Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 12

Система DTC посредством определения фазового сектора решает косвеннозадачу преобразования координат, в то время как в классических векторныхсистемах управления асинхронным двигателем преобразования координатявляются неотъемлемой частью их структуры.Помимо вычисления фазового сектора, которое реализуется при помощиадаптивной модели асинхронного двигателя, необходимо вычислять также такиепараметры как электромагнитный момент и потокосцепление. Непосредственноеизмерение данных параметров при помощи датчиков весьма затруднительно всвязи с отсутствием на сегодняшний день доступных в применении и недорогих77датчиков потокосцепления и момента.

В связи с чем реализация адаптивной моделидвигателя является основополагающей при построении системы прямогоуправления моментом.Адаптивная модель двигателя в данной работе разработана по системеуравнений асинхронного двигателя в системе координат α, β, связанной со статором.dψ Sα= uSα − iSα RS ,dtdψ Sβ= uSβ − iSβ RS ;dt(3.7)3p (ψ Sα iSβ −ψ Sβ iSα ),2=Mгде скалярная величина модуля вектора потокосцепления вычисляется следующимобразом:ψ S = ψ S2α + ψ S2β(3.8)В процессе регулирования асинхронного двигателя при изменении моментанагрузки характерно изменение величины сопротивления статора RS в функциитемпературы обмоток статора. В связи с чем целесообразно модель асинхронногодвигателя реализовать именно адаптивного типа, что значительно повыситточность вычислений.

По причине интегрирования при расчете значенияпотокосцепления статора АД система прямого управления моментом может бытьдостаточно чувствительна к погрешностям вычисления активного сопротивленияобмоток статора RS. Система остается устойчивой и обеспечивает необходимыепоказатели качества процесса управления при погрешности вычислениясопротивления обмоток статора RS не превышающей 5% от реальных значений.Если превышение ошибки вычислений RS достигло более 10 %, то стабильноенормальноефункционированиесистемыпрямогоуправлениямоментомнарушается [2, 3]. Также следует подчеркнуть следующий немаловажный факт, что78получение информации о температуре обмоток статора АД и о потокосцеплениистатора при помощи датчиков реализуется гораздо легче в сравнении с определениеаналогичных параметров роторной цепи, необходимых в традиционных системахвекторного управления асинхронным двигателем [2, 3].В системах прямого управления моментом к наблюдаемым параметрамотносятся напряжение в звене постоянного (либо фазные напряжения автономногоинвертора напряжения), фазные статорные токи асинхронного двигателя и частотавращения ротора, которая необходима при реализации регулирования скоростипривода.

Существуют бездатчиковые системы управления, где координатаскорости определяется по адаптивной модели двигателя и системы с реальнымдатчиком частоты вращения вала электропривода. Вариант построения системыуправления с датчиком частоты вращения являются более точным, а вариант, гдеинформации о скорости вращения вала получается путем вычисления, болеесложен и не позволяет реализовать регулирование скорости с высокой точностью,и это неприемлемо при разработке систем управления локомотива, реализующегопредельные по сцеплению усилия.Пересчет значений фазных напряжений и фазных токов к осям α, βреализуется по следующим выражениям:U Rα =U Ra − 0,5U Rb − 0,5U RcU Rβ=33U Rc −U Rb22(3.9)(3.10)При варианте построения системы, когда наблюдаемой величиной являются нефазные напряжения, а напряжение звена постоянного тока, то величину u Sα ,u S βможно вычислить следующим образом:791uSα = U CФ [ S a − ( Sb + Sc ];2=uSβ U CФ3[ Sb − S c ]2(3.11)(3.12)Далее необходимо вычислить модуль потокосцепления статора и величиныего проекций на оси α, β по формулам (3.7) и (3.8).

Также необходимопредварительно определить угол между вектором потокосцепления статора ψS иосью α в неподвижной системе координат (рисунок 2.2). После чего реализуетсявычисление сектора, в котором находится в текущий момент времени векторпотокосцепления статора ψS.ψSψScos ϕψ S =  α ;ψSsin ϕψ S =  βψS(3.13)(3.14)В программном комплексе Matlab средствами его основной библиотекиSimulink можно реализовать определение модуля и фазы вектора потокосцеплениястатора, представив его в экспоненциальном виде.Вычисление фазового сектора также возможно реализовать не только путемрешения геометрической задачи по векторной диаграмме (рисунок 2.2), но и спомощью применения в системе управления нейронных сетей либо прииспользовании алгоритмов нечеткой логики [105].Наиболее приемлемый алгоритм управления в системе DTC позволяетполучить классическая теория автоматического управления (ТАУ).

В связи с чемнаиболее удобным вариантом реализации вычисления фазового сектора векторапотокосцепления статора является подход с применением тригонометрическихфункций и векторной диаграммы, а не использование нечеткой логики либонейронных сетей.Если после всех математических операций получена фаза вектора80потокосцепления статора, то определение, к какому фазовому сектору онаотносится, можно по следующему алгоритму (с учетом того, что фаза векторапотокосцепления статора не больше 180о и исчисляется в градусах):еслиеслиеслиеслиеслиесли− 30 < θ ≤ 30, то  ψ S принадлежит сектору 1;30 < θ ≤ 90, то ψ  S принадлежит сектору 2;90 < θ ≤ 150, то ψ  S принадлежит сектору 3;(3.15θ > 150 или θ ≤ −150, то  ψ S принадлежит сектору 4; )− 150 < θ ≤ −90, то  ψ S принадлежит сектору 5;− 90 < θ ≤ −30, то ψ  S принадлежит сектору 6;Рассмотрим реализацию релейных регуляторов в системе прямого управлениямоментом.

Наибольшее применение в системах DTC имеют двухпозиционныйрелейный регулятор потокосцепления статора без зоны нечувствительности,трёхпозиционныйрелейныйрегулятормоментасиспользованиемзонынечувствительности. Оба релейных регулятор имеют гистерезисный допуск (рисунок3.7).а)б)Рисунок 3.7 Характеристики релейных регуляторов потокосцепления и моментас гистерезисным допуском:а) потокосцепления; б) электромагнитного момента81По рисунку 3.7, а, описание релейного регулятора потокосцепления статораможно представить следующим образом [2]:С при   X > b; при (dX / dt ) > 0Спри  X≤b;С при   X > −b; при (dX / dt ) < 0−≤−Спри  Xb;(3.16)Описание релейного регулятора момента асинхронного двигателя (рисунок 3.7б)можно представить с помощью следующей системы уравнений:С при   X > (a + b); при (dX / dt ) > 0−≤≤+приaXab0  ();−С при   X < −a;С при   X > a;0 при   −(a + b) ≤ X ≤ a; при (dX / dt ) < 0−С при   X ≤ −(a + b); (3.17)В случаях, когда необходима более быстрая реакция системы управления навозмущающее воздействие, параметр a в (3.17) принимают близким к нулю.Основой настройки релейных регуляторов потокосцепления статора иэлектромагнитного момента асинхронного двигателя является расчет величиныгистерезиса, а также определение зоны нечувствительности (применимо длятрехпозиционного реле) и пропорциональных коэффициентов усиления датчиковобратных связей.

Амплитуда выходного сигнала релейных регуляторов равна 1, асам сигнал представляет собой ряд импульсов прямоугольной формы с даннойамплитудой.Необходимая частота импульсов реализуется путем настройкивнутренних параметров блоков в каждом контуре.Если объект регулирования можно представить апериодическим звеномпервого порядка при использовании в контуре (как в контуре момента, так и в82контуре потокосцепления статора) релейного регулятора, то структурную схемутакого контура можно представить следующим образом (рисунок 3.8):Рисунок 3.8.

Типовая структурная схема контура регулирования системы срелейным регулятором при объекте управления представленным апериодическимзвеном 1-го порядкаЗначение частоты выходных импульсов релейного регулятора может бытьрассчитана следующим образом [2]:f рег =kop ⋅ koc2π ⋅ ( 2b ) ⋅ Top,(3.18)где kор - пропорциональный коэффициент усиления сигнала релейного регулятора;Тор постоянная времени объекта управления; kос - коэффициент усиления датчикаобратной связи.Амплитуда колебаний выходного значения ∆Y вблизи установившейсявеличины Yуст определяется следующим образом:∆Y =2b⋅ Y уст ,k oc(3.19)Определение параметров по выражениям (3.18) и (3.19) дает возможностьполучить оптимальную настройку контура с гистерезисным релейным регулятором(как регулятором момента, так и регулятором потокосцепления) [2].83Вариантпостроенияконтурарегулированиясиспользованиемтрехпозиционного релейного регулятора и объектом управления, представленнымапериодическим звеном 2-го порядка является более сложным в реализации,данный контур представлен на рисунке 3.9.Рисунок 3.9 Структурная схема контура регулирования с гистерезиснымрелейным регулятором с зоной нечувствительности.Главным фактором устойчивой работы, несмотря на любую сложностьконтура регулирования, является поддержание работы релейного регулятора вавтоколебательном режиме.