Диссертация (792772), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Для более удобного решения задачисинтеза системы управления (СУ) на базе регулируемого СДПМ с векторной СУ,уравнения (3.13) запишем относительно тока статора (Id, Iq):==11( − + Э );( − − Э − Э );3(3.14)Э = [ + ( − ) ];{2= (Э − − ).На рисунке 3.3 представлена структурная схема неявнополюсного СДПМ восях (d, q). В этом случае индуктивность обмотки статора одинаковая, как попродольной, так и по поперечной оси LS=Ld=Lq.Рисунок 3.3 – Структурная схема СДПМ в осях (d, q)8283Следует отметить, что структурная схема и математическое описание СДПМзначительно проще по сравнению с АД или СДОВ, благодаря меньшемуколичеству перекрестных связей и постоянству магнитного потока, создаваемогоротором.
Другой причиной, упрощающей математическую модель СДПМ,является отсутствие обмотки на роторе, что делает его схожим с двигателемпостоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ).Структурная схема, представленная на рисунке 3.3, дает возможностьпостроенияимитационноймоделиСДПМвсредеMatlab/Simulinkдлямоделирования и исследования динамических процессов синхронного двигателя всоставе СТЭО ЭТС.3.3.
Математическая модель системы векторного управлениятрехфазного инвертора и синхронного двигателя с постоянными магнитами3.3.1. Принцип векторного управленияВекторное управление является методом управления электродвигателямипеременного тока (асинхронного и синхронного с постоянными магнитами),который формирует не только гармонические токи и напряжения фаз, но иобеспечивает управление магнитного потока электродвигателя. Данный методуправления электродвигателем переменного тока обеспечивает независимое ипрактически безынерционное регулирование скорости вращения ротора, а такжекрутящего момента на валу двигателя.Основной принцип векторного управления заключается в регулировании нетолько величины напряжения и его частоты (наподобие скалярного), но и фазы[13].В результате теоретических и практических исследований в этой области насегодняшний день разработаны высокоэффективные электроприводы с векторнымрегулированием, с высокой точностью регулирования, базовые принципы которыхбыли разработаны еще в 70-х годах ХХ века.
Основная причина развития принципа8384векторного управления заключается в том, что при скалярном методе управленияне обеспечивается быстрая реакция на резкое изменение нагрузки, т.е. скалярноеуправление преимущественно используется в электроприводах, где нагрузка неменяется скачкообразно.При векторном принципе управления электроприводов устраняютсяпрактически все недостатки скалярного метода управления. Преимуществомвекторного управления по сравнению со скалярным является: большой диапазон регулирования; быстрая реакция на изменение нагрузки (хорошая динамика); плавный пуск электродвигателя; высокая точность регулирования скорости во всем диапазоне; высокая эффективность.К основным недостаткам векторного способа управления скоростьюдвигателя можно отнести большую вычислительную сложность по сравнению сдругими способами [15].3.3.2.
Структурная схема системы регулирования трехфазногоинвертора и синхронного двигателя с постоянными магнитамиОсобенностью системы векторного регулирования является то, чтосинхронныйдвигательспостояннымимагнитами,вотличиеотобщепромышленных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором илисинхронных двигателей с обмоткой возбуждения, питаются в основном отполупроводниковых преобразователей (трехфазных инверторов), в связи с чем ихчасто называют «вентильными».Функциональная схема системы векторного регулирования СДПМ показанана рисунке 3.4.8485Рисунок 3.4 – Функциональная схема системы векторного управления СДПМ: ТТИ– трехфазный тяговый инвертор; СДПМ – синхронный двигатель с постояннымимагнитами; регулятор тока q – составляющей (РТ(Iq)) – это П - или ПИ - регулятор,вырабатывающий сигнал задания напряжения из сигнала ошибки тока по оси q;регулятор тока d – составляющей (РТ(Id)) – это П - или ПИ - регулятор,вырабатывающий сигнал задания напряжения из сигнала ошибки тока по оси d;регулятор скорости (РС(ω)) – это ПИ - или ПИД - регулятор, вырабатывающийсигнал задания момента из сигнала ошибки по скорости; датчик положения (ДП) –это устройство с помощью которого определятся положение ротора.Существует несколько видов датчиков положения ротора, основными изкоторых являются датчики на основе элемента Холла, которые устанавливаются надвигатели (в трехфазных двигателях их обычно три) и выдают импульсы привращении ротора.
Этот метод позволяет получить информацию о положенииротора с более низкой точностью по сравнению с другими методами.Другим видом датчика положения ротора является абсолютный датчикположения с цифровым интерфейсом, который позволяет получить информацию оположении ротора с высокой точностью, и у него отсутствует недостатки, которыеимеют датчики на основе элементов Холла. Однако этот способ является болеедорогостоящим и используется в высокоточных электроприводах.
Третьимспособом определения положения ротора является использование сельсинного8586датчика (вращающегося трансформатора). Этот датчик дает достаточно точнуюинформацию о положении ротора.Вычислитель скорости (ВС), используя выходной сигнал датчика положения(если используется один из вышеперечисленных датчиков), вырабатывает(вычисляет) сигнал, по которому можно определить частоту вращения ротора.Сигнал обратной связи по скорости ωr используется для сравнения с сигналомзадания ωз, и, далее, при появлении сигнала ошибки регулятор скоростивырабатывает сигнал задания момента, пропорциональный величине этой ошибки.Если система регулирования является бездатчиковой, то узел ВС оцениваетреальную скорость косвенным методом, используя модель двигателя.
Задачейблока компенсации перекрестных связей (БКПС) заключается в формированиисигналов, компенсирующих влияние перекрестных связей, возникающих в контуререгулирования вектора тока статора, согласно выражению: = −{ =1пч1пч ( + ),(3.15)где kПЧ – коэффициент передачи преобразователя частоты по амплитуденапряжения. Задача преобразователя координат ПК1 (dq → ABC) заключается впреобразовании напряжения, заданного в ортогональной системе координат (d, q),в естественную систему координат (A, B, C).Преобразование осуществляется согласно выражению: = − ;{ = ( −23) − sin( −23) .(3.16) = −( + ).Задачей векторного модулятора (ВМ) является преобразование выходногонапряжения ПК1 в импульсы управления ключами ТТИ на основе методавекторного формирования ШИМ [13].8687Преобразователь координат ПК2 (ABC → d, q) осуществляет преобразованиевектора тока статора из естественной трехфазной системы координат (A, B, C) вортогональную синхронную систему координат (d, q), используя следующиеуравнения: ={ =2√32[ sin ( + ) + sin( )] ;3(3.17)[ cos ( + ) + cos( )] ,√3 3где φr – электрическое угловое положение ротора, получаемое с датчикаположения.Преобразователи координат ПК1 и ПК2 при преобразовании векторов напряженийи токов используют известные уравнения Кларка (3.6, 3.7) и Парка (3.8, 3.9).3.3.3.
Векторная широтно-импульсная модуляцияПривекторнойширотно-импульсноймодуляции(ВШИМ)векторнапряжения реализуется с помощью базовых векторов в трехфазной системекоординат. Базовые векторы характеризуются определенным состоянием ключейна инверторе, которые показаны на рис. 3.5.Рисунок 3.5 – Схема замещения трехфазного инвертораПри регулировании методом векторной ШИМ создается период модуляциисигнала, когда выводы обмоток статора, по определенной очередности(алгоритму), подключается к отрицательному и положительному потенциалувходного напряжения постоянного тока Ud.
Под алгоритмом формирования8788выходного вектора напряжения подразумевается последовательность включенияобразующих векторов, в результате которой на выходе инвертора образуетсязаданное значение вектора напряжения.Поскольку частота переключения ключей инвертора очень высокая, и приработе этих ключей генерируются гармонические помехи, искажающие выходноенапряжение от синусоидального, то задачу сглаживающего фильтра могутвыполнятьобмоткистаторадвигателя,обладающиеиндуктивнымсопротивлением. В таблице 3.2 приведен порядок включения (состояние) ключейтягового инвертора (ТИ) и соответствующие базовые векторы.
Всего имеется 23=8возможных состояний ключей инвертора. Переключение методом векторногоШИМ происходит при большой частоте и при достаточно сложном режиме работыиориентированнамикропроцессорнуюреализацию.Вкачествемикропроцессорной системы управления применяется контроллеры.Таблица 3.2 – Состояние ключей ТИ и соответствующие им двоичные кодыОбозначение базовоговектора cсоответствующимдвоичным кодомОбозначениеV1V2V3V4V5V6V7V8Двоичныйкод100110010011001101000111Состояние ключей инвертораФаза АФаза ВФаза СК1К2К3К4К5К6110001100011100101110010100011010001111011100001Векторы выходных напряжений инвертора и схемы состояний ключей,соответствующие всем возможным вариантам, представлены на рисунках 3.6 и 3.7.8889Рисунок 3.6 – Состояние ключей инвертора на схемеКак видно из рисунка 3.7, каждое из восьми возможных состояний ключейимеет свой трехразрядный двоичный код.Рисунок 3.7 – Активные (ненулевые) базовые векторы в неподвижной системекоординат (α, β)Таким образом, базовый вектор напряжения формируется за счет перехода отодного состояния ключей в другое.
Из восьми возможных вариантов состояния8990ключей шесть является активным, т.е. ненулевым. Они образуют граничныевекторы (V1…, V6), и два нулевых образуют нулевые векторы (V7, V8),соответствующие подключенному состоянию всех фаз обмоток двигателя либо кположительному,либокотрицательномуполюсувходногонапряженияпостоянного тока Ud.Так как обмотки двигателя имеют одинаковое сопротивление, все активныевекторы имеют одинаковую амплитуду:21…6 = .(3.18)3Вектор напряжения статора реализуется с использованием базовых векторов.Как видно из таблицы 3.2 и на рисунке 3.7, сектор от 0° до 60° соответствуетбазовым векторам V1, V2, V7, V8, а сектор от 60° до 120° – векторам V2, V3, V7, V8 ит.д.
В других секторах – аналогичным образом.На рисунке 3.8 представлена реализация заданного вектора напряжения ⃗⃗⃗⃗ ,которая может быть образована в любом секторе, показанный на рисунке 3.7.Рисунок 3.8 – Реализация заданного вектора напряжения ⃗⃗⃗⃗Так, максимальное значение вектора ⃗⃗⃗⃗ достигается на границах сектора иравно: 2/3Ud:23 cos(30°) =√3.(3.19)9091Как видно из (3.19), минимальное значение достигается в середине секторапри угловом положении, равным φ=30°:Из рисунка 3.8 следует, что значение формируемого вектора ⃗⃗⃗⃗ являетсяфункцией от углового положения φ.3.4. Математическая модель трехканального преобразователяпостоянного напряженияВ отличие от одноканального преобразователя, у которого имеется двасостояния схемы, во всем периоде коммутации, многоканальные ППН могут иметьнесколько состояний. Количество состояний схемы МППН зависит от количестваканалов и режима подачи импульсов (алгоритма управления ключами) впараллельно работающих преобразователях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
