0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Векторное управление асинхронным двигателем это как

News Directory World News Headlines

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование», являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление». Кроме того часто данный метод называют также «принципом ориентирования по полю», что также является буквальным переводом с немецкого «Das Prinzip der Feldorientierung».

Векторное управление асинхронным двигателем это как

Под параметрами машины понимается совокупность констант (или функ­ций), которые однозначно соответствуют принятой математической модели машины. Уточнение параметров опирается на развитие теории поля электрической машины. Расчетные методы позволяют исходя из картины …

Система частотного привода с управлением от ЭВМ по вектору потокосцепления статора двигателя

-м Применение микро-ЭВМ для векторного управления частотно-ре­гулируемым приводом позволяет реализовать различные алгоритмы управления. На рис. 5.6 представлена функ­циональная схема аналогоцифровой системы управления приводом ТПЧ-АД посредством ЭВМ по вектору потокосцепления статора …

Микропроцессорная система частотного привода с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя

Микропроцессорная схема системы «Трансвектор» описана в работе [25]. В системе применена комбинированная аналоговая система идентификации составляющих потокосцепления, исполь­зующая измерительные обмотки или модель статора двигателя, А. ^0 = 0, — Rjs …

Векторная система управления с опорным вектором главного потокосцепления на основе комбинированной аппаратурной реализации

Известно, что точность воспроизведения угловой скорости си­стемы электропривода определяется точностью внешнего кон­тура. Поэтому микропроцессор может реализовать функции внешних контуров угловой скорости и управления модулем 5.1. Схема комбинированной системы вектора управления …

Особенности реализации систем векторного управления на базе ЭВМ для частотно-регулируемых асинхронных приводов

Системы векторного управления характеризуются объемом вычислительных операций при значительном числе операций ум­ножения. Систему векторного управления можно представить как совокупность нескольких подсистем: информационной подсисте­мы; подсистемы векторных преобразований и управляющей под­системы. К …

Алгоритмы управления напряжением

Для определения амплитуды напряжения статора двигателя можно записать уравнение (4.16) +№■/*)*• Если Wsm = const, то

Особенности управления потокосцеплением асинхронного двигателя

(4.1) Асинхронный двигатель в системе регулирования может реа­лизовать постоянство модуля потокосцепления статора. Рассмо­трим уравнения статики для сопоставления некоторых характе­ристик двигателя: S S ”1” г ^rtn S1H (0Е9 Ctr) Usm S1П …

Система управления по вектору потокосцепления ротора приводом с синхронным двигателем

Известны многие схемы так называемых вентильных двигате­лей и бесколлекторных машин постоянного тока. Обзор подоб­ных систем с использованием регулирования модулей потоко­сцепления статора |Ws | и главного потокосцепления j^Fo) при­веден в работе …

Система управления по вектору потокосцепления ротора приводами с машинами двойного питания

Использование асинхронного двигателя с фазным ротором позволяет осуществлять питание машины и со стороны статора и со стороны ротора. Возможно включение преобразователя ча­стоты либо в цепь статора, либо в цепь ротора, …

Привод типа «Трансвектор», его схема и характеристики

Система «Трансвектор» описана в работе [23], а ее обосно­вание — в [22]. Система основана на поддержании модуля по­токосцепления ротора |Ф,| = const. Схема приведена на рис. 3.10. Информационная часть системы …

Контур регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя в системе управления по вектору потокосцепления ротора

Электромагнитный момент асинхронной машины для пере­менных |ЧМ и /л2 в системе координат, связанной с вектором потокосцепления ротора, Мзм = ^-кгУг1,2. (3.32) При 1^1 = const электромагнитный момент Мэм пропорцио­нален I …

Контур регулирования модуля вектора потокосцепления ротора двигателя и особенности его настройки

На рис. 3.2 представлена структурная схема асинхронного двигателя с контурами регулирования переменных | V,. |, /s) и контуром управления UsX перекрестная связь L’co^,r/s2 яв- і 2. Структурная схема контура регулирования …

Основные соотношения частотно-регулируемого асинхронного привода с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя

Система векторного управления с опорным вектором Уг была предложена фирмой «Сименс» [23] под названием «Трано — вектор». Система построена в виде двух каналов: канала ста­билизации модуля потокосцепления ротора и канала …

Характеристики частотно-регулируемого привода с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя

На рис. 2.17 приведена функциональная схема привода ТПЧ-АД. Система управления выполнена на микросхемах и со­брана на двух типовых элементах: операционном усилителе и умножительном элементе. Использовано два типа плат — одна …

Выделение сигналов управления модулем, частотой и фазой напряжения преобразователя частоты в системах векторного управления

При использовании преобразователя частоты с непосред­ственной связью (ТНПЧ) схема сопряжения включает в себя только преобразователь фаз. Однако нелинейность преобразо­вателя и влияние внутренних сопротивлений вынуждают при не­обходимости получения максимальных динамических характе­ристик …

Применение цепей аналитической самонастройки для подавления параметрических возмущений и влияния внутренних перекрестных связей в контурах векторного управления частотно-регулируемых приводов

Основными проблемами при расчете и настройке системы векторного управления являются: подавление перекрестных связей между каналами управле­ния модулем вектора главного потокосцепления и каналом управления угловой скоростью ротора; идентификация параметров модели Горева …

Читать еще:  Cox 049 двигатель как он

Контур регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя в системе управления по вектору главного потокосцепления двигателя

Согласно системе дифференциальных уравнений (2.9) кон­тур управления электромагнитным моментом эквивалентен кон­туру цепи якоря машины постоянного тока (рис. 2.5). Отличие состоит в том, что сопротивление, эквивалентное сопротивлению цепи якоря, для асинхронной …

Контур регулирования модулем вектора главного потокосцепления асинхронного двигателя

Структурная схема канала управления модулем главного потокосцепления представлена на рис. 2.2. Влияние составляю­щей тока статора вводится в виде сигналов:

Предлагаем

Организация производства

Линии по производству пенополистирола (пенопласта)

Линии по производству пенобетона, газобетона

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

Скалярное управление асинхронным двигателем характеристики

Скалярное управление преобразователем частоты. Способы управления асинхронным двигателем. Недостатки скалярного управления частотником.

  1. В применении к асинхронным двигателям
  2. Немного элементарной физики
  3. Линейная скалярная рабочая характеристика ПЧ
  4. Технические различия преобразователей
  5. Когда используется
  6. Недостатки скалярного управления
  7. Преимущества векторного управления
  8. Векторный метод
  9. Вариант с частотным микроконтроллером

В применении к асинхронным двигателям

При скалярном методе управления, скорость асинхронного электродвигателя контролируется установкой величины напряжения и частоты статора, таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре поддерживалось на нужной величине. Для поддержания постоянного магнитного поля в зазоре, отношение В/Гц должно быть постоянным на разных скоростях.

Скалярное управление без датчика скорости

При увеличении скорости напряжение питания статора так же должно пропорционально увеличиваться. Однако синхронная частота асинхронного двигателя не равна частоте вращения вала, а скольжение асинхронного двигателя зависит от нагрузки. Таким образом система контроля со скалярным управлением без обратной связи не может точно контролировать скорость при наличии нагрузки. Для решения этой задачи в систему может быть добавлена обратная связь по скорости, а следовательно и компенсация скольжения [2].

Скалярное управление с датчиком скорости

Немного элементарной физики

Со школьной скамьи мы имеем ясное представление о том, что напряжение – это разность потенциалов между двумя точками, а частота – это величина, равная количеству периодов, которые ток успевает пройти буквально за секунду.

В рамках технологического процесса часто приходится изменять рабочие параметры сети. Для этой цели существуют преобразователи частоты: скалярный и векторный. Почему их так называют? Начнём с того, что особенные черты каждого типа становятся понятными из их названия. Вспомним основы элементарной физики и позволим себе называть ПЧ для упрощения короче. «Векторник» имеет определённое направление и подчиняется правилам векторов. «Скалярник» ничего этого не имеет, поэтому алгоритм метода управления им, естественно, очень простой. С названиями, кажется, определились. Теперь о том, как различные физические величины из математических формул связаны между собой.

Помните, что как только скорость уменьшается, вращающий момент увеличивается и наоборот? Значит, чем больше вращение ротора, тем больший поток пойдет через статор, и, следовательно,будет наводиться большее напряжение.

Тоже самое лежит в принципе действия в рассматриваемых нами системах, только в«скалярнике» управляется магнитное поле статора, а в «векторнике»играет роль взаимодействие магнитных полей статора и ротора.В последнем случае технология позволяет улучшать технические параметры работы двигательной установки.

Линейная скалярная рабочая характеристика ПЧ

При работе асинхронного электродвигателя от скалярного частотного преобразователя напряжение на двигателе понижается линейно с понижением частоты. Это происходит из-за того, что применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой отношение действующего напряжения к частоте является константой во всем диапазоне регулирования.

Вольт-частотная (вольт-герцовая) рабочая характеристика ПЧ будет линейной, пока напряжение на возрастет до предела, определяемого напряжением питания преобразователя. Скалярное управление не позволяет двигателю развить требуемую мощность на низких частотах (мощность зависит от напряжения), и момент на валу сильно падает.

Технические различия преобразователей

Отличий существует много, выделим самые основные, и без научной паутины слов. У скалярного (бездатчикового) частотника зависимость U/F – линейная и диапазон скоростного регулирования довольно небольшой. Кстати сказать, поэтому на низких частотах недостаёт напряжения для поддержания крутящего момента, и приходится порой настраивать вольт-частотную характеристику (ВЧХ) под рабочие условия, то же самое происходит при максимальной частоте выше 50 Гц.

При вращении вала в широком скоростном и низкочастотном диапазоне, а также выполнении требований авторегулирования момента, используют метод векторного управления с обратной связью. В этом проявляется еще одно различие: у «скалярника» обычно такой обратной связи нет.

Какие же выбрать ЧП? В применении того или другого устройства, главным образом, руководствуются сферой использования электрического привода. Однако в особых случаях выбор типа преобразователя частоты становится безвариантным. Во-первых: есть явная, заметная разница в цене (скалярные стоят намного дешевле, нет надобности в дорогостоящих вычислительных ядрах). Поэтому удешевление производства порой перевешивает в принятии решения по выбору. Во-вторых: есть сферы применения, в которых возможно только их использование, к примеру, в конвейерных линиях, где несколько электродвигателей синхронно управляются от одного частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Когда используется

Скалярное управление электродвигателями переменного тока – хорошая альтернатива для приложений, где нет переменной нагрузки и не требуется хорошая динамика (вентиляторы, насосы). Для работы скалярного управления не требуется датчик положения ротора, а скорость ротора может быть оценена по частоте питающего напряжения. Когда используется скалярное управление, не требуется высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор как в случае с векторным управлением.

Недостатки скалярного управления

При скалярном управлении электродвигателем токи статора не контролируются напрямую.

СДПМ со скалярным методом управления может легко стать неуправляемым (выйти из синхронного состояния) особенно когда момент нагрузки превышает значение предельного момента электропривода. Скалярный метод не подходит для контроля СДПМ на низких оборотах для приложений, требующих высокую динамику [1].

скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает несколькими существенными недостатками: во-первых, если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала асинхронного двигателя, так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а вслучае с синхронным двигателем при изменении нагрузки – можно совсем потерять управление; во-вторых, нельзя управлять моментом. Конечно, эту задачу можно решить с помощью датчика момента, но стоимость его установки очень высока, и будет скорее всего выше самого электропривода. При этом управление моментом будет очень инерционным; также нельзя управлять одновременно моментом и скоростью.

Скалярное управление достаточно для большинства задач в которых применяется электропривод с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:10.

Когда требуется максимальное быстродействие, возможность регулирования в широком диапазоне скоростей и возможность управления моментом электродвигателя используется векторное управление.

Преимущества векторного управления

Существует множество задач, когда нужно обеспечить заданную частоту вращения, и описанный недостаток становится очень актуальным. В таких случаях применяют векторное частотное управление, при котором контроллер вычисляет напряжение, необходимое для поддержания момента, обеспечивающего стабильную частоту. В отличие от скалярного режима, здесь происходит «умное» управление магнитным потоком ротора.

Векторное управление асинхронным двигателем особенно актуально на низких частотах – ниже 10 Гц, когда рабочий момент двигателя сильно падает. Кроме того, данный метод позволяет держать стабильную скорость (с предсказуемым линейным изменением) при разгоне. Это достигается за счет получения высокого пускового момента вплоть до выхода двигателя на режим.

Важно и то, что при векторном управлении происходит сбережение электроэнергии (в некоторых случаях – до 60%), поскольку большую часть времени частотный преобразователь передает в двигатель ровно столько энергии, сколько необходимо для поддержания заданной скорости.

Различают два вида векторного управления — без датчика скорости (без обратной связи, или бессенсорное) и с обратной связью, когда в качестве датчика, как правило, используется энкодер.

Векторный метод

Он возник в процессе усовершенствования, и применяется при требовании реализовать максимальное быстродействие, регулирование в широком скоростном диапазоне и управляемость момента на валу.

В новейших моделях электрических приводов в систему управления (СУ) по этому типу внедряется математическая модель двигателя, которая способна рассчитать момент движка и скорость вращения вала. При этом требуется лишь установка датчиков тока фаз статора.

Частотные преобразователи с векторным управлением сегодня обладают достаточным числом достоинств:

  • высокая точность;
  • без рывков, плавное вращение АД;
  • широкий диапазон регулирования;
  • быстрое реагирование на изменение нагрузки;
  • обеспечение рабочего режима двигателя, при коем уменьшаются потери на нагрев и намагничивание, а это ведёт к заветному увеличению КПД!

Плюсы, безусловно, очевидны, но метод векторного управления не лишён и недостатков, таких, как вычислительная многосложность и потребность в знании технических показателей АД. Помимо этого, наблюдаются большие, чем у «скалярника», амплитуды скоростных колебаний при постоянной нагрузке. Главная задача при изготовлении частотного преобразователя(«векторника») – обеспечение высокого момента при небольшой скорости вращения.

Схема векторного СУ с блоком широтно-импульсной модуляции (АИН ШИМ) выглядит примерно так:

На изображённой схеме контролируемым объектом является асинхронный двигатель, имеющий связь с датчиком (ДС) на валу. Изображённые блоки – это в действительности звенья цепи СУ, реализуемой на контроллере. Блок БЗП задаёт значения переменных. Логические блоки (БРП) и (БВП) регулируют и вычисляют переменные уравнения. Сам контроллер и другая механическая часть системы находится в электрическом шкафу.

Вариант с частотным микроконтроллером

Частотный преобразователь тока/напряжения предназначен для плавного регулирования основных величин, а также других показателей работы оборудования. Он функционирует как «скалярник» и «векторник» одновременно, используя математические модели, запрограммированные во встроенном микроконтроллере. Последний монтируется в специальный щиток и является одним из узлов информационной сети системы автоматизации.

Читать еще:  Шерхан магикар 5 дистанционный запуск двигателя

Блочный контроллер/преобразователь частоты последнее слово техники, в схеме с ними используют дросселя и ЕМС фильтры, уменьшающие интенсивность входных помех. Надо отметить, что за рубежом данному вопросу уделяется особое внимание.В отечественной же практике использование ЕМС фильтров пока остаётся слабым звеном, так как даже не существует толковой нормативной базы. Сами фильтры у нас применяются чаще там, где они не нужны, и где они действительно необходимы, про них почему-то забывают.

Векторное управление асинхронным двигателем это как

Благодаря своей надежности асинхронные трехфазные двигатели (АТД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором находят широкое применение в различных сферах промышленности. При замкнутом контуре управления скоростью вращения вала ротора в таких АТД целесообразно векторное управление, поскольку оно обеспечивает создание энергосберегающих электроприводов с высокими динамическими характеристиками и широким диапазоном регулирования. Используя этот способ, можно разделить каналы управления двигателем по потокосцеплению и моменту на валу двигателя, что позволяет рассматривать АТД с КЗ-ротором как некий эквивалент двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и, следовательно, адаптировать к нему методы синтеза электрических следящих приводов, разработанные для двигателей постоянного тока. Кроме того, векторное управление обеспечивает увеличение момента двигателя – по сравнению с амплитудно-частотным почти в два раза. Максимальное значение момента двигателя соответствует перпендикулярному положению векторов потокосцепления и тока, а поскольку каналы потокосцепления и тока разделены, при векторном управлении это условие поддерживается постоянно. (При обычном управлении, например при частотном, угол между векторами потокосцепления и тока составляет 60–70О.)

Векторное управление основывается на пространственной ориентации вектора напряжения и преобразовании неподвижной трехфазной системы координат в вращающуюся двухфазную. В структурной схеме контура тока векторного управления (рис.1) этот переход выполняют блоки прямых преобразований Парка и Кларка, блоки же обратных преобразований осуществляют обратный переход.
Входными параметрами для осуществления векторного управления являются мгновенные значения токов, скорость вращения вала ротора, модуль и угол вектора потокосцеспления. Ввод в систему значений токов и скорости как аналоговых измеряемых величин выполняют АЦП. Измерение тока производят специальные датчики, при этом достаточно использовать датчики только в двух фазах двигателя, т.к. значение тока третьей фазы вычисляется исходя из алгебраической суммы токов, равной нулю. Для непосредственного измерения вектора потокосцепления необходимо наличие датчиков Холла в воздушном зазоре двигателя, что не всегда представляется возможным. Поэтому применен блок расчета вектора потокосцепления, который производит его моделирование на основе значений проекций вектора тока и скорости вращения вала ротора. Блок компенсации взаимного влияния каналов осуществляет развязку каналов потокосцепления и момента двигателя, а ПИ-регуляторы – пропорционально-интегрирующее управление. Формирователь ШИМ генерирует сигналы управления для ключей автономного инвертора напряжения (АИН).
Следует отметить, что для реализации векторного управления необходимо точное позиционирование вектора напряжения, особенно при низких частотах вращения вала ротора. Достичь этого можно с помощью специальных алгоритмов коммутации силовых ключей, например ШИМ с синусоидальным распределением длительности импульсов, однако при таком способе максимальное значение вектора напряжения равно половине напряжения в цепи постоянного тока. Для увеличения максимального значения вектора напряжения, а следовательно и КПД системы АИН-АТД, целесообразно использовать пространственно-векторную модуляцию.

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Пространственно-векторная модуляция (ПВМ) основана на принципе ШИМ. Представленный на рис.2 типовой автономный инвертор напряжения служит для создания питающего напряжения двигателя. Анализ этой схемы позволяет сделать вывод, что при трех одновременно открытых ключах существует восемь возможных комбинаций протекания тока через обмотки двигателя, которые представлены в табл. 1 (0 – ключ закрыт, 1 – ключ открыт). В таблице каждая комбинация обозначена тремя цифрами (сочетание 0 и 1). Порядковый номер обозначает состояние соответствующей фазы, 0 – в нижнем плече ключ открыт, а в верхнем – закрыт, 1 – инверсное состояние, т.е. в верхнем плече ключ открыт, а в нижнем – закрыт.
Очевидно, что при таких комбинациях существует шесть возможных базовых положений вектора напряжения в пространстве, которые сдвинуты относительно друг друга на 60О. Два других состояния, когда открыты ключи только в нижних плечах – V0(000) или только в верхних – V7(111), соответствуют нулевым векторам (рис.3а).
Допустим, необходимо получить вектор Vr, который располагается между векторами V4 и V6 (рис.3б). Очевидно, что если в течение периода ШИМ-сигнала формировать последовательности из комбинаций V4 и V6, действующих соответственно за время T4 и Т6, то результирующим вектором и будет вектор Vr. Общие выражения для вектора Vr тогда можно записать в виде:
где Т – период ШИМ-сигнала; Т4 – время действия вектора V4; Т6 – время действия вектора V6; Т0 – время, соответствующее нулевым векторам V0 и V7.
Максимальное значение вектора Vr можно получить при полном отсутствии нулевого вектора (Т0=0), т.е.:
T4=T6=T/2,
VrMX=V4х1/2+V6х1/2.
Из рис.4, где графически представлены максимальные значения векторов при разных видах модуляции, видно, что ПВМ обеспечивает вектор напряжения с большей амплитудой, чем синусоидальная модуляция. Он равен радиусу окружности (отрезок ОМ), вписанной в шестиугольник, который образуют основные векторы, т.е. VrMX=1/—Ф3 Vdc##, где Vdc – напряжение питания АИН.
Отрезок ON соответствует максимальному вектору при синусоидальной модуляции и равен Vdc/2. Отрезок OL – максимальному значению векторов, образующих шестиугольник, и равен 2Vdc/3.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Входными параметрами при расчете ПВМ являются значения проекций векторов напряжения в двухфазной системе координат, выходными – значения длительности импульсов ШИМ для каждой фазы. Для расчета обозначим длительности действия смежных векторов через Tm и Tm+1 (см. рис.3а,б). Тогда состояния фаз будут иметь вид, как это показано на рис.5. Здесь высокий уровень соответствует состоянию, когда транзистор в верхнем плече открыт, а в нижнем – закрыт. Нулевой уровень соответствует инверсному состоянию, т.е. когда верхний транзистор закрыт, а нижний открыт.
Можно использовать и другой способ формирования пространственно-векторной модуляции. Как видно из рис.5, чередование базовых векторов с нулевыми происходит в следующем порядке : 1 – нулевой вектор V0(000); 2 – базовый вектор V4(100); 3 – базовый вектор V6(110); 4 – нулевой вектор V7(111); 5 – базовый вектор V6(110); 6 – базовый вектор V4(100); 7 – нулевой вектор V0(000). При таком чередовании за период происходит 12 переключений (по четыре на каждую фазу), что приводит к дополнительным энергетическим потерям. Для их снижения следует использовать другое чередование векторов: 1 – нулевой вектор V0(000); 2 – базовый вектор V4(100); 3 – базовый вектор V6(110); 4 – базовый вектор V4(100); 5 – нулевой вектор V0(000). При новом чередовании векторов (рис.6) происходит уже не 12, а восемь переключений, что сокращает потери от них на 30%.
Выражения длительности импульсов ШИМ для каждой фазы в зависимости от положения вектора напряжения представлены в табл. 2.
Значения Tm и Tm+1 можно рассчитать соответственно из следующих выражений: .
где TS – период ШИМ; VSa,VSb – соответствующие значения векторов напряжения в двухфазной системе координат; m — номер сектора расположения формируемого вектора.

МОДИФИЦИРОВАННАЯ 12-СЕКТОРНАЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Как уже отмечалось, максимальный вектор напряжения при ПВМ равен радиусу вписанной в шестиугольник окружности (см. рис.4). Однако вектор, равный радиусу, можно также сформировать, если открыты будут всего два транзистора в разных плечах и стойках, например T1 и T4. В этом случае возможно получение 12 базовых векторов и двух нулевых. При новом обозначении векторов напряжений каждая комбинация представлена тремя знаками (0, 1 или X). Порядковый номер по-прежнему обозначает состояние соответствующей фазы, 0 – открыт ключ в нижнем плече, а в верхнем закрыт, 1 – инверсное состояние, т.е. в верхнем плече ключ открыт, а в нижнем закрыт, Х – закрыты оба транзистора в стойке. Состояние силовых ключей и соответствующие им векторы напряжений представлены в табл.3, а положение векторов в пространстве – на рис.7а.
При такой ПВМ любой вектор напряжения можно разложить на два смежных, угол между которыми 300 (рис.7б). Результирующий вектор напряжения рассчитывается аналогично вектору для шести секторов, при этом трехфазная ШИМ для 12-секторной ПВМ имеет вид, представленный на рис.7в. Выражения длительности импульсов ШИМ для каждой фазы в зависимости от положения вектора напряжения представлены в табл. 4.
Значения Tm и Tm+1 можно рассчитать соответственно из следующих зависимостей:
. (обозначения те же, что в уравнениях (1)).
Модифицированная пространственно-векторная модуляция имеет ряд преимуществ перед шестисекторной:
• повышение точности формирования вектора напряжения благодаря тому, что позиционирование вектора происходит в меньшем секторе (30, а не 600);
• снижение амплитуды пульсаций тока в обмотках, обусловленное тем, что переключение вектора напряжения происходит с дискретностью в 300;
• уменьшение потерь в силовых транзисторах при переключениях на 25%, что объясняется меньшим числом переключений (шесть) за период;
• отсутствие сквозных токов благодаря тому, что в каждый момент времени в течение периода открыт всего один транзистор в стойке – либо верхний, либо нижний.

РЕАЛИЗАЦИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Структура системы, реализующей модифицированную ПВМ, приведена на рис. 8. В этой структуре тактовый генератор задает рабочую частоту программируемому таймеру, который, в свою очередь, определяет частоту генератора “цифрового треугольника”, представляющего собой m-разрядный счетчик. Выход каждого из m-разрядных регистров ШИМ содержит постоянную величину (эквивалент уровня напряжения) для каждой фазы, определяющую скважность ШИМ-сигнала, которая в результате имеет 2m значений. Регистр управления предназначен для управления каналами таймера и коммутаторами ШИМ-сигнала на выходе цифровых компараторов.
Цифровые компараторы производят сравнение значений “цифрового треугольника” с постоянными величинами регистров и формируют сигналы управления для ключей, что отображено в диаграммах на рис.9а (где U1, U2, U3 – соответствующие значения напряжений регистров ШИМ, UA,UB,UC – ШИМ-сигналы соответствующих фаз). Коммутаторы на выходе цифровых компараторов осуществляют коммутацию ШИМ-сигнала между транзисторами верхнего и нижнего плеч. Переключение коммутаторов происходит при переходе вектора напряжения из одного сектора в другой в соответствии с рис.9в, где изображены диаграммы управляющих сигналов компараторов для каждой фазы в зависимости от номера сектора. Как видим, на выходе компараторов формируются сигналы управления ключами, длительность которых определяется частотой “цифрового треугольника” и величиной в соответствующем регистре. Диаграммы ШИМ-сигналов силовых транзисторов на выходе коммутаторов представлены на рис.9б.
Для расчета выходного параметра ПВМ – длительности ШИМ-сигнала Ton – можно использовать выражение для величины n, записываемой в регистр ШИМ каждой фазы:
. где Tclock – период такта реверсивного счетчика; N=2m – число ступеней “цифрового треугольника”.
Данный расчет графически пояснен на рис.10.
Модуль модифицированной ПВМ, принципиальная схема которого представлена на рис. 11, содержит генератор “цифрового треугольника”, выполненный на элементах DD3-DD6. Коды “цифрового треугольника” хранятся в ПЗУ DD6 (556РТ5), адреса которого перебираются четырехразрядными счетчиками DD3-DD5 (555ИЕ5). Прошивка ПЗУ представлена в табл.5.
Тактирование счетчиков осуществляет программируемый таймер DD2 (580ВИ53). Тактовый генератор выполнен на элементах ZQ1, DD1.1, DD1.2. В восьмиразрядных регистрах DD9-DD11 (555ИР22) хранятся постоянные величины, которые обновляются каждый период, когда выходной код “цифрового треугольника” становится равным FFh. Установка значений регистров производится путем записи их в порт DD8 (580ВИ55). Сравнение величин регистров и значений “цифрового треугольника” проводят элементы DD12-DD17 (555СП1), а управление коммутаторами осуществляет регистр DD20 (555ИР22), функциональные назначения битов которого указаны в табл. 6.
Итак, представленная система, выполненная на отечественных элементах, позволяет формировать модифицированную 12-секторную ПВМ на основе трехфазной центрированной ШИМ с возможностью установки скважности раздельно для каждой фазы.

Читать еще:  Характеристика двигатель для bmw 528

Литература
1. Field Oriented Control of 3-Phase AC-Motor. – LN: BPRA073, Texas Instruments, 1998.
2. Digital Signal Processing Solution for AC-Induction Motor. – Application Note: BPRA043, Texas Instruments, 1996.
3. AC-Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240. – Application Report: SPRA284A, Texas Instruments, 1998.
4. Dead-Time Generation on the TMS320C24x. – Application Report: SPRA371, Texas Instruments, 1997.
5. Управление асинхронным двигателем с помощью цифрового сигнального микроконтроллера. – Chip News, 1997, №1.
6. Motor Control Technology Seminar. – Analog Devices, 1998.
7. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы Analog Devices. – Chip News, 1997, №7-8.
8. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. – Chip News, 1999, №1.
9. Козаченко В., Грибачев С. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instruments TMS320x24x для высокопроизводительных систем встроенного управления электроприводами. – Chip News, 1998, №11-12.
10. Горячев О.В., Ерошкин Е.А. Амплитудно-частотное управление асинхронными трехфазными двигателями. – Электроника: НТБ, 1999, №2.
11. Bruno Coppi, Sergio Lancini et al. Brushless Vector Control Using SAB C-164-CI.– Contact, 1998, v.1, №3.
Контактный телефон: (0872) 35-38-35

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Содержание

  • 1 Причины появления
  • 2 Математический аппарат векторного управления
  • 3 Варианты режимов работы векторного управления
    • 3.1 Точность математической модели электродвигателя
    • 3.2 Использование датчика скорости электродвигателя
  • 4 Терминологические нюансы
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература
  • 7 См. также

Причины появления

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Математический аппарат векторного управления

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

< σ L s d I d d t = − R s I d + U d + σ L s ω ψ I q − L m L r d ψ r d t σ L s d I q d t = − R s I q + U d − σ L s ω ψ I d − L m L r ω ψ ψ r T r d ψ r d t = − ψ r + L m I d ω ψ = ω r e + ω c k = ω r e + L m T r I d ψ r M = 3 2 Z r L m L r ψ r I q sigma L_>

>=-R_I_+U_+sigma L_omega _I_>>>>

>\sigma L_>

>=-R_I_+U_-sigma L_omega _I_>>>omega _psi _\T_>

>=-psi _+L_I_\omega _=omega _e+omega _k=omega _e+>>>>>>\M=<2>>Z_>>>psi _I_end>right.>

При этом могут быть два варианта метода:

  • ориентирование по полю ротора
  • ориентирование по полю главного потокосцепления

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование», являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление». Кроме того часто данный метод называют также «принципом ориентирования по полю», что также является буквальным переводом с немецкого «Das Prinzip der Feldorientierung».

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector