ИССЛЕДОВАНИЕДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Выполнил
Михайлов Н.В
Руководитель
профессор Суровцев В.Н
2008
Содержание
1. Введение
2. Исходные данные для проектирования
3. Краткое описание функциональнойсхемы
4. Синтез контура тока
5. Синтез контура скорости
6. Моделирование вентильногодвигателя
6.1 Датчик положения ротора
6.2 Релейный регулятор тока RRT
6.3 Инвертор напряжения
7. Анализ динамических свойстввиртуальной модели вентильного двигателя.
8. Бездатчиковое определение скоростивентильного двигателя
9. Заключение
10. Список использованной литературы.
1. Введение
Вентильныйэлектродвигатель – этотип синхронной машины, реализованный в замкнутой системе с использованиемдатчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) исилового полупроводникового преобразователя. Часто их также называютбесконтактными двигателями постоянного тока или обращенной машиной постоянноготока. Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств двигателейпостоянного тока.
В вентильном двигателе(ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотканаходится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется взависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этойцели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняетполупроводниковый коммутатор.
Основным отличием ВД отсинхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, врезультате чего у ВД частота вращения поля пропорциональна частоте вращенияротора, которая зависит от напряжения питания.
Статор.
Статор имеет традиционнуюконструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса,сердечника из электротехнической стали и медной обмотки уложенной в пазы попериметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя.Обычно это трехфазные, реже четырехфазные двигатели.
По способу укладки витковв обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силутрапецеидальной и синусоидальной формы. По способу питания фазный электрическийток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально илисинусоидально.
Ротор.
Ротор изготавливается сиспользованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсовс чередованием северного и южного полюсов.
Вначале использовалисьферритовые магниты для изготовления ротора. Они распространены и дешевы, но имприсущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получаютпопулярность магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получитьвысокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
В двигателях большоймощности вместо постоянного магнита на роторе используется электромагнит.Напряжение питания к нему подается через контактные кольца установленные нароторе.
Датчикположения ротора.
Датчик положения ротора(ДПР) реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию,что и коллектор в двигателе постоянного тока. Его работа может быть основана наразных принципах – фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т.д.Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так какони практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в каналеобратной связи по положению ротора.
Фотоэлектрический датчик,в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприемника, которые поочереднозакрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Двоичный код, получаемый сДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуютсяуправляющим устройством в комбинацию управляющих импульсов, которые управляютсиловыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены дваключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмоткиякоря U, V, W расположены настаторе со сдвигом на 1200 и их начала и концы соединены так, что припереключении ключей создается вращающееся магнитное поле. 2. Исходные данные для проектирования
Для дальнейшегоисследования в качестве исследуемого двигателя примем высокомоментный двигательДВУ2М215М-Ф мощностью 3 кВт и частотой вращения 3000об/мин., характеристики которого представлены в таблице №1.
Условное обозначениедвигателя серии ДВУ: ДВУ — двигатель вентильный управляемый, где 215 — диаметрокружности расположения центров отверстий на крепительном фланце; М—условнаядлина сердечника статора.
Таблица №1.
Тип двигателя ДВУ2М215М-Ф[1] (для приводов подачи станков) Максимальная частота вращения nmax, об/мин 3000 Электромеханическая пост. времени Тм, мс 4,1 Вращающий момент при nmax М, Нм 40 Электромагнитная пост. времени Те, мс 16,4 Номинальный момент при n=500 об/мин Мdo, Нм 47 Тепловая постоянная времени Тт, мин 80 Длительный момент при n=0 Мо, Нм 48 Постоянная вращ. момента при 20С0 Км, Нм/А 1,37 Номинальный ток фазы при 20С0 Ido, А 36 Сопротивление фазы при 20С0 Rф, Ом 0,095 Максимальный ток Imax, A 95 Индуктивность 2-х фаз последовательно L, мГн 3,1 Масса двигателя исполнение Т1, кг 57 Момент инерции ротора J, кгм2 0.0225
Рассчитаем параметрыэлементов силовой цепи.
Эквивалентное активное сопротивлениедвух фаз статора двигателя, включенных последовательно:
Rэ=Rдв =2 Rф =2*0,095 = 0,19 Ом.
Индуктивность двух фазстатора двигателя:
Lдв =3,1 мГн.
Электромагнитнаяпостоянная времени якорной цепи:
/>.
Номинальная скоростьвращения двигателя:
/>.
Суммарный момент инерциипривода:
/>.
Механическая постояннаявремени:
/>.
Коэффициент обратнойсвязи по скорости:
/>, примем />
Коэффициент обратнойсвязи по току:
Зададимся условиямиограничения параметров системы и примем
/>/>
С учетом этих условийпримем коэффициент обратной связи по току:
/>
Примем km=0.1.
/> - коэффициенты пропорциональностимежду током и моментом; между угловой скоростью и ЭДС.
/> - коэффициент передачипреобразователя.
/> - число пар полюсов./>
3. Краткоеописание функциональной схемы
Для осуществленияавтоматического регулирования необходимо измерить сигнал обратной связи, затемэтот результат в виде напряжения сравнить (произвести алгебраическоесуммирование) с заданным в виде напряжения значением регулируемой величины инаправить результат сравнения регулируемому объекту. Обычно энергииизмерительного органа оказывается недостаточно для воздействия на объектрегулирования, поэтому возникает необходимость в применении усилительногоустройства.
Регулятор тока якоряполучает на вход сигнал задания />с выхода регулятора скорости исигнал обратной связи /> с выхода датчика тока. На выходеон формирует напряжение управления />. Сигнал обратной связи по токуснимается с датчика на основе трансформаторов тока, установленных на сторонепеременного тока. Датчик тока осуществляет гальваническое разделение цепейуправления от главных цепей и усиление по напряжению.
На регулятор тока (РТ) возлагаютсятакже другие функции:
1. Установка заданияна переключение соответствующих пар транзисторов в зависимости от разностисигналов задания тока и обратной связи по току.
2. Обеспечениережима торможения электродвигателя.
В системах подчиненногорегулирования выходной сигнал регулятора скорости является сигналом заданиятока /> длярегулятора тока.
На регулятор скорости исвязанные с ним узлы возлагаются дополнительные задачи:
1. Ограничение сигнала /> допустимым значением,которое может зависеть от значения потока двигателя Ф,
2. Ограничение скорости изменения тока di/dt,
3. Формирование требуемой жесткостимеханических характеристик электропривода,
4. Прием сигналов задания скоростидвигателя,
5. Обеспечение изменения ЭД сопределенным ускорением и др.
/>4. Синтез контура тока
Для обеспечения желаемых динамических характеристик приводапримем в качестве регулирующих устройств в контуре тока релейные элементы накаждую фазу двигателя. Используя безынерционные свойства реле, можно настроитьсистему регулирования на предельное быстродействие, зависящее от параметровконтура скорости. Наличие релейных элементов приводит в существеннойнелинейности всей системы в целом. Если не принять соответствующихпредосторожностей, то автоколебания, возникающие в релейной автоматическойсистеме, приводят к столь значительному изменению выходной величины линейнойчасти, что релейная система становится неработоспособной.
Для уменьшения изменения выходной величины необходимо либоустранить автоколебания, либо увеличить частоту возможных автоколебаний.Последнее следует из того, что модуль частотной характеристики линейной частисистемы /> обычнос ростом частоты стремится к нулю и, следовательно, чем выше будет частотаавтоколебаний, тем будет меньше изменение выходной величины [2].
В связи с этим важное значение приобретают способы увеличениячастоты колебаний или, если это возможно, устранения этих колебаний.
Способы повышения частотыавтоколебаний:
1. Уменьшение гистерезисаb реле. При этом прямая –b, параллельная оси абсцисс,приближается к действительной оси, точка пересечения частотной характеристикирелейной автоматической системы /> и прямой b смещается вверх. Увеличивается частота автоколебаний,уменьшается их амплитуда.
Недостаток: Невозможнополучить частоты автоколебаний выше частоты />, получаемой при нулевой петлегистерезиса b = 0.
2. Введениеотрицательного гистерезиса b.Изменяется направление переключений, прямая –b пройдет выше оси абсцисс, частоты автоколебаний увеличиваются/>.
3. Изменение параметровлинейной части системы.
3.1. Уменьшениеэлектромеханической постоянной времени />.
3.2. Введение внутреннейобратной связи.
Применяя соответствующие обратные связи, можно изменятьпараметры линейной части системы, а следовательно, и частоту возможныхавтоколебаний.
Линеаризация.
Релейный элемент является существенно нелинейным элементом.Выходная величина релейного элемента (управляющее воздействие) изменяетсяскачком, когда входная величина (управляющий сигнал) проходит пороговыезначения. В интервале между моментами времени, соответствующими прохождениювходной величиной пороговых значений, выходная величина релейного элементанеизменна.
Такие свойства релейного элемента позволяют сравнительнопростыми средствами коммутировать большие мощности, но пропорциональность междувыходной и входной величинами здесь отсутствует.
Если одновременно суправляющим сигналом на вход релейного элемента подавать дополнительноепериодическое воздействие, то релейный элемент может при определенных условияхприобрести свойства пропорциональности. При этих условиях релейный элементэквивалентен линейному усилителю. Характерной особенностью такого усилителяявляется зависимость коэффициента усиления от «амплитуды» внешнего воздействия А.Увеличение последней уменьшает коэффициент усиления. Если в релейной системесоздать высокочастотные (по сравнению с внешним воздействием) колебания, торелейная система приобретает свойства линейной или пропорциональной системы,причем настройка этой последней системы может осуществляться за счет изменения«амплитуды» этих относительно высокочастотных колебаний. Роль фильтра врелейной системе будет играть ее линейная часть.
Дополнительное высокочастотное воздействие, осуществляющеелинеаризацию релейной системы, может быть создано при помощи вынужденныхколебаний или автоколебаний, если эти колебания существуют и устойчивы [2].
Процесс линеаризации аналогичен процессу модуляции. Релейныйэлемент представляет собой модулятор, дополнительное периодическое воздействиесоответствует несущей частоте, а внешнее воздействие (управляющий сигнал) —модулирующему сигналу.
Более точно в релейном элементе при наличии дополнительногопериодического воздействия происходит своеобразная широтно-импульснаямодуляция. Отсюда вытекает соотношение между частотой модулирующего сигнала инесущей, при которой процесс модуляции будет осуществлен без существенныхискажений. Отношение частоты несущей к частоте сигнала должно быть по крайнеймере больше трех[2].Это накладывает ограничения на скорость изменения управляющего сигнала.
Линеаризация автоколебаниями.
В качестведополнительного периодического воздействия, производящего линеаризацию релейнойсистемы, могут быть использованы автоколебания самой релейной системы, есличастота их такова, что внешнее воздействие по сравнению с ними можно считатьмедленно изменяющимся.
Так как обычно частотаавтоколебаний относительно низка, то для осуществления линеаризации необходимоприменять способы повышения этой частоты автоколебаний.
В таблице № 2 приведенынекоторые передаточные функции ускоряющих элементов и их характеристики.
Таблица № 2. №
/> Выражение годографа Вид годографа 1
/>
/>
/> 2
/>
/>
/> 3
/>
/>
/> 4
/>
/>
/>
Выделим из структурной схемы электропривода с синхронноймашиной, включенной по схеме вентильного двигателя, контур тока (рис. 4.1).
/>
Рис. 4.1
Передаточная функциялинейной части системы />, причем степень числителя небольше степени знаменателя.
/>, /> (4.0)
Выражение для частотнойхарактеристики разомкнутой релейной системы без зоны нечувствительности имеетвид:
/>. (4.1)
Физический смыслвыражения (4.1) состоит в том, что результирующая частотная характеристикапредставляется в виде суммы простейших характеристик, кратных нечетнымчастотам. Это вытекает из того, что выходной сигнал релейного элемента, имеющийпрямоугольную форму, раскладывается в бесконечную сумму ряда Фурье с нечетнымигармониками (рис. 4.2.).
/>
Рис. 4.2
Нечетность прямоугольныхколебаний относительно начала работы релейного элемента определяет нечетностьгармоник.
/> — частотная характеристикарелейной автоматической системы.
/> — частотная характеристика системыбез ускоряющего элемента.
/> — частотная характеристика системыс ускоряющим элементом.
/> (4.2)
Характеристика релейнойсистемы /> можетбыть определена по частотной или временным характеристикам или в некоторыхслучаях по передаточной функции линейной части системы.
В дальнейших расчетахбудем пользоваться последним методом.
Согласно [2], если передаточная функция такова, что можнонайти её полюсы, то характеристика релейной системы /> может быть определена черезпередаточную функцию (точнее через полюсы передаточной функции) не в виде ряда,а замкнутой форме.
При действительных отрицательных, не кратных и ненулевыхполюсах передаточной функции /> справедливо равенство:
/>, (4.3)
где /> — полюсы передаточнойфункции линейной части системы.
/> — число полюсов передаточнойфункции линейной части.
/>
Рис. 4.3
Запишем передаточнуюфункцию линейной части системы без ускоряющего элемента:
/> (4.4)
/>
Согласно выражению (4.4),передаточная функция имеет всего один полюс />.
/> (4.5)
/> (4.6)
/>
Рис. 4.4.
В качестве ускоряющего элемента, повышающего частотуавтоколебаний в системе, примем />. Выражение годографа УЭ согласнотаблице № 2 имеет вид:
/>, (4.7)
где />.
Учитывая рекомендации [2], назначим параметры ускоряющегоэлемента:
/>
/>
/> (4.8)
На рис. 4.5 представлен годограф ускоряющего элемента />, а такжерезультирующий годограф линейной части контура тока />.
/>
Рис. 4.5
Анализируя поведение годографов на рис. 4.5 можно сделатьвывод, что постоянная времени ускоряющего элемента /> снижает результирующий годографлинейной части и его точку пересечения с прямой –b. Уменьшение /> способствует увеличениюавтоколебаний системы.
Следует отметить, что увеличение коэффициента передачиускоряющего элемента также увеличивает частоту автоколебаний, одновременносмещая фазу выходного сигнала в сторону отставания. Результирующий коэффициентпередачи линейной части контура тока при этом уменьшается.
На рис. 4.6 приведена структурная схема линеаризованногоконтура тока. Для сравнения на осциллограф выведены сигналы контура тока безлинеаризации (рис. 4.7).
/>
Рис. 4.6
/>
Рис. 4.7
Линеаризовав контур тока, мы получили возможность заменырелейного регулятора его коэффициентом передачи />.
Рассмотрим контур тока, представленный на рис. 4.8:
/>
Рис. 4.8
Структурная схема контуратока включает:
Крэ – коэффициентпередачи релейного элемента, Кп — коэффициент передачи преобразователя, Rэ — эквивалентное сопротивление цепистатора,
Tэ — электромагнитная постояннаявремени статорной цепи.
Передаточная функциязамкнутого контура тока имеет вид:
/>, или
/>. (4.9)
Приведем ее кстандартному виду:
/>, (4.10)
где
К- эквивалентныйкоэффициент усиления замкнутого контура тока,
Т01- эквивалентнаяпостоянная времени замкнутого контура тока.
/>/> (4.11)
/> (4.12)
Постоянная времени Т01выбирается исходя из динамических свойств самого реле.
Назначают />, однако очень малоезначение постоянной времени практически не влияет на динамические свойствасистемы.
Примем />, тогда замкнутый контуртока можно представить безынерционным звеном с коэффициентом передачи />.
/>5. Синтез контура скорости
На рис. 5.1 приведенаструктурная схема контура скорости.
/>
Рис. 5.1
Все передаточные функции(ПФ) контура скорости разобьем на 2 части: ПФ регулятора и ПФ объекта.
Под объектом будемпонимать все звенья, исключая регулятор:
/>. (5.0)
/>, (5.1)
где />. />
Регулятор скорости (РС)примем пропорционально-интегральным («ПИ»), наш РЭП примет астатическийхарактер.
Зададимся передаточнойфункцией разомкнутой системы типа «2-1»:
/>. (5.2)
Отсюда можно найти вобщем виде передаточную функцию РС:
/>. (5.3)
Отсюда можно записать:
/>. (5.4)
Здесь введенообозначение:
/>. (5.5)
Постоянная времени /> определяетсяисходя из максимального быстродействия системы. Обычно принимают />, где /> частота коммутациисиловых ключей. В физических системах частота коммутации ключей ограничиваетсяусловиями нагрева и не выходит их диапазона />.
Примем />, тогда />.
Зададимся />, тогда />
Коэффициент усилениярегулятора скорости:
/>.
ЛАЧХ и ЛФЧХ полученныепри синтезе системы, приведены на рис. 5.2.
/>
Рис. 5.2
6. Моделирование вентильного двигателя
На рис. 6.1 приведенавиртуальная модель РЭП синхронной машины, включенной по схеме вентильногодвигателя, составленная в пакете Matlab6.5.
/>
Рис. 6.1
Схема на рис. 6.1 содержит:двигатель трехфазный с постоянными магнитами на роторе (М2), схему управленияинвертором (RRT), инвертор напряжения (Invertor1), путевой датчик фазовый ПДФ (PDF). 6.1Датчик положения ротора
Рассмотрим структурусхемы по часовой стрелке, начиная с блока ПДФ, представленного на рис.6.2.
/>
Рис. 6.2
электроприводвентильный двигатель
Входной величиной для ПДФявляется угол поворота вала двигателя, а выходным сигналом – вектор из шести единичныхимпульсов, сдвинутых друг относительно друга на 60 градусов (рис. 6.4). Этодает имитацию шести сигналов от чувствительных элементов, расположенныхравномерно вдоль окружности и вырабатывающих импульсы в соответствии спространственным расположением ротора. Так как ДПР реализован в виде конечногоавтомата, то для его работы необходим тактовый сигнал, который подается тактовогогенератора TG. Рассмотрим внутреннюю структуру датчикаположения ротора (DPR).
Следует отметить, что ДПРреализован с помощью пакета моделирования Stateflow, который хорошо интегрируется с Simulink и входит в стандартный набор пакетовMatlab.
Пакет Stateflow задуман и предназначен длямоделирования сложных систем управления с возможностью ветвления и образованиемциклов [18]. Пакет оперирует событиями методом конечных автоматов. Автомат представляетсобой звено, осуществляющее преобразование вектора входных переменных XIN в вектор выходных переменных XOUT. В пакете Stateflow автомат представляется в виде графа,в нашем примере граф представлен алгоритмом ДПР [6]. Более подробно о работепакета Stateflow можно узнать на сайте разработчика Matlab или на русскоязычном форуме Matlab [19]. Достоинством этого способареализации датчика положения является компактность схемы, простота реализации,прозрачность алгоритма, малая вычислительна нагрузка на ЭВМ. Дополнительноепреимущество еще и в том, что алгоритм, реализованный в графе автомата,преобразуется в программный код языка высокого уровня (язык С), что окажетсяполезным при разработке алгоритма вычисления скорости, дискретного регулятораположения и скорости.
Автомат, представленныйна рис. 6.3, имеет 6 состояний (рис. 6.4), в одном из которых автомат находитсядо тех пор, пока значение входной переменной a (угол поворота) не достигнет значения, при которомпроизойдет изменение сигналов на выходе датчика. Изменение сигналов на выходедатчика происходит в том случае, когда значение входной переменной a превысит значение величины /> или станетменьше значения />.6.2 Релейный регулятор тока RRT
Структурная схема RRT представлена на рис. 6.5.
/>
Рис. 6.5
При попытке применитьодин регулятор тока для всех трех фаз не привели к желаемым результатам,поэтому для каждой фазы принят свой регулятор. Векторный сигнал с датчикаположения расщепляется на 6 компонентов, которые образуют разрешающие «единичные»сигналы для переключения ключей инвертора в соответствии с диаграммой работыкоммутатора (рис. 6.6).
/>
Рис. 6.6
Диаграмма переключенияключей инвертора соответствует алгоритму коммутации коллектора двигателяпостоянного тока.
Разрешающие сигналыпереключения ключей умножаются с напряжением задания тока и поступают на одиниз входов релейного регулятора. На второй вход поступают токи обратной связи. 6.3Инвертор напряжения
На рис. 6.7 представленаструктурная схема и нумерация ключей инвертора напряжения.
/>
Рис. 6.7
В тиристорном ЭП потрехфазной мостовой схеме выпрямления переключение тиристоров при питании отсети 50 Гц происходит с угловой частотой/>.
В транзисторных ЭПсредняя частота переключений обычно находится в пределах/>, при этом рабочаяполоса пропускания частот в два раза ниже. При этом минимальная постояннаявремени Т01 может приниматься />. Если частоту коммутацииувеличить, то быстродействие также возрастет [8].
На рис. 6.8 представленыфазные напряжения статора двигателя.
Несинусоидальностьвыходного напряжения приводит к несинусоидальному характеру тока в статорныхобмотках и пульсациям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильнопроявляются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма,который приводится в движение приводом. Тогда они вызывают неравномерность вращения,а иногда и возникновение шагового режима, когда двигатель вращается состановками [14].
/>
Рис. 6.8
Таким образом,несинусоидальный характер напряжения на выходе выпрямителя накладываетограничение на возможный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того,наличие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличение потерьэнергии по сравнению по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальнымнапряжением.
/>
Рис. 6.9
Также для сравнения нарис. 6.9 приведены линейные напряжения статора двигателя.
7. Анализ динамических свойств виртуальной моделивентильного двигателя
Для анализа динамическихсвойств виртуальной модели вентильного двигателя, кривые скорости /> и момента /> сняты на одномэкране осциллографа (рис. 7.1).
/>
Рис. 7.1
Двигатель разгоняется примаксимальном напряжении на номинальную скорость при отсутствии моментасопротивления, потом нагружается моментом, равным />.
Из осциллограмм момента искорости двигателя видно, что момент двигателя не постоянен, и кроме пульсаций,обусловленных работой релейных регуляторов тока, имеет еще и пульсации,аналогичные пульсациям напряжения на выходе трехфазного мостового выпрямителя.Это объясняется тем, что при постоянном токе фазы I момент синхронного двигателя в функции поворота вала /> изменяется посинусоиде. /> где/> -коэффициент пропорциональности между током и максимальным значением момента.При />,когда ось фазы совпадает с осью q,момент максимальный. Переключение фаз происходит при /> и />. При этом />. Отсюда исоответствующие этому провалы в кривой момента [1]. Такая симметричнаяотносительно максимума форма момента говорит о том, что ДПР настроен правильно.В данной модели подстройка ДПР производится заданием начального угла />, в реальномэлектроприводе – поворотом корпуса ДПР относительно корпуса двигателя.
При анализе влиянияпараметров двигателя на качество переходных процессов следует отметить, что приувеличении числа пар полюсов /> уменьшается время разгонаскорости до установившегося значения, т.к. увеличение /> приводит к увеличению электромагнитногомомента и динамического ускорения.
На рис. 7.2. представленамеханическая характеристика РЭП на фазовой плоскости, построенная с помощьюграфопостроителя.
/>
Рис. 7.2
Она получается извременных зависимостей М(t) и w(t) путем исключения из них времени t. При разгоне ЭД годограф вектора электромеханическойхарактеристики проходит последовательно через точки D, C и достигает точкиА. Характеристика наглядно показывает динамику разгона двигателя. Также видно,что скорость устанавливается без перерегулирования на уровне расчетногозначения.
Чтобы показатьастатический характер РЭП, т.е. абсолютную жесткость электромеханическойхарактеристики (неизменность скорости при изменении нагрузки), система быланагружена моментом сопротивления Мс=47, Нм через 0,07с после начала разгона(рис. 7.1). Из-за появления тока, обусловленного нагрузкой, в контуре токавозникает небольшое перерегулирование, что, тем не менее, не сказывается ощутимона просадке скорости (рис.7.2). Годограф вектора переходит из точки А в точкуВ.
Очевидно, что точки А, В,С лежат на одном уровне, параллельном оси абсцисс и равном расчетному значениюскорости.
/>
Рис. 7.3
На рис. 7.3 и рис. 7.4приведены диаграммы реверса вентильного двигателя.
Следует отметить высокоебыстродействие регулируемого привода, зависящего от настройки контура скорости.Высокие динамические свойства вентильного двигателя по сравнению ДПТ стиристорным управлением достигаются за счет использования безынерционногоконтура тока. Это достигается его линеаризацией, которая проведена с помощью параллельноговключения в линейную часть контура ускоряющего элемента (рис. 6.5).
/>
Рис. 7.4
/>
Рис. 7.5
При рассмотрениивентильной машины во вращающейся системе координат />, можно заметить, что припостоянном потоке возбуждения электромагнитный момент двигателя однозначноопределяется поперечной составляющей тока /> подвижной системы координат (рис.7.5).
Продольная составляющаятока /> несоздает полезного момента, вызывает потребление реактивной энергии и сэкономической точки зрения вызывает лишь дополнительные потери в виде нагревадвигателя [15]. Наличие реактивного тока связано с эквивалентной постояннойвремени статорной цепи /> и перекрестными связями междупродольной и поперечной осями двигателя.
В действительности она большенуля всегда, что вызывает появление тока />. Устранения потерь добиваютсявключением в контур реактивного тока /> дополнительного регулятора тока[15].
/>
Рис. 7.6
Реактивный ток затрачиваетсяна возбуждение машины (рис. 7.5), который быстро спадает при выходе двигателяна установившуюся скорость. Отметим еще раз, что при появлении нагрузкивозникновение реактивного тока неизбежно.
На рис. 7.6 показанытакже напряжения статора вентильного двигателя в координатах d,q,0.
На рис. 7.7 изображенадиаграмма отработки привода с вентильным двигателем «малого» задания скорости, Uзс=0.01, В.
/>
Рис. 7.7
Регулятор скорости незаходит в ограничение. Скорость ротора устанавливается без перерегулирования,ток не достигает своего максимального значения.
Наличие высших гармоник, наложенныхна основные измеряемые координаты связано дискретными сигналами управления релейногорегулятора тока.
8. Бездатчиковое определение скорости вентильного двигателя
Вбольшинстве приложений, где необходимо получение хороших характеристикэлектропривода при минимальной его стоимости, наибольший интерес вызывают схемыбездатчикового векторного управления. Прежде всего — это атомная энергетика, в частности,перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулированияскорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчикаположения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления (СУ)предъявляются также повышенные требования по диапазону регулированияэлектромагнитного момента — до 10:1.
Применительнок таким схемам термин «бездатчиковое управление» означает отсутствиедатчика скорости на валу двигателя, а информация о скорости вращения ипотокосцеплениях двигателя извлекается из измеренных токов и напряженийстатора. Согласно [3], угловая скорость электрического поля /> определяется выражением:
/> (8.0)
где
/> -потокосцепления статора в неподвижной системе координат.
/> - числополюсов двигателя.
Структурнаясхема электропривода с бездатчиковым определением скорости приведена на рис.8.1.
/>
Рис. 8.1
Вычислениескорости производится в блоке W_Solve,изображенной на рис. 8.2.
/>
Рис.8.2
Переход от трёхфазной системы координат к двухфазной иобратно выполняется с помощью формул преобразования координат. Переменные вновой системе координат находятся как сумма проекций в старой системе на оси новойсистемы координат.
/> или/>. (8.1)
Структурапреобразователя координат (ABC– ab), собранного по формулам (8.1)приведена на рис.8.3.
/>
Рис.8.3
Нарис. 8.4 изображены напряжения и токи статора двигателя в неподвижной системекоординат после фильтрации высоких частот.
/>
Рис.8.4
Производныепотокосцеплений статора двигателя в неподвижной системе координат приведены нарис. 8.5.
/>
Рис.8.5
Нарис. 8.6 изображены конечные сигналы, участвующие в вычислении скорости, атакже скорость двигателя при бездатчиковом определении (рис. 8.7).
/>
Рис.8.6
/>
Рис.8.7
Большинство ведущихмировых производителей электроприводов Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfosи др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления ЭД:скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, дляпоследней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опытпромышленной эксплуатации таких ЭП в России показывает, что в зоне низкихскоростей часто возникают колебания скорости, устранить которые настройкамипривода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже [7].
Такимобразом, основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторногоэлектропривода заключаются в следующем [17]:
1) Наблюдатель состояниядвигателя (ЭД), построенный на основе решения полной системы уравненийэлектрического равновесия для статора и ротора по доступной информации онапряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисленияпотокосцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связанос известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких кнулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введениемопределенного отклонения математического описания наблюдателя состоянияотносительно реального объекта при работе в области малых частот. Этиотклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потокосцепления, скорости,активной и реактивной составляющих тока.
2) Следующейпроблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров впроцессе работы. Прежде всего, это относится к температурным изменениямактивных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимнойиндуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов крешению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателясостояния ЭД является применение регуляторов, грубых в отношениипараметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующихв скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация,осуществляемая в реальном времени при работе привода.
3) Третьей проблемойявляется получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных наинтервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов инапряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малыхчастот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет«мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблематочности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степенипроявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так какбыстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу,способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные сдинамическими неидеальностями ключей инвертора.
9. Заключение
Сегодня в распоряженииразработчиков появились относительно недорогие редкоземельные магниты изматериала неодим-железо-бор с высокими энергетическими характеристиками.Усилиями ученых удалось довести температуру эксплуатации таких магнитов дорабочей температуры механизма, а нанесение коррозионно-стойких покрытийпозволило продлить их срок службы на все время работы электропривода.
В настоящее времявентильные двигатели с постоянными магнитами прочно завоевали позицию надежных,компактных и экономичных электромеханических преобразователей энергии. Крометого, будучи дискретными по своей структуре и имея встроенный датчик положенияротора, они без дополнительных устройств стыкуются с цифровыми блокамиуправления, что позволяет на их базе легко создавать замкнутые системыэлектроприводов со сложной циклограммой работы.
Вентильные двигатели средкоземельными магнитами целесообразно применять не только в медицине инеобслуживаемых механизмах, но и в авиационной и космической технике.
/>10. Список использованной литературы
1. Донской Н.В.Регулируемые электроприводы переменного тока/ — Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та,2007. – 204 с.
2. Цыпкин Я. З. Релейныеавтоматические системы. Главная редакция физико-математической литературы,изд-во «Наука», М., 1974, 576 стр.
3. Соколовский Г.Г.Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ.высш. учеб. заведен. М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272с.
4. Анхимюк В.,Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами:Учеб. пособие для вузов.: Мн.: Высш. шк., 1986г – 143 с
5. Башарин А.В.,Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие длявузов.: -Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ие, 1982г – 392 с.
6. Туренко Т.В. Применениепакетов SIMULINK И STATEFLOW для моделирования гибридной системыпрямого цифрового управления унитарно-кодовым датчиком СПБГУ «ЛЭТИ»,г. Санкт-Петербург. –
Труды Всероссийской научнойконференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» Часть 5. Имитационноемоделирование. Simulink и Stateflow под общ. ред. И.В. Черных.
7. Корельский Д.В.,Потапенко Е.М., Васильева Е.В. Обзор современных методов управления синхроннымидвигателями с постоянными магнитами// Науковий журнал «Радiоелектронiка. Iнформатика.Управлiння», 2001. — с. 155-159.
8. Панкратов В.В.Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основесовременных устройств силовой электроники// Силовая интеллектуальнаяэлектроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. 2005, №2,с. 27-31
9. JoachimHoltz. Sensorless Control of Induction Motor Drive. — Fellow, IEEE, Vol .90,No.8, Aug.2002 – Germany.
10. KimGauen and Jade Alberkrack. Three Piece Solution for Brushless Motor ControllerDesign. July, 2005− Rev. 5
11. J. P.Johnson, M. Ehsani, and Y. Guzelgunler. «Review of sensorless methods forbrushless DC,» presented at 1999 IEEE Industry Applications Conference,1999.
12. P. P.Acarnley and J. F. Watson. «Review of position-sensorless operation ofbrushless permanent-magnet machines,» IEEE Transactions on IndustrialElectronics, vol. 53, pp. 352-362, Apr. 2006.
13. SimPowerSystemsTMRelease Notes.
14. BinnsK.J.; Sneyers B.; Maggetto G.; Lataire Ph. Rotor-position-controlled permanentmagnet synchronous machinesfor electrical vehicles, ICEM ‘80, 1980, pp. 346-357.
15. Slemon,G. R.; Xian, L. Modelling and Design Optimisation of Permanent Magnet Motors,Electric Machines and Power Systems, vol. 20, no. 2, 1992, pp. 71-92.
16. ZhongL.; Rahman M.F.; Lim K.W. Modelling and experimental studies of an instantaneoustorque and field weakeningcontrol scheme for an interior permanent magnet synchronous motor drive, ELECTRIMACS 1996, pp. 297-302.
17. А.Б. Виноградов,И.Ю. Колодин, А.Н. Сибирцев. Адаптивно-векторная система управлениябездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ. – статья. www.vectorgroup.ru/articles/article12
Дополнительные источникиинформации
18. www.elprivod.ru
19. www.exponenta.ru