использование FUZZY-логики при построении системы

управления частотным электроприводом переменного тока действи-

тельно обладают рядом свойств, подобных системам прямого управ-

ления моментом. Даже

предложена новая аббревиатура - FDTC

(Fuzzy Direct Torque Control). Такой подход вызывает сомнение, так

как, несмотря на некоторую схожесть результатов, системы нечеткого

управления частотно-управляемым электроприводом переменного

тока заслуживают того, чтобы быть выделенными в отдельную груп-

пу комплектных систем.