Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 4

Далее будет более подробнорассмотрена структура базовой системы управления скоростью электропривода спрямым управлением моментом асинхронного двигателя во внутреннем контуре.Рисунок 1.1 Функциональная схема системы электропривода с прямым управлением1819Система электропривода с прямым управлением моментом состоит изследующих основных блоков [2, 3]:− регуляторы (регулятор скорости, регулятор момента, регуляторпотокосцепления статора);− таблица переключений;− вычислитель фазового сектора;− формирователь фазных напряжений (по таблице переключений);− адаптивная модель двигателя (АМД - вычислитель ненаблюдаемыхкоординат АД).Данные звенья системы управления представляют в виде подсистем приреализации математической модели асинхронного электропривода. Входнымивоздействиями для регуляторов системы прямого управления моментом являютсязадание потокосцепления статора Ψзад и задание частоты вращения асинхронногодвигателя ωзад, а также сигналы обратных связей
по потокосцеплению статора Ψs(по его модулю), по текущему моменту на валу асинхронного двигателя
Мфакт и поего частоте вращения ωфакт.

Выходной сигнал регулятора скорости суммируется сотрицательной обратной связью по моменту АД Мфакт и далее подается на входрелейного регулятора момента электродвигателя. Выходными сигналами релейныхрегуляторов момента и потокосцепления статора являются их коммутационныефункции, которые, в свою очередь, являются входными воздействиями для блоков,отвечающих за формирование таблицы переключений, где и формируютсякоординаты для переключения управляющего вектора в системе управления внеобходимый сектор.

Данные блоки, простыми словами, вычисляют изначальнономера строк таблицы S1...S9 (обычно используется шесть строк таблицы S1-S6). 
Количество строк определяется выбранной конфигурацией релейных
регуляторовмомента и потокосцепления статора [2]. Далее, с учетом определенного поадаптивноймоделидвигателятекущегосектора,вкоторомнаходитсяуправляющий вектор, по таблице переключений формируется один из восьми20возможных пространственных векторов выходного напряжения
преобразователячастоты U0...U7. Сформированный управляющий пространственный векторнапряжения подается на блок, формирующий фазные напряжения.

Данный блок,сопоставляя полученный пространственный вектор напряжения от таблицыпереключений, выбирает вектор фазных напряжений UA*, UB* и UС*, которыереализуют алгоритм процесса переключения ключей инвертора напряжения [2, 74].Также следует отметить, что для функционирования адаптивной модели двигателянеобходимо фазные токи статора двигателя и напряжение в звене постоянного токапреобразователя частоты. Данные параметры необходимы для вычислениясигналов обратной связи в системе управления, а также для вычисления текущегосектора вектора напряжения.

Сигнал обратной связи по скорости АД может бытьвычислен как по АМД, так и с помощью датчика частоты вращения (ДЧВ). Какойиз двух вариантов реализации обратной связи по скорости АД использовать,определяется при индивидуальной реализации конкретной системы управления снеобходимыми показателями точности регулирования координат электропривода,для управления ТЭП локомотива, в частности, необходим датчик скорости.1.2 Пути повышения энергоэффективности электропривода с асинхроннымидвигателями.Одной из важнейших задач современного электропривода (ЭП) – этообеспечение энергоэффективности его эксплуатации. Исследования в областисозданияэнергосберегающихэлектроприводамиявляютсянаалгоритмоввсегодняшнийденьсистемахуправлениявесьмаактуальными.Существуют следующие пути энергосбережения в электроприводе:1.

В первую очередь – это грамотный выбор электродвигателя (ЭД) понагреву и мощности. Ведь большинство ошибок совершается именно на этойстадии разработки электропривода, когда коэффициент загрузки ЭД составляетпорядка 50% и менее;212. Также это и модернизация конструкции и материалов ЭД, а такжеувеличение количества активных материалов, что позволяет существенноповысить КПД;3. Переход к частотно-регулируемому ЭП;4.

Совершенствование структуры и алгоритмов систем управления частотно- регулируемого ЭП.В качестве базовых систем управления электроприводом, на основе которыхв дальнейшем реализуются энергоэффективные алгоритмы, преимущественноиспользуются скалярные или релейно-векторные системы.Так, например, в работе [79] Пугачевым А.А. предложен метод достиженияэнергосбережения асинхронного электропривода в скалярной системе управления.Здесь энергоэффективность достигается путем снижения мощности потерь припомощи поискового алгоритма.

Особенностью поискового алгоритма являетсядостижение экстремума минимума мощности потерь при помощи малогоотрицательного либо положительного приращения задания амплитуды напряжениядо достижения оптимального режима работы электропривода. Данный методявляется достаточно инерционным в связи с большими математическимивычислениями, но обладает таким преимуществом как – он не зависит отпеременных параметров объекта управления.Для получения более конкретной картины статических и динамическихпроцессов в асинхронном двигателе необходимо учитывать изменение величинысопротивления обмоток статора с учетом эффекта вытеснения тока, которыйоказывает существенное влияния при работе электропривода на низких частотах[82].

Повышение температуры обмоток АД в процессе работы электроприводавлечет за собой изменение его электромеханических характеристик и, какследствие, параметров системы управления, что является немаловажным факторомпри построении системы управления. Частично решить проблему снижениянапряжения магнитной цепи и соответственно магнитного потока на низкихчастотах позволяет так называемая IR – компенсация, т.е. незначительное22повышение напряжения относительно закона частотного управления U/f = const(рисунок 1.2).Рисунок 1.2 Закон частотного управления U/f = const с учетом IR компенсацииИзменение величины сопротивления обмоток статора асинхронногодвигателя в зависимости от температуры также приводит к отклонениюоптимальных значений контролируемых величин, в частности потокосцепленийстатора, ротора, главного потокосцепления, тока статора либо ротора взависимости от алгоритма системы управления. В этом плане система прямогоуправления моментом DTC является наиболее оптимальным решением, посколькуявляется менее чувствительной к изменению параметров электродвигателя.В работе [80] Алексеевым В.В.

проведен анализ динамических режимов вчастотно-регулируемом электроприводе с векторными системами управления.Было отмечено, что системы векторного управления с жестким законом реализацииалгоритмауправленияпозволяютповыситьэнергетическиепоказателиэлектропривода по критерию минимума дополнительных потерь. Достаточновысокая сложность классической векторной системы управления с непрерывнымизаконами управления в полной мере компенсируется применением релейновекторных систем управления и системы прямого управления моментом.Используя одну и ту же силовую часть электропривода (рисунок 1.3), можноформировать выходное напряжения автономного инвертора напряжения (АИН)различными способами: путем широтно-импульсной модуляции либо «релейным»23способом, либо с переходом в ТЭП при определённых частотах на однократнуюкоммутацию ключей [54;87].Рисунок 1.3 Схема силовой части асинхронного электропривода спреобразователем частоты, включающим в себя автономный инверторнапряжения (АИН) и неуправляемый выпрямитель (НВ)Для формирования напряжения в таких системах используются PWM (PulseWidth Modulation) – классическая широтно-импульсная модуляция и SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) – пространственная векторная широтноимпульсная модуляция, релейно-векторное регулирование и отдельно, как способформирования выходного напряжения инвертора можно указать его формированиев системе с прямым управлением моментом, основанное на табличном вычислениии переключении вектора напряжения [80].В работах [43, 44, 46, 49] описан метод оптимизации классических векторныхсистем управления асинхронным электроприводом с целью энергосбережения покритерию минимума потребления тока статора, который достигается посредствомподдержания необходимого угла между моментообразующими векторами.

Вкачестве моментообразующих рассмотрены следующие пары векторов:1) потокосцепление ротора и ток статора;2) потокосцепление статора и ток статора;3) главное потокосцепления и ток статора.В [4, 43] геометрическим расчетом выявлено, что оптимальный с точкизрения минимизации тока статора угол между векторами тока статора и24потокосцепления ротора составляет при отсутствии насыщения магнитной цепи45°. Данный расчет может служить основой для определения угла междуостальными парами моментообразующих векторов, с использованием векторнойдиаграммы потокосцеплений и токов АД (рисунок 1.4). Опираясь на даннуювекторную диаграмму, можно определить минимум тока статора при заданнойвеличине момента асинхронного двигателя [43].

На данной диаграмме θS - уголмежду векторами тока и потокосцепления статора; θΨ - угол между векторамипотокосцепления статора и потокосцепления ротора, ΨS - вектор потокосцеплениястатора;ΨR-векторпотокосцепленияротора;Ψm–векторглавногопотокосцепления; IS и I′R – вектора тока статора и приведённого тока роторасоответственно; Е1 – вектор ЭДС статора.Также в работе [43] проведен анализ построения системы управления вразличных системах координат. Сравнивая 3-х фазную неподвижную системукоординат a, b, c, двухфазную неподвижную систему координат относительностатора α, β и вращающуюся систему координат d, q, ориентированную попотокосцеплению ротора, автор указывает, что в системе координат d, q гораздоудобней формируется система уравнений асинхронного двигателя и описываютсяэлектромагнитные процессы в электродвигателе.Более подробно реализация энергоэффективных алгоритмов в системахуправления асинхронным электроприводом с прямым управлением моментомпредставленавработах[3,84].Системыуправленияасинхроннымэлектроприводом с прямым управлением моментом обеспечивают высокоебыстродействие контура момента, высокую быстроту реакции на управляющеевоздействие по моменту [84].

Данное преимущество позволяет строить на базеструктуры данной системы алгоритмы, повышающие энергетические показателиасинхронного электропривода. В работе [84] представлен поисковый алгоритм набазе нечеткой логики, реализовывающий в системе прямого управления моментомминимизацию тока статора и потерь за счет стабилизации угла междумоментообразующими векторами асинхронного электродвигателя.