Семыкина И.Ю. Бездатчиковое управление асинхронными электроприводами - файл n1.doc

приобрести
Семыкина И.Ю. Бездатчиковое управление асинхронными электроприводами
скачать (1042.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1043kb.19.09.2012 17:20скачать

n1.doc



Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет»

Кафедра электропривода и автоматизации

БЕЗДАТЧИКОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Методические указания для самоподготовки студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Составитель И.Ю. Семыкина

Утверждены на заседании кафедры

Протокол №  3 от 31.01.2008

Рекомендованы к публикации

учебно-методической комиссией

специальности 140604

Протокол №  4 от 1.02.2008

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ 

Кемерово 2008

Оглавление

1. Введение в бездатчиковые системы

2. Скалярное управление

3. Наблюдатели магнитного состояния

3.1. Назначение моделей

3.2. Модель ротора

3.3. Модель статора классическая

3.4. Модель статора с коррекцией

4. Наблюдатели скорости

4.1. АСЭМ по потокосцеплению ротора

4.2. АСЭМ по ЭДС ротора

5. Векторное управление с ориентированием по полю ротора

5.1. Ориентирование по полю ротора

5.2. Управление с использованием АСЭМ

5.3. Прямое управление напряжением статора

5.4. Управление с применением модели статора

6. Векторное управление с ориентированием по полю статора

Контрольные вопросы

Список сокращений и обозначений

 Список литературных источников

Об авторах

Цели и задачи работы

Целью работы является ознакомление студента с теоретическими основами построения систем бездатчикового управления асинхронными электроприводами, исследование особенностей их настройки и определение взаимосвязей параметров систем управления с качеством обеспечиваемых переходных процессов.

После ознакомления с изложенным теоретическим материалом студент должен иметь представление о структуре бездатчикового электропривода, что необходимо для дальнейшего изучения рассмотренных систем бездатчикового электропривода с помощью компьютерного моделирования в рамках практических занятий.

Проверка уровня освоения материала проводится студентом самостоятельно по ответам на контрольные вопросы.

Введение в бездатчиковые системы асинхронного электропривода

Асинхронный электропривод в силу своих особенностей часто выступает в качестве объекта для идентификации. Для различных целей может быть необходима как оценка параметров двигателя (например, индуктивных или активных сопротивлений), так и оценка его переменных (скорости, момента, потокосцеплений).

Достаточно большая часть исследований, проводимых в этой области, направлена на идентификацию параметров и переменных асинхронного двигателя, основываясь толькона информации об его электрических переменных, не используя информацию о механических переменных (угловой скорости или положения).

В электроприводах, предусматривающих регулирование скорости, основное назначение систем идентификации состоит в определении угловой скорости двигателя при отсутствии датчиков скорости на его валу без ухудшения динамических свойств системы управления.

Преимущества асинхронного бездатчикового электропривода заключаются в следующем:

К тому же для работы в неблагоприятных условиях в основном требуются двигатели без датчика скорости.

Существует очень много разнообразных решений для построения асинхронных бездатчиковых электроприводов. Многие из них появились в последнее десятилетие. Здесь термин "бездатчиковый" означает отсутствие в системе электропривода датчика скорости, однако датчики электрических величин (тока или напряжения) в системе присутствуют обязательно.

Область применения систем управления, не использующих датчик скорости, можно изобразить схематически  (рис.1).

Рис. 1.  Область применения бездатчиковых систем 


Большинство бездатчиковых систем управления нуждается только в алгоритмах оценки скорости. Оценка скорости получила достаточно широкое распространение при скалярном управлении по закону U/f=const. Однако такие системы управления не обеспечивают высоких показателей качества электропривода в динамических режимах работы.

Высокие показатели качества в динамических режимах работы обеспечиваются за счет полеориентированного, или векторного, управления, в котором пространственное расположение векторов тока и потокосцепления определяет весь набор динамических свойств асинхронного двигателя.

Пространственное расположение магнитного поля, а следовательно, и угол полеориентирования сложно измерить. Для приблизительной оценки этой переменной существуют различные типы моделей и алгоритмов.

Математические модели статора и ротора асинхронного двигателя описывают его поведение, а значит, зная токи и напряжения, можно оценить величины векторов потокосцеплений.

Адаптивное управление с эталонной моделью, фильтр Кальмана и другие методы этого класса для оценки так же используют математическую модель двигателя, но они несколько более сложны по структуре.

Под паразитными эффектами понимается использование для оценки переменных и параметров двигателя тех его свойств, которые, как правило, не учитываются при составлении его математической модели (имеются в виду допущения). Наиболее часто используемыми свойствами являются несимметричность обмоток (их разная индуктивность по разным осям), неоднородность магнитной проницаемости (так называемые зубцовые гармоники) или высокочастотные гармонические составляющие тока, которые создаются преобразователем частоты.

Управление с ориентированием по полю двигателя может осуществляться либо относительно поля ротора, либо относительно поля статора. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, которые мы рассмотрим далее.

При изучении бездатчиковых систем вводится специальное обозначение ŷ. Оно показывает, что величина у не измерена, а оценена каким-либо методом. В одной и той же системе может встретиться сразу и у и ŷ. Необходимо понимать, что это одна и та же величина, но полученная разными способами.
Скалярное управление

Одним из способов управления сложными и нелинейными АД в приводах с регулируемой скоростью является применение закона U/f=const,  который обеспечивает поддержание потокосцепления статора на номинальном уровне в основном диапазоне изменения скорости. При увеличении скорости происходит ослабление поля, а при снижении – падает перегрузочная способность.

Если закон управления U/f=const применять в разомкнутых системах, угловая скоростьАД ? при работе под нагрузкой будет отличаться от заданного значения ?* на величину частоты скольжения ?2 (частота скольжения равна круговой электрической частоте тока ротора). Максимальная ошибка скорости определяется номинальным скольжением.

К достоинствам этих приводов можно отнести их высокую устойчивость. Они работают устойчиво даже при критически низких скоростях, где векторное управление не в состоянии поддержать стабильность.

Улучшения динамических свойств приводов с законом управления U/f=const можно добиться за счет введения в структуру системы управления обратных связей (рис. 2).

Рис. 2.  Система скалярного управления


 Ключевая величина в этой системе управления – активный ток статора i1акт. Он вычисляется в неподвижной системе координат по формуле



где  – угловое положение вектора напряжения статора относительно неподвижной системы координат, получаемое в результате интегрирования частоты вращения поля ?0.

Активный ток статора пропорционален моменту. Соответственно задание активного тока формируется как выходной сигнал регулятора скорости.

Оценка скорости производится с использованием частоты вращения поля ?0, получаемой на выходе регулятора тока, и активного тока статора i1акт, который пропорционален частоте скольжения.

Номинальная величина активного тока статора соответствует номинальной частоте скольжения ?. В этом случае оцененная величина угловой скорости вычисляется как



где



Необходимо обратить внимание, что зависимость частоты скольжения от активного тока принята линейной. Однако это справедливо только для линейного участка механической характеристики АД. Следовательно, в динамических режимах (например, при пуске) этот метод оценки скорости будет иметь существенную ошибку.

 Внутренняя обратная связь по активному току статора с ограничением его заданного значения (это ограничение формируется внутри регулятора скорости) предназначена для предотвращения работы двигателя при повышенной нагрузке.

Дополнительный сигнал коррекции – положительная обратная связь по току статора – компенсирует внутреннее падение напряжения на активном сопротивлении статора двигателя. Таким образом, закон управления может быть записан как (U-IR)/f=const. Компенсация падения напряжения на активном сопротивлении статора делает амплитуду вектора потокосцепления статора не зависящей от частоты, что позволяет обеспечить постоянную перегрузочную способность.
Наблюдатели магнитного состояния

 

  1. Назначение моделей

  2. Модель ротора

  3. Модель статора классическая

  4. Модель статора с коррекцией
     

Модели двигателя

Модели двигателя используются для оценки его угловой скорости в электроприводах с полеориентированным  управлением. Структура и параметры модели и моделируемой системы должны преимущественно совпадать. Однако параметры моделей не всегда хорошо согласовываются с параметрами двигателя, они могут значительно изменяться с изменением температуры или рабочей точки машины, поэтому существует ряд бездатчиковых систем управления, выполняющих помимо оценки скорости идентификацию параметров двигателя.

Для определения углового положения поля можно использовать как модель обмотки статора, так и модель обмотки ротора. Каждая модель имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Модель обмотки ротора

Модель обмотки ротора предназначена для определения вектора потокосцепления ротора ?2на основе информации о токе статора и угловой скорости двигателя. В неподвижной системе координат эта модель имеет вид:



где Т2=L2/R2Обратите внимание на то, что в качестве переменных состояния здесь выбраны ток статора и потокосцепление ротора, в связи с чем уравнение обмотки ротора представляется в форме, отличной от той, которую рассматривают в курсе теории электропривода.

На блок-схеме модели обмотки ротора (рис. 3) входными сигналами  являются измеряемые величины вектора тока статора и угловой скорости.
Рис. 3. Модель обмотки ротора в неподвижной системе координат


Выходными сигналами являются амплитуда ?2вектора потокосцепления ротора, и аргумент  этого вектора, т.е. угол полеориентирования ?.

Поскольку для модели обмотки ротора необходима информация об угловой скорости двигателя, ее применение в бездатчиковых электроприводах ограничено.

Точность модели обмотки ротора определяется точностью определения входящих в нее параметров, в особенности постоянной времени ротора, зависящей от значительно изменяющегосяR2. Постоянная времени ротора определяет точность оценки угла полеориентирования, а т.к. это наиболее критичная величина в приводах с векторным управлением, применение модели ротора может привести к ошибкам регулирования. Другой параметр модели – взаимная индуктивность – является коэффициентом и не оказывает влияния на угловое положение поля, влияя лишь на амплитуду вектора потокосцепления, что не критично для качества оценки.

Модель обмотки статора

Модель обмотки статора используется для оценки вектора потокосцепления статора и вектора потокосцепления ротора без необходимости знать угловую скорость. Поэтому такая модель двигателя предпочтительнее для применения в системах бездатчикового управления. В неподвижной системе координат модель статора записывается как



Для определения вектора потокосцепления ротора используются выражения связи между токами и потокосцеплениями. В итоге потокосцепление ротора из модели обмотки статора определяется как



где





Применение модели статора в представленном виде ограничено, поскольку на практике во входных сигналах присутствуют ошибки, а при аппаратном исполнении интегрирующего звена присутствует явление неоднозначности и дрейфа нуля. Сложность заключается в том, что интегрирующее звено обладает свойством накапливания низкочастотных ошибок, что приводит к невозможности оценки вектора потокосцепления.

Для устранения связанных с этим проблем интегрирующее звено, присутствующее в модели статора, заменяется одноемкостным (рис. 4), частота сопряжения которого не должна превышать 1/Т1 (Т1=L1/R1).

Рис. 4. Модель обмотки статора в неподвижной системе координат:

 блок-схема и частотные характеристики


Частотные характеристики (рис. 4) показывают, что звено первого порядка ведет себятак же, как интегрирующее звено, для частот, превышающих частоту сопряжения. Надо отметить, что частота сопряжения 1/Т1  – это "верхний предел". При замене интегрирующего звена на эквивалентное по свойствам одноемкостное, уменьшение частоты сопряжения приводит к увеличению точности модели, в то время как увеличение частоты сопряжения вызывает существенные погрешности оценивания в динамических режимах.

Наиболее важным параметром модели статора является активное сопротивление статора R1, которое увеличивается при увеличении температуры и может значительно изменяться. Однако сопротивление статора, в отличие от R2, относительно легко поддается контролю, поэтому для практических задач применение модели статора предпочтительнее, чем модели ротора.

Модель обмотки статора с коррекцией работы на низких скоростях

При использовании рассмотренной модели статора проблемы, связанные с непосредственным интегрированием, устраняются применением одноемкостного звена. Но это вызывает значительное снижение коэффициента передачи по потокосцеплению ротора на низких скоростях и, как следствие, значительные ошибки оценивания. Ошибки на низких скоростях возникают в связи с тем, что для уменьшения скорости необходимо снизить частоту вращения поля, и, следовательно, рабочий диапазон частот сместится в зону ниже частоты сопряжения.

Чтобы избежать подобных эффектов, в системах векторного управления с выделенным каналом регулирования потокосцепления ротора вектор потокосцепления ротора может оцениваться с помощью двух компонентов ?21 и ?22.Составляющая ?21 оценивается непосредственно из модели статора, а ?22 определяется из заданного значения потокосцепления ротора (рис. 5).

Рис. 5. Модель обмотки статора с коррекцией на низких скоростях


На высоких частотах при оценке вектора потокосцепления ротора преобладает ?21, а на низких оказывает влияние ?22. За счет этого обеспечиваются высокая работоспособность и стабильность, хотя и не обеспечивается высокая точность в динамических режимах работы.

В таком модифицированном наблюдателедополнительно имеется возможность по заданному значению потокосцепления определять активный ток статора i1q. Этот ток определяется как



и не зависит от того, насколько корректно оценён вектор потокосцепления ротора, а значит даже в динамических режимах не будет влиять на точность оценки других переменных, например скорости.
Наблюдатели скорости

 

  1. АСЭМ по потокосцеплению ротора

  2. АСЭМ по ЭДС ротора

 

Адаптивная система с эталонной моделью, использующая потокосцепление ротора

Адаптивная система с эталонной моделью использует совместно две модели АД, имеющие разную структуру, для  определения каких-либо переменных состояния, основываясь на различных внутренних и входных переменных, например модель статора и модель ротора. Обе эти модели рассматриваются в неподвижной системе координат.

В АСЭМ по потокосцеплению ротора (рис. 6) классическая модель статора, которую мы рассмотрели ранее, служит эталонной моделью.

Рис. 6. Адаптивная система с эталонной моделью для оценки скорости:

направляющая величина - вектор потокосцепления ротора


Ее выходной сигнал – это оцененное значение вектора потокосцепления ротора, где верхний индекс (S)показывает, что потокосцепление ротора определяется из модели статора.

Модель ротора является приспосабливаемой. Ее выходной сигнал – это также оцененное значение вектора потокосцепления ротора, где верхний индекс (R) показывает, что потокосцепление ротора определяется из модели ротора. Эта модель оценивает потокосцепление ротора через измеряемый ток статора и оцененную угловую скорость.

Принцип оценивания скорости с помощьюАСЭМ заключается в том, что потокосцепление ротора, оцененное с помощью модели статора, считается истинным. В самом начале процесса оценивания потокосцепление ротора, оцененное с помощью модели ротора, отличается от эталонного, т.к. скорость на выходе системы равна нулю.

Скалярный сигнал ошибки е, возникающий при сравнении двух оцененных потокосцеплений ротора, определяется как



Очевидно, что при полном совпадении оцененных потокосцеплений ротора он будет равен нулю, но полное совпадение возможно, только если в модели ротора при оценке использовалось верное значение скорости, т.е. та скорость, с которой двигатель действительно вращается. Исходя из этого, оцененная скорость определяется пропорционально интегральным (ПИ) регулятором из сигнала ошибки. Так как сигнал ошибки е приПИ-регулировании в режимах, близких к статическим, принимает минимальное значение, то оцененная скорость ротора приближается к реальной скорости двигателя.

Однако при использовании этой адаптивной системы с эталонной моделью имеется несколько недостатков.

Поскольку в модели статора интегрирующее звено заменяется одноемкостным, имеющим аналогичные свойства на высоких скоростях,ошибки, возникающие в результате влияния низкочастотных шумов или дрейфа параметров, ликвидируются, но в этом случае ниже частоты сопряжения одноемкостного звена (? 1-3 Гц) оценка скорости становиться существенно неточной, т.к. модель статора является эталонной.

Тем не менее оценка скорости при изменении направления вращения с кратковременным прохождением скорости через ноль возможна, если этот процесс происходит достаточно быстро для того, чтобы одноемкостное звено не успело воздействовать на величину ошибки. Однако если привод работает долгое время только при близких к нулевым частотах статора, потокосцепление  на выходе модели статора оценивается неверно и теряется возможность определения скорости.

Помимо этого, значительной сложностью является настройка параметров ПИ-регулятора, поскольку для этого не существует специальной методики, такой как, например, подчиненное регулирование.

Адаптивная система с эталонной моделью, использующая ЭДС ротора

Адаптивная система с эталонной моделью, основанная на векторе ЭДС, точнее, чем основанная на векторе потокосцепления ротора, и даёт возможность альтернативного решения проблем, связанных с непосредственныминтегрированием. В неподвижной системе координат ЭДС ротора определяется вектором потокосцепления ротора по уравнению



Таким образом,  информация об ЭДС ротора может быть получена через ток и напряжениестатора двигателя без необходимости в интегрировании. Следовательно, это уравнение можно использовать как эталонную модель. Приспосабливаемая модель определяется из уравнения модели обмотки ротора:



На блок-схеме АСЭМ по ЭДС ротора (рис. 7) в эталонной модели отсутствует прямое интегрирование и, в отличие от системы, основанной на потокосцеплении ротора, здесь нет фильтров нижних частот, создающих ограничение величины выходного сигнала.

Рис. 7. Адаптивная система с эталонной моделью для оценки скорости:

направляющая величина - ЭДС ротора


Однако, согласно уравнению модели статора, здесь должно быть выполнено дифференцирование вектора тока статора, что несет в себе ряд сложностей практического характера, связанных с ухудшением точности оценки ЭДС ротора, возникающих из-за усиления высокочастотных гармонических составляющих тока статора, генерируемых ШИМ.

Векторное управление с ориентированием по полю ротора

 

  1. Ориентирование по полю ротора

  2. Управление с использованием АСЭМ

  3. Прямое управление напряжением статора

  4. Управление с применением модели статора
     

Ориентирование по полю ротора

Полеориентированное управление, также называемое векторным, организуется с использованием системы координат (d,q), постоянно ориентированной по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Часто в качестве такого вектора выбирают потокосцепление ротора.

При ориентировании системы управления по полю ротора часто используется токовое управление асинхронным двигателем, поскольку в полеориентированной системе координат амплитуда потокосцепления ротора полностью определяется составляющей тока статора i1d, а составляющая тока статора i1q создает электромагнитный момент, что дает возможность разделить каналы регулирования момента и магнитного потока.

Если частота модуляции ШИМ не ниже 1 кГц,то диапазон рабочих частот системы регулирования тока определяется величиной переходной постоянной времени:



где







По сравнению с переходной постоянной времени электромагнитная постоянная времени ротора и электромеханическая постоянная времени значительно больше, поэтому в управлении по току пренебрегают всеми возмущениями, которые могут возникнуть при переходных процессах в двигателе. Как следствие, система описывается только уравнениями ротора и скалярными уравнениями механической подсистемы.

В полеориентированной системе координат уравнение ротора двигателя запишется как



Обратите внимание, когда мы рассматривали модель ротора, в аналогичном уравнении присутствовала угловая скорость ротора ?, в этом же уравнении присутствует частота скольжения ?2. Это связано с тем, что данное уравнение рассматривается в полеориентированной системе координат.

В этом уравнении вектор тока статора участвует как входное управляющее воздействие. Его величина определяется комплексным сигналом задания, поступающим от контура регулирования тока статора.

Существует достаточно большое количество систем управления с ориентированием по полю ротора. Рассмотрим некоторые из них.

Управление с использованием АСЭМ

Бездатчиковое регулирование скорости АД может быть организовано с использованиемадаптивной системы с эталонной моделью (рис. 8).

Рис. 8. Система регулирования скорости с использованием АСЭМ


С ее помощью получают оцененную скорость и амплитуду потокосцепления ротора. Регулятор скорости вырабатывает сигнал частоты скольжения, который управляет амплитудой вектора тока статора и его угловым положением:





 Эти величины необходимо изменять в зависимости от частоты скольжения, чтобы обеспечить нормальную работу АД на всем диапазоне нагрузок, поскольку при питании двигателя от источника тока с постоянной амплитудой и углом сдвига фаз, при увеличении момента сопротивления, вследствие размагничивающего действия ротора, может произойти опрокидывание двигателя.

Основным достоинством этой системы является то, что точность ориентации создаваемого вектора тока статора поддерживается, даже если величинаТ2 в модели ротора будет отличаться от своего истинного значения, поскольку эталонной является модель статора. Данная система более чувствительна к изменению сопротивления статораR1.

Прямое управление напряжением статора

В системе с прямым управлением напряжением статора асинхронного двигателя это напряжение определяется из математической модели обмотки статора в статическом режиме работы, записанной в полеориентированной системе координат:



и используется как основное управляющее воздействие. Поэтому через собственную модель двигатель позволяет инвертору дублировать напряжение статора для получения рабочей точки. Этот процесс может быть характеризован как самоуправление.

Основное управляющее воздействие на схеме системы электропривода (рис. 9), представленное в виде уравнений, выделенных рамкой, позволяет поддерживать потокосцепление ротора двигателя на заданном уровне за счет поддержания постоянного тока i1d*. Такое управляющее воздействие является достаточным в статических режимах работы. Однако возникающие в динамических режимах ЭДС статора и ротора приведут к отклонениям i1d от заданного значения, поэтому основное управляющее воздействие суммируется с сигналом коррекции, полученным на выходе регулятора в контуререгулирования тока i1d.

Канал регулирования скорости представляет собой двухконтурную систему подчиненного регулирования. Оцененная скорость, использующаяся как обратная связь внешнего контура, вычисляется как разница между частотой вращения поля и оцененной частотой скольжения, которая пропорциональна току i1q:



Сигнал i1qопределяется как выходной сигнал регулятора скорости. Учитывая, что при увеличении момента, согласно механической характеристике, скорость падает, необходимо увеличивать угловую скорость путем увеличения ?0.Следовательно, угол полеориентирования может быть определен с помощью интегрирования сигнала на выходе регулятора i1q.

Хотя описываемая система содержит как регулятор тока i1d, так и регулятор тока i1q, внутренняя перекрестная связь между входными переменными и переменными состояния двигателя в динамических режимах не исключается, как это предполагается при рассмотрении векторного управления в теории. Причина в том, что положение вращающейся системы координат определяется не с помощью непосредственно положения вектора потокосцепления ротора, а с помощью рассогласования тока по оси q, которое, пройдя регулятор тока i1q, ускоряет или замедляет систему координат.

Рассмотрим небольшие отклонения вращающейся системы координат от вектора потокосцепления ротора. Предположим, что величина скорости изменяется при внезапном увеличении момента нагрузки Мс. Последующее за этим уменьшение скорости ? увеличит частоту скольжения ?2. Вследствие разной интенсивности протекания электрических и механических переходных процессов возникает составляющаяЭДС ротора d?2q/d?, которая при точном полеориентировании должна равняться нулю. Одновременно с этим возникает противодействующая ЭДС статора. Как следствие,i1q увеличивается, система координат замедляется, в результате чего после задержки, обусловленной переходной постоянной времени, составляющаяЭДС ротора d?2q/d? возвращается к первоначальному нулевому значению. Однако до этого момента полеориентирование нарушено. Аналогичный эффект оказывает изменение заданной скорости ?*. Оба эти нежелательные нарушения полеориентирования ликвидируются добавлением сигнала пропорционального di1q/d? к выходному сигналу регулятора тока i1q. Этот компенсационный канал помечен буквой А (рис. 9).

Изменение вектора ЭДС ротора также повлияет на изменение тока статора. Отклонения от полеориентирования, кроме составляющей ЭДСротора d?2q/d?, порождают также отличную от нуля величину ?2q.  До тех пор, пока управление напряжением статора будет осуществляться согласно статическому уравнению двигателя, исходя из предположения о правильном полеориентировании системы координат, такие отклонения будут требовать дополнительной коррекции сигнала, формирующегося регуляторомi1d. Эта коррекция заключается в воздействии на величину напряжения u1q* с помощью постоянного коэффициента kq. Описанный канал помечен буквой В (рис. 9).

 Рис. 9. Прямое управление напряжением статора


Управление с применением модели статора

Один из способов создания бездатчиковой системы векторного управления – это использование модели статора, включающей коррекцию на низких скоростях (рис. 10).

Рис. 10. Управление скоростью с использованием корректированной модели статора


Верхняя часть структурной схемы электроприводапредставляет собой классическую структуру, в которой регуляторы скорости и потокосцепления ротора создают направленный вектор тока в полеориентированной системе координат.

Оценивание скорости базируется на отклонении в ориентировании системы координат, которое определяется как разница между измеренным значением i1q и заданной величинойi1q*. Сигнал ошибки поступает на ПИ-регулятор, выходной сигнал которого оценивает механическую скорость. Фактически к текущей оцененной величине ПИ-регулятор добавляет текущую  частоту скольжения ?2.

Принцип оценивания заключается в том, что ток i1q пропорционален текущему электромагнитному моменту и, следовательно, моменту сопротивления, а ток i1q* пропорционален заданному электромагнитному моменту. Поскольку уравнение равновесия механической подсистемы двигателя записывается как



то, если пропустить через правильно настроенный ПИ-регулятор разницу токов i1q* и i1q, выходной сигнал регулятора будет пропорционален скорости.

Оцененная скорость складывается с оцененной частотой скольжения, определяемой с помощью заданных величин i1q* и ?2*. Интегрирование полученной в результате сложения частоты вращения поля ?0 даёт угол полеориентирования ?.

Векторное управление с ориентированием по полю статора

Управление с ориентированием по полю статора имеет тот же принцип, что и при ориентировании по полю ротора и также может использоваться при создании бездатчиковых систем управления. Егопредпочтительно использовать совместно с моделью статора. Эта модель, как мы рассматривали ранее, может оценивать непосредственно вектор потокосцепления статора.

Уравнение ротора двигателя, выраженное через ток статора и потокосцепление статора, в системе координат ориентированной по потокосцеплению статора, выглядит как



Вектор потокосцепления статора вполеориентированной системе координатсонаправлен с реальной осью, то есть ?1q=0. С учетом этого, уравнение обмотки ротора по оси qтрансформируется в равенство



которое можно использовать для косвенного полеориентирования. Структура, описываемая этим уравнением, менее простая, чем аналогичная при ориентировании по полю ротора, поэтому на практике используется реже. Как можно видеть, дополнительно к вектору тока статора, его производная также должна быть входной переменной для организации косвенного полеориентирования.

Для создания бездатчиковой системы управления требуется наблюдатель неизвестных параметров (рис. 11), в котором вектор потокосцепления статора оценивается на основе модели статора.

Рис. 11. Наблюдатель потокосцепления статора, угла полеориентирования и угловой скорости, служащий для ориентации по полю статора


Предполагая, что в близких к статическим режимах работы двигателя



угловую скорость вращения поля можно определить из вектора потокосцепления статора:



Хотя ?0 вычисляется из оцененных величин, ее значение, тем не менее, определяется с хорошей точностью. Угол полеориентирования определяется как  интеграл от частоты вращения потокосцепления статора.

Система векторного бездатчикового управления (рис. 12) представляет собой классическую двухканальную структуру с использованием описанного наблюдателя.

Рис. 12. Управление с ориентированием по полю статора



Контрольные вопросы

1. Назовите преимущества и область применения асинхронных бездатчиковых электроприводов.

2. Какую роль в системе скалярного бездатчикового управления играет активный ток статора?

3. Назовите назначение и принцип работы модели обмотки ротора.

4. Чем вызвана сложность применения обмотки статора с использованием непосредственного интегрирования? Каким способом избавляются от указанного недостатка?

5. Чем вызвана сложность применения обмотки статора с исключением непосредственного интегрирования? Каким способом избавляются от указанного недостатка?

6. Объясните принцип работы адаптивной системы с эталонной моделью на примереАСЭМ по потокосцеплению ротора.

7. В чем преимущества и недостатки АСЭМ по ЭДС ротора?

8. Почему при векторном управлении часто используется токовое управление асинхронным двигателем?

9.  В чем заключаются преимущества и недостатки векторного управления с ориентированием по полю ротора?

10. С какой целью в системе векторного управления с использованием АСЭМ вводится зависимость заданного вектора тока статора от частоты скольжения?

11. Опишите принцип работы системы электропривода с прямым управлением напряжением статора.

12. Чем вызвана необходимость вводить дополнительные компенсационные каналы в систему электропривода с прямым управлением напряжением статора?

13. Как осуществляется оценка скорости в системе электропривода с использованиеммодели статора, включающей коррекцию на низких скоростях?

14. Каким образом оценивается угловая скорость в системе векторного управления с ориентированием по полю статора?

Список сокращений и обозначений

Сокращения

СУЭП - Системы управления электроприводов

АСЭМ - Адаптивная система с эталонной моделью

АД - Асинхронный двигатель

ЭДС - Электродвижущая сила

ПИ - Пропорционально интегральное регулирование

ШИМ - Широтно-импульсная модуляция

Условные обозначения

u1 - напряжение статора

? - угловая скорость ротора

?2 - частота скольжения

?0 - частота вращения поля

? - угол полеориентирования

i1 - ток статора

i2 - ток ротора

?- потокосцепление статора

?- потокосцепление ротора

М - электромагнитный момент

Мс- момент сопротивления

R1 - сопротивление обмотки статора

R2 - сопротивление обмотки ротора

L1 - полная индуктивность обмотки статора

L2 - полная индуктивность обмотки ротора

L12 - взаимная индуктивность

Т1 - постоянная времени статора

Т2 - постоянная времени ротора

р - число пар полюсов

Список литературных источников

Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives // Proceedings of the IEEE. – Aug. 2002.– Vol. 90 – № 8 – P. 1359 – 1394.

Holtz J. The Representation of AC Machine Dynamics by Complex Signal Flow Graphs // IEEE Transactions on Industrial Electronis. – June 1995. – Vol. 42 – № 3 – P. 263-271.

Lotzkat W. Industrial Low-Cost PWM Inverter Drives with Ride-Through Capability: Ph.-D. Thesis (in German). – Wuppertal University, Germany, 1991.

Blaschke F. The Principle of Field Orientation as applied to the New Transvector Closed Loop Control System in a PWM Inverter Induction Motor Drive // Siemens Review. – 1972. – Vol. 39. – № 5. – Р. 217-220.

Schauder C. Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motors without Rotational Transducers // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, San Diego. – 1989. – Р. 493-499. 

Peng F.Z. Robust Speed Identification for Speed-Sensorless Vector Control of Induction Motors / F.Z. Peng, T. Fukao, J.S. Lai // IEEE Transactions on Industry Applications. – Sept.-Oct. 1994. – Vol. 30 – № 5. – Р. 1234-1240. 

Okuyama T. A High Performance Speed Control Scheme for Induction Motor without Speed and Voltage Sensors / T. Okuyama, N. Fujimoto, T. Matsui, Y. Kubota // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Denver. – 1986. – Р. 106-111. 

Ohtani T. Vector Control of Induction Motor without Shaft Encoder / T. Ohtani, N. Takada, K. Tanaka // IEEE Transactions on Industry Applications. – Jan.-Feb. 1992. – Vol. 28. – № 1. – Р. 157-165.
Об авторах

Данные методические указания сформированы по материалам тематического обзора, созданного Joachim Holtz, членом IEEE, членом Electrical Machines and Drives Group, профессором University of Wuppertal, Германия.

Перевод с английского и дидактическая проработка материала выполнена старшим преподавателем кафедры электропривода и автоматизации Кузбасского государственного технического университета, к.т.н. Семыкиной И.Ю.



Ирина Юрьевна Семыкина



Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации