Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока

Подождите немного. Документ загружается.

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ии

)cos()

cos(

)sin()

sin(

где

– угловое положение вектора напряжения относительно фазы А

сети.

На рис.15.2 показано разложение вектора тока сети

на состав-

ляющие в системе координат (

x,y), ориентированной по вектору на-

пряжения сети.

Рис.15.2. Разложение вектора тока

на составляющие в осях y

Составляющие

вычисляются на основе измерения на-

пряжения сети. Уравнения выпрямителя в системе координат

примут вид

),( yx

yиrxgx

LIUURI

L ω+−+−= ;

xиryy

LIURI

ω−−−= ;

)(

yryxrx

IUIU

I += ;

нd

C −= .

(15.4)

301

302

На рис.15.3 изображена структурная схема выпрямителя, постро-

енная по данным уравнениям. Здесь

= – постоянная времени

входной цепи выпрямителя.

Сp

+Tp

),( yx

)(

I )(

Рис.15.3. Структурная схема выпрямителя

Функциональная схема системы векторного управления рекупера-

тивным выпрямителем представлена на рис.15.4. Система управления

реализована в синхронной ортогональной системе координат

ориентированной по вектору напряжения сети, что позволяет раздель-

но управлять активной

и реактивной составляющими векто-

ра входного тока выпрямителя

. представляют собой ам-

плитуду и угловую частоту напряжения сети.

U ω,

),(

yzxz

II 0

Регулирование коэффициента мощности преобразователя осуще-

ствляется путем формирования определенного соотношения между за-

данными значениями активной и реактивной составляющих входного

тока

. При

uug

выпрямитель обменивается с сетью толь-

ко активной энергией.

Блок ориентации выполняет вычисление параметров сетевого на-

пряжения

,, по результатам измерения мгновенных значе-

ний напряжений в фазах сети, а также осуществляет преобразование

входных токов в координатную систему (

x,y), ориентированную по

вектору сетевого напряжения.

Блок компенсации перекрестных связей работает в соответствии с

уравнениями

;

kxyu

ULI

U ω−=ω=

(15.5)

303

Регулятор

Блок

компенсации

перекрестных

связей

Векторный

модулятор

IGBT

выпрямитель

Преобра-

зование

координат

xy ABC

упр

= 0

Блок

ориентации

по Uсети

ABC xy

сети

L, R

Нагрузка

Рис.15.4. Структурная схема системы векторного управления рекуперативным выпрямителем

Преобразователь координат выполняет преобразование заданных

напряжений выпрямителя из синхронной системы координат

трехфазную систему координат

по уравнениям

),( yx

),,( CBA

.)(

;)

sin()

cos(

;)sin()cos(

bzazcz

uyzuxzbz

uyzuxzaz

UUU

+−=

−ϕ−

−ϕ=

−

(15.6)

Алгоритмы работы векторного модулятора аналогичны рассмот-

ренным выше в разд. 7.2.

Синтез регуляторов системы векторного управления активным

выпрямителем может быть выполнен на основе принципов подчинен-

ного регулирования с учетом компенсации влияния перекрестных свя-

зей и возмущающих воздействий.

Структурная схема контура тока по оси

изображена на рис.15.5.

)( pH

РТ

1+pT

+Tp

rxz

Рис.15.5. Структурная схема контура тока фазы

Выполняя стандартную настройку контура на модульный опти-

мум, с учетом компенсации действия возмущающих факторов, полу-

чим ПИ-регулятор тока:

KPH

piPT

+=)( ,

где

пкт

−= ;

пкт

−= ,

пкт

K – коэффициент передачи выпрямителя; – постоянная времени

выпрямителя, равна периоду модуляции;

– малая некомпенсируе-

мая постоянная времени контура тока.

кт

304

Синтез процессов в контуре тока по оси

(рис.15.6) выполняется

аналогично. Структура и параметры регуляторов тока по осям

x и y

получаются одинаковыми.

)( pH

1+pT

1Tp

R/1

ryz

Рис.15.6. Упрощенная структурная схема контура тока фазы

Передаточные функции замкнутых контуров тока по осям

принимают вид

122

)()(

pTpT

pHpH

кткт

кт

На рис.15.7 изображена структурная схема объекта управления с

учетом выполненного синтеза процессов в контурах тока.

)( pH

кт

)( pH

кт

Рис.15.7. Структурная схема объекта управления

В целях исключения обмена реактивной энергией принимаем

. Заметим, что структурная схема объекта управления в конту-

ре регулирования напряжения является существенно нелинейной. Вы-

полним ее линеаризацию с учетом следующих соотношений:

grx

UU ≅ ;

gud

UKU

≅

≅ ,

305

где

– амплитуда напряжения сети;

nomg

K =

( – заданное

значение выходного напряжения выпрямителя;

– номинальное

значение амплитуды напряжения сети).

nomg

В результате получим следующую структурную схему контура регу-

лирования напряжения (рис.15.8).

)( pH

кт

)( pH

Рис.15.8. Структурная схема контура регулирования напряжения

Выполняя настройку контура на симметричный оптимум, получим

ПИ - регулятор напряжения:

KPH

ppu

+=)( ,

где

;

= (

ктku

TT 2

– малая некомпенсируемая

постоянная времени контура напряжения).

Передаточная функция замкнутого контура напряжения с ПИ-

регулятором

1488

)(

2233

+++

PTPTPT

kukuku

Для приведения передаточной функции к стандартному виду, со-

ответствующему фильтру Баттерворта 3-го порядка, на вход контура

регулирования напряжения включается фильтр 1-го порядка с переда-

точной функцией

)(

16. Система управления вентильно-индукторным

двигателем

Рассмотрим пример построения системы управления вентильно-

индукторным двигателем [53,12]. Для электропривода с независимым

306

формированием фазных токов структурная схема системы управления

ВИП представлена на рис.16.1. Варианты реализации схем силовой

части такого привода рассмотрены в гл. 5 .

ПИ-регулятор скорости синтезирован согласно принципам подчи-

ненного регулирования. Настройка на симметричный оптимум обеспе-

чивается при следующих значениях коэффициентов пропорциональ-

ной и интегральной частей регулятора:

;

ωω

TkC

где

– коэффициенты датчиков тока (ДТ) и скорости; – кон-

станта двигателя, представляющая собой среднее значение коэффици-

ента пропорциональности между фазным током и электромагнитным

моментом;

– малая некомпенсируемая постоянная времени контура

скорости.

На выходе регулятора скорости формируется задание на макси-

мальное значение тока фазы двигателя. Параметр регулятора

OgrR

ограничивает фазный ток на предельно допустимом уровне в динами-

ческих режимах работы привода и в режимах перегрузок.

Формирователь заданных токов на основе информации о макси-

мальном значении заданного тока и угловом положении ротора фор-

мирует на своих выходах мгновенные значения токов задания для всех

фаз двигателя. Алгоритм работы формирователя заданных

токов

включает в себя следующие операции:

определение знака электромагнитного момента;

расчет угла опережения тока относительно положения ротора (для

работы ВИП на скорости выше номинальной);

формирование желаемых зависимостей заданных токов фаз, в ча-

стности синусоидальных и трапециевидных с задаваемым относи-

тельным положением угловых точек трапеции.

Регулятор фазных токов включает в себя

идентичных релей-

ных трехуровневых регуляторов. Уровень 1 соответствует подключе-

нию к фазе напряжения

, уровень 2 – подключению к фазе на-

пряжения

, уровень 0 – замыканию фазы накоротко (подключе-

нию нулевого напряжения). Желаемое значение отклонений реальных

фазных токов от токов задания устанавливается с помощью двух поро-

говых величин

U−

, определяющих два уровня гистерезиса характе-

ристики «вход–выход» релейного регулятора. При работе на малой

петле гистерезиса состояние фазы

−

из работы исключается, что

обеспечивает существенное уменьшение частоты переключений при

307

заданной величине токовой ошибки и, как следствие, снижение допол-

нительных потерь в системе «преобразователь – двигатель». В случае

если собственная противоЭДС фазы при замыкании накоротко оказы-

вается не в состоянии обеспечить необходимое направление движения

токовой ошибки, то контур тока переходит на работу по большой пет-

ле гистерезиса, использующей состояние

U−

Регулятор

скорости

Формиро-

ватель

заданных

токов

Регулятор

токов

Формиро-

ватель

импульсов

управ-

ления

IGBT

коммута-

тор

Вычисли-

тель

скорости

Датчик

положения

ротора

ИД

ωOgrR

ωωω

Tkk

∆

уk

ДТ

−

Рис.16.1. Структурная схема системы управления ВИП

Формирователь импульсов управления формирует сигналы управ-

ления всеми

транзисторами IGBT-коммутатора, коммутирующего

напряжение источника питания на обмотки индукторного двигателя.

Система управления 6-фазным ВИП с общей точкой (схему сило-

вой части см. рис.5.7,б) имеет ряд отличительных особенностей от

рассмотренной выше системы управления

-фазным ВИП с незави-

симым управлением фазами. Во-первых, это наличие дополнительных

операций прямого и обратного преобразований координат от системы

реальных (измеряемых датчиками) токов к системе токов проводящих

фаз

, относительно которых выполняется синтез управ-

ляющих воздействий. Во-вторых, более сложные алгоритмы формиро-

вания управляющих воздействий, что определяется необходимостью

одновременно учитывать состояния всех трех проводящих фаз и более

широкими возможностями при выборе алгоритма коммутации сило-

вых ключей. В-третьих, датчики тока могут устанавливаться не в каж-

дую фазу, а по

одному на пару фаз, относящихся к одной «стойке» си-

ловой схемы, так как области проводимости фаз «стойки» не пересе-

каются. В-четвертых, число проводников, соединяющих пре-

образователь и двигатель при использовании в качестве датчика тока

датчика Холла с окном для пропускания проводников с током, равно

),,(

γβα

III

308

, а не . Под «стойкой» силовой схемы 6-фазного ВИП понима-

ется совокупность двух транзисторов, двух обратных диодов и двух

коммутируемых ими обмоток двигателя, работающих в противофазе

друг другу. Силовая схема (см. рис.5.7,б) имеет три «стойки», вклю-

чающие в себя:

1) «стойку»

α : , обмотки фаз 1, 4;

4141

,,, VDVDVTVT

2) «стойку»

β : , обмотки фаз 3, 6;

6363

,,, VDVDVTVT

3) «стойку»

: , обмотки фаз 5, 2.

2525

,,, VDVDVTVT

С учетом допущения 0=

γβα

III общее количество датчи-

ков тока можно уменьшить до двух.

Рассмотрим более подробно алгоритм регулирования тока и фор-

мирования управляющих воздействий 6-фазного ВИП со средней точ-

кой (рис.16.2). Входными сигналами алгоритма являются заданные и

реальные токи ИД в преобразованной системе координат

),,(

вектор номеров проводящих фаз

, компонен-

тами которого являются номера фаз, проводящих токи в «стойках»

),,(

___

γβα

ccc

NNN

,, соответственно. Выходными сигналами алгоритма является

6-компонентный вектор состояния транзисторов преобразователя

. ),,,,,(

654321 VTVTVTVTVTVT

SSSSSS

Сигналы

принимают состояния логической единицы,

если транзисторы включены, и логического нуля, если транзисторы

выключены. Пороговые величины

...

VTVT

, как и ранее, определяют

уровень токовых ошибок в скользящем режиме слежения за заданным

током и момент перехода с алгоритма управления, использующего ну-

левые векторы выходного напряжения, к алгоритму управления, ис-

пользующему максимальный ресурс источника питания. Функция

Odd

возвращает логическую единицу при нечетном значении своего цело-

численного аргумента.

Транзисторы каждой «стойки» преобразователя могут находиться

в четырех различных состояниях, три из которых являются разрешен-

ными при формировании алгоритма управления и одно – запрещен-

ным. Состояние, когда оба транзистора «стойки» включены, запреще-

но исходя из критерия минимизации числа переключений преобразо-

вателя.

Три разрешенных состояния транзисторов «стойки», а именно

верхний – включен, нижний – выключен; верхний – выключен, ниж-

ний – включен; оба выключены, обеспечивают формирование всех ее

состояний, необходимых для синтеза желаемого алгоритма управле-

ния. Таким образом, всего из 2

=64 возможных состояний силовых

309

ключей 6-фазного ВИП при формировании алгоритма управления бу-

дем использовать 3

=27 различных состояния, из которых 12 являются

нулевыми, т.е. приводящими к нулевым межфазным напряжениям, а

остальные – значащими с межфазными напряжениями, принимающи-

ми значения

0,,

−

+ .

kzkk

III

−

∆

)()()(

222

111

δ−<∆δ−<∆δ−<∆

δ>

∆

γβα

IorIorI

orIorIorI

0>∆

1)(

NOdd

)(

)()(

δ−<∆

−

∆

−

<∆

βα

Ior

IorI

Выбор

нулевого

вектора

состояния

Оба

транзистора

k-й "стойки"

выключены

Верхний

транзистор

k-й "стойки"

выключен,

нижний -

включен

Верхний

транзистор

k-й "стойки"

включен,

нижний -

выключен

Выбор значащего

вектора состояния

Вектор состояния

преобразователя

,,k

Рис.16.2. Алгоритм регулирования тока и формирования управляющих

воздействий 6-фазного ВИП

310