Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 3

В целом бурное развитие полупроводниковых элементов ивычислительной техники поспособствовало к дальнейшему усовершенствованиюсложных,требующихбольшогоколичестваматематическихвычисленийвекторных систем управления [10, 13, 18, 24].Следующимсерьезнымшагомвразвитиивекторногоуправленияэлектропривода является система прямого управления моментом. Впервые теориюо прямом управлении моментом (DTC – direct torque control) представили в 1971году немецкие и японские исследователи M. Depenbrock, I. Takahashi, T. Noguchi.Методпрямогоуправлениямоментомбылизначальноразработандляиспользования в электроприводах, где реализуется непосредственное управлениемоментом тяговых двигателей и высокомощных серводвигателей. Та структурапрямого управления моментом, которая сейчас считается традиционной (стаблицей переключений) впервые опубликована I. Takahashi в 1984 году в статьежурнала IEEJ.

И уже через десть лет компанией ABB (Asea Brown Boveri Ltd) былначат серийный выпуск комплектных электроприводов, построенных на принципепрямого управления моментом. Первыми сериями электроприводов были ACS6000, ACS-800, ACS-1000 [2, 3, 9, 17].С середины 90-х годов XX века и по сегодняшний день среди всех типовсистем управления электроприводами наиболее актуальными и перспективнымиявляются:1. Скалярное управление.2. Частотно-токовое управление (скалярное и векторное).3. Классическое векторное управление.134. Прямое управления моментом.Все вышеуказанные системы активно применяются для асинхронногоэлектропривода. Первоначальный способ управления асинхронным двигателем(АД), реализованный на одновременном регулировании частоты и амплитудыстаторного напряжения, именуемый скалярным управлением АД, по сегодняшнийдень широко применяем иявляетсяпопулярным вомногих отрасляхпромышленности и транспорта [1, 13, 18].Принцип действия скалярного управления асинхронным двигателемзаключается в поддержании постоянства отношения амплитуды и частотыпитающего напряжения.

В зависимости от типа нагрузки электроприводаотношение может претерпевать изменения, так при вентиляторной нагрузкепостоянным должно поддерживаться отношение амплитуды напряжения кквадрату частоты напряжения. Независимым воздействием зачастую выступаетчастота напряжения, при этом напряжение вычисляется по механическойхарактеристике при заданной частоте, критическом и пусковом моменте.Постоянная перегрузочная способность асинхронного двигателя, которая независит от частоты напряжения, обеспечивается при реализации скалярногоуправления, однако при низких частотах может возникнуть серьезное падениеэлектромагнитного момента асинхронного двигателя. Максимальный диапазонрегулированиискоростиэлектроприводаприиспользованиискалярногоуправления не превышает 1:10, в редких случаях 1:(10...25) (при вентиляторнойнагрузке), при условии отсутствия снижения электромагнитного момента на валуротора электродвигателя [10, 17, 19, 28].Скалярное управление асинхронным двигателем является довольно простореализуемым, но при этом все же имеются два недостатка, которые не позволяютприменять данную систему для решения широкого спектра задач.

Во-первых, приотсутствии датчика скорости на валу электродвигателя является невозможнымрегулирование скорости вращения вала, по причине зависимости её отвоздействующей на электропривод нагрузки. Решением данной проблемы являетсяустановка датчика скорости на валу электродвигателя. Однако данной системе14присущ еще один недостаток – это практически отсутствующая возможностьуправлять моментом на валу двигателя. Это реализуемо при установке датчикамомента,ноценаподобныхдатчиковможетпревыситьценусамогоэлектропривода [17, 18, 24].

Даже при наличии датчика момента в системе процессуправления этим самым моментом оказывается весьма инерционным. Такжеследует отметить, что скалярное управление АД можно охарактеризоватьневозможностью реализации одновременного регулирования скорости и момента.Как следствие, приходится останавливаться на регулировании той величины,которая наиболее необходима при реализации требуемого технологическогопроцесса.Частотно-токовое управление асинхронным электроприводом подразумеваетподсобойв первую очередь управлениеэлектромагнитным моментомасинхронного двигателя, а не угловой скоростью как в приводах с традиционнымскалярным частотным управлением. Это обусловлено тем, что электромагнитныймомент асинхронного двигателя прямопропорционален току в обмотке статора,который в свою очередь непосредственно связан с нагрузкой электродвигателя.Данная зависимость является нелинейной и выражается через абсолютноескольжение Is2 ≅ Sa. В приводах с частотно-токовым управлением асинхронныйдвигатель питается от преобразователя частоты, работающего в режиме источникатока.

Данная работа ПЧ реализуется следующими основными способами [19, 24,78]:1) наосновеавтономногоинверторатока(АИТ)суправляемымвыпрямителем (УВ), где АИТ выполняет функцию формирования частотывыходного тока, а УВ выполняет функцию источника постоянного тока;2) на основе НПЧ, в котором для каждой вентильной группы реализуетсявнутренний контур регулирования тока, а при помощи генератора частоты (ГЧ)задается частота выходного тока;3) на основе автономного инвертора напряжения (АИН) с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ), управляемого током, с организацией контуроврегулирования фазных токов статора.15Существует также векторное частотно-токовое управление асинхроннымэлектроприводом. Оно характеризуется тем, что, в отличие от скалярной системычастотно-токового управления, где управление АД реализуется посредствомрегулирования амплитуды и частоты тока питающей сети, векторная системачастотно-токового управления обладает раздельными контурами управленияскоростью и моментом АД при помощи регулирования двух составляющих токастатора ISx и ISy, определяющие угловую скорость и электромагнитный моментсоответственно [19, 28].Вообщеперваямодификациявекторногоуправленияасинхроннымэлектроприводом, изобретенная немецким исследователем F.

Blaschke, имевшаяназвание «Transvektor», представляет собой систему управления, основой которойявляетсясистемадифференциальныхуравнений,отображающихэлектромагнитные процессы в асинхронном двигателе в векторной форме, где всевектора представлены в системе координат, ориентированной по направлениюглавного магнитного поля.

Данная система в зарубежных источниках именуетсякак field-oriented control (FOC), иначе «полеориентриованное управление» [19].Векторныесистемыуправленияэлектроприводами(СУЭП)классифицируются по многим характерным признакам, в частности, ониразделяются по принципу получения информации о текущих значенияхконтролируемых величин, и данная классификация выглядит следующим образом[6, 13]:1) векторные СУЭП с прямым измерением контролируемых величин спомощью датчиков;2) векторные СУЭП с косвенным вычислением контролируемых параметровс помощью математической модели электродвигателя.Системы управления, использующие прямое измерение управляемыхвеличин, обладают преимуществом, поскольку параметры электродвигателя впроцессе работы могут серьезно отклоняться от паспортных значений и обладаютвысокой нестабильностью, что может привести к большим неточностямвычислений и, как следствие, снижению качества регулирования координат16электропривода.

Однако следует отметить, что активное развитие вычислительнойтехники позволяет строить сложные структуры систем управления, включающие всебя большое количество математических вычислений, без большого ущерба длякачества требуемых статических и динамических характеристик электропривода[28, 31].Припостроенииэлектроприводомвекторнойопираютсянасистемыуравнениеуправленияасинхроннымэлектромагнитногомоментаэлектродвигателя, в частности на пару векторов, формирующих данныйэлектромагнитный момент.В общем виде уравнение электромагнитного момента асинхронногодвигателя выглядит следующим образом: 3M=pп ⋅ C ⋅ (a × b),2(1.1)где pп – количество пар полюсов двигателя, a и b – моментообразующие вектора, C– коэффициент, определяемый в зависимости от выбранных моментообразующихвекторов.Ниже представлена таблица для определения коэффициента C (таблица 1.1)в уравнении электромагнитного момента (1.1) и в целом для определенияконечного вида уравнения в зависимости от выбора моментообразующих векторов[19].Таблица 1.1Таблица определения коэффициента C уравнения электромагнитногомомента асинхронного двигателяbaΨ1i1Ψ2i2ΨmΨ1*1-k1k2/σLm- k1*i1-1*- k2- Lm-1Ψ2k1k2/σLmk2*-1*i2k1Lm1*1Ψm*1*-1*17В таблице 1.1, приведенной выше k1 = Lm/ L1; k2 = Lm/ L2; σ = 1- k1k2 –соответственно, коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора икоэффициент рассеяния, * - означает, что момент через данные вектора неопределяется.Как известно ток ротора АД при построении системы управления весьмасложно наблюдаем и его очень трудоемко точно определить, следовательно,предпочтительнейиспользоватьв системеуправлениятокстаторакакмоментообразующий.

При выборе потокосцепления, одним из определяющихфакторов является возможность его вычисления без использования датчиков.Потокосцепление статора и главное потокосцепление можно определить помгновенным значениям тока и напряжения статора, что как раз удовлетворяетжелаемымтребованиям,нопривыбореданныхпотокосцепленийкакмоментообразующих математическое описание системы управления получаетсятрудоемким, ввиду высокой сложности и проблематичности примененияполученных передаточных функций на практике при реализации конкретныхзадач.Системы, основанные на традиционном управлении вектором регулируемойкоординаты, уступают по ряду немаловажных параметров системам DTC, которыево многих источниках позиционируют как продолжение развития векторныхсистем и продолжают называть векторными. Основными отличиями традиционныхсистем векторного управления от системы прямого управления моментом (рисунок1.1) заключаются в том, что система DTC не подразумевает многократныхпреобразований координат, отдельного на каждую составляющую статорного токарелейного регулятора, звеньев, реализующих компенсацию перекрестных связей.Дополнительно следует отметить, что система DTC менее восприимчива кнеточности данных о наблюдаемых параметрах объекта регулирования ивозмущениям в процессе регулирования координат.