Учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла
Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Контрольные вопросы и тесты по дисциплинам кафедры прецизионных технологий и сертификации, 1388.52kb.
- Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
- Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 454.51kb.
- Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 783.58kb.
- Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 794.09kb.
- Положение об областной студенческой олимпиаде по дисциплинам инженерно-графического, 55.17kb.
- Е. Г. Непомнящий Учебное пособие Учебное пособие, 3590.49kb.
- Учебное пособие Сыктывкар 2002 Корпоративное управление Учебное пособие, 1940.74kb.
- Учебное пособие г. Йошкар Ола, 2007 Учебное пособие состоит из двух частей: «Книга, 56.21kb.
2.1 Общий принцип векторного управления АД.
Как известно, полная управляемость электропривода обеспечивается, если обеспечивается управление электромагнитным моментом двигателя. В случае АД для построения системы управления можно использовать выражения (1.5.5)–(1.5.6) и другие производные от этих выражений. Для этого требуется независимо управлять координатами векторов, входящих в выбранное уравнение электромагнитного момента. Выбор уравнения для построения системы управления играет большую роль, т.к. многие величины, в особенности у короткозамкнутых АД, не могут быть измерены. Кроме того, этот выбор существенно влияет на сложность передаточных функций системы, иногда в несколько раз увеличивая порядок уравнений. Однако при любом выборе структура выражения электромагнитного момента будет аналогичной (1.5.7) и общий принцип моделирования и построения системы управления АД заключается в том, что для этого используется система координат, постоянно ориентированная по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Тогда проекция этого вектора на другую ось координат и соответствующее ей слагаемое в выражении для электромагнитного момента будут равны нулю, и формально оно принимает вид, идентичный выражению для электромагнитного момента двигателя постоянного тока, который пропорционален по величине току якоря и основному магнитному потоку.
Выбор вектора, по направлению которого ориентируется координатная система, произволен и определяется только простотой и возможностью реализации модели АД. Например, в случае ориентации по потокосцеплению ротора (

![]() ![]() | (2.1.1) |
Очевидно, что первое выражение для управления короткозамкнутым АД не представляет интереса, т.к. включает практически неподдающийся измерению и управлению ток ротора, в то время как второе, позволяет при условии постоянства потокосцепления ротора управлять электромагнитным моментом изменением проекции тока статора на поперечную ось i1q.
Таким образом, для построения системы векторного управления АД нужно выбрать вектор, относительно которого будет ориентирована система координат, и соответствующее выражение для электромагнитного момента, а затем определить, входящие в него величины из уравнений (1.5.3) для цепи статора и/или ротора.
2.2. Модель АД, управляемого током статора, в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора.
Если в качестве опорного вектора выбрать потокосцепление ротора и ориентировать по нему координатную систему так, чтобы ее вещественная ось совпадала с направлением 2,то угловая частота вращения системы координат (mn)= (dq) будет равна угловой частоте питания статора 1, т.к. векторы потокосцеплений статора и ротора вращаются с одинаковой частотой. Тогда из уравнения (1.5.3) для цепи ротора и с учетом того, что 1 = 2, уравнение ротора имеет вид
![]() | (2.2.1) |
В это уравнение в качестве переменной входит неконтролируемый ток ротора. Поэтому из выражения (1.2.8 б) для потокосцепления 2 найдем

![]() | (2.2.2) |
Преобразуем уравнение (2.2.2) по Лапласу и введем в него электромагнитную постоянную времени ротора

![]() | (2.2.3) |
Отсюда найдем проекции вектора тока статора с учетом того, что 2q=0
![]() | (2.2.4) |
а также потокосцепление и угловую частоту ротора
![]() | (2.2.5) |
Таким образом, с помощью проекции тока статора i1d можно управлять потокосцеплением ротора и передаточная функция этого канала соответствует апериодическому звену с постоянной времени равной постоянной времени ротора; а с помощью проекции i1q можно независимо и безинерционно управлять частотой ротора 2.
Подставляя i1q в выражение (2.1.1), получим
![]() | (2.2.6) |
т.е. частота токов ротора при заданном потокосцеплении определяет электромагнитный момент АД.
В

Из выражения (2.2.6) следует, что при постоянном потокосцеплении и частоте ротора электромагнитный момент АД также является константой и не зависит от частоты вращения, т.е. при изменении частоты вращения в любых пределах частота статора 1 изменяется таким образом, чтобы выполнялось условие – 1– = 2=const. При этом АД обладает абсолютно мягкой механической характеристикой.
В



Выражения (2.2.4)–(2.2.6) определяют связь между проекциями тока статора на оси координат, потокосцеплением, частотой ротора и электромагнитным моментом АД. Из выражения (2.2.6) и уравнения движения следует, что управление моментом может осуществляться безинерционно двумя входными сигналами: потокосцеплением и частотой ротора в соответствии со структурной схемой рис. 2.2. Но эти сигналы связаны с проекциями вектора тока статора выражениями (2.2.5). Поэтому, если построить блок управления, реализующий передаточные функции в соответствии с выражениями (2.2.4), и называемый блоком развязки координат (РК), а также ротатор, вращающий вектор тока статора в направлении противоположном действию внутреннего ротатора АД (рис. 2.3), то входными сигналами для этого устройства управления будут потокосцепление и частота ротора. Название блока развязки координат происходит от выполняемой им функции формирования сигналов, соответствующих независимым (развязанным, разделённым) проекциям вектора тока статора.
П


Из выражения для электромагнитного момента (2.2.6) и общего уравнения движения можно получить передаточную функцию АД по каналу управления частотой ротора
![]() | (2.2.7) |
где

Следует отметить, что устройство управления рис. 2.3 может выполнять свои функции только при условии, что параметры АД, входящие в передаточные функции его звеньев соответствуют истинным значениям, в противном случае потокосцепление и частота ротора в АД и в устройстве управления будут отличаться друг от друга. Это обстоятельство создает значительные трудности при реализации систем векторного управления на практике, т.к. параметры АД изменяются в процессе работы. В особенности это относится к значениям активных сопротивлений.
2.3. Модель АД, управляемого напряжением статора, в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора.
Управление АД можно осуществлять также с помощью проекций вектора напряжения статора на оси d-q. Для этого нужно получить модель АД, в которой входными величинами являются u1d и u1q.
Если координатная система вращается вместе с потокосцеплением ротора, то ее угловая частота равна 1, поэтому, полагая в (1.5.3 а) (xy) = 1, получим уравнение статора в системе координат d-q:
![]() | (2.3.1) |
а затем, выразив ток ротора

![]() | (2.3.2) |
где:



Подставляя (2.3.2) в (2.3.1) и преобразуя это уравнение по Лапласу, получим
![]() ![]() | (2.3.3) |
Разделив проекции векторов на оси d и q в уравнении (2.3.3), мы получим с учетом того, что 2q=0, выражения для проекций напряжений статора, представленные через проекции токов статора –


Отсюда найдем выражения для проекций тока статора i1d и i1q
![]() | (2.3.4а) |
![]() | (2.3.4б) |
и

Для приведения ее структуры к структуре рис. 2.2 нужно построить устройство управления с функциями аналогичными устройству управления привода с заданием тока статора. С этой целью можно использовать выражения (2.2.4), подставляя, которые в (2.3.4) получим передаточные функции блока развязки координат в виде:
![]() | (2.3.5а) |
![]() | (2.3.5б) |

![]() | (2.3.6) |
Тогда выражения (2.3.5) преобразуются к виду:
Структурная схема устройства управления, в котором реализованы эти функции приведена на рис. 2.5. Оно существенно сложнее, чем устройство управления для системы c формированием тока статора АД (см. рис. 2.3). Кроме того, в нем использованы приближенные выражения (2.3.7), вносящие ошибку в динамических режимах, если не выполняются условия (2.3.6).
2.4. Основные элементы систем векторного управления АД.
2.4.1. Усилитель мощности релейного типа.
Н


Для правильной работы системы векторного управления УМ должны обладать единичной передаточной функцией, т.к. ошибка формирования тока или напряжения вызывает нарушение ориентации соответствующего вектора. На практике достаточно, чтобы частота коммутации УМ при всех режимах работы системы приблизительно на порядок превосходила частоту основной гармоники.
При рассмотрении структурных схем векторного управления было отмечено, что системы с формированием тока статора существенно проще в реализации. В свою очередь, в дискретном УМ формирование тока статора проще всего выполнить с помощью релейной системы управления, показанной на рис. 2.7. В ней управление силовым ключом S осуществляется двухпозиционным релейным элементом с гистерезисом таким образом, что на статорную обмотку подается положительное или отрицательное постоянное напряжение

![]() ![]() | (2.4.1) |
где

В интервалах между коммутациями S УМ представляет собой линейную систему, передаточную функцию которой можно получить из уравнения статора в неподвижной системе координат (1.4.2)

![]() | (2.4.2) |
где:


Из выражения для переходной индуктивности статора



Перейдем в векторном уравнении (2.4.2) к проекциям на оси координат , совместив вектор напряжения статора с осью , тогда:
![]() | (2.4.3 а) |
![]() | (2.4.3 б) |
Проекции векторов на ось , совмещенную с осью фазной обмотки a статора, являются реальными величинами. При достаточно малом значении гистерезиса реле () коммутация ключей будет происходить с высокой частотой, поэтому можно считать, что в интервале между коммутациями напряжение, создаваемое потоком ротора остается неизменным, т.е.

![]() | (2.4.4) |
где




Выражение (2.4.4) можно упростить с учетом того, что длительности межкоммутационных интервалов существенно меньше постоянной времени. Поэтому экспоненту в первом слагаемом можно заменить касательной к ней в начальной точке, а второе слагаемое считать константой, пренебрегая его изменением за время

![]() | (2.4.5) |
Знаки перед





Временные диаграммы работы УМ в соответствии с (2.4.5) приведены на рис. 2.9.
И





Усилитель мощности с релейным элементом можно считать безинерционным звеном с единичной передаточной функцией, если число коммутаций за период формируемого тока не менее 20 30, а гистерезис релейного элемента не более 5 7% максимального значения тока.
