CC BY
17
DOI 10.36622/VSTU.2021.15.5.014 УДК 621.3.076.7
СПОСОБ ВЕКТОРНОГО ЧАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
С.В. Аникин1, В.Л. Бурковский2, А.К. Муконин2, Д.А. Тонн2, В.А. Трубецкой2
военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: анализируется проблематика векторного частотного управления асинхронным электроприводом, широко применяемым в качестве исполнительного элемента в рамках современных средств построения обрабатывающих комплексов, разрабатываемых в машиностроительной отрасли. Предлагается вариант частотно-регулируемого асинхронного электропривода, управляемыми величинами которого являются полярные координаты вектора тока в обмотке статора. В данном варианте применяется закон управления, согласно которому угол между векторами тока в обмотке статора и потокосцеплением обмотки ротора не меняется. Управление скоростью вращения электропривода и электромагнитным моментом реализуется заданием модуля тока обмотки статора. При этом формирование угла поворота вектора тока обмотки статора, зависящего от модуля величины потокосцепления роторной обмотки и значения скольжения асинхронного двигателя, дает возможность сохранять постоянным угол между векторами тока обмотки статора и потокосцеплением обмотки ротора, что, в свою очередь, реализует направленное формирование переходных процессов в асинхронном двигателе. Рассматриваемый вариант частотно-регулируемого асинхронного электропривода может найти применение в производственных механизмах, в которых быстродействие не является определяющим критерием функционирования привода, а важно плавное регулирование электромагнитного момента и возможность его ограничения во всех режимах работы. Данный способ управления характеризуется тем, что электромагнитный момент определяется исключительно модулем тока обмотки статора, а контур регулирования скольжения используется для реализации закона поддерживания постоянства угла между током обмотки статора и потокосцеплением обмотки ротора
Ключевые слова: исполнительный орган электропривода, обрабатывающий комплекс, асинхронный электропривод, асинхронный двигатель, управление, вектор тока обмотки статора, потокосцепление обмотки ротора, закон управления
Введение
В качестве исполнительного элемента в современных обрабатывающих комплексах, разрабатываемых в машиностроении, широко используется асинхронный электропривод. Наличие как минимум двух каналов управления таким электроприводом позволяет реализовать разные законы регулирования электромагнитного момента Мэм с учетом критериев функционирования в зависимости от требований, предъявляемых к электроприводу и условий его функционирования.
С целью упрощения системы управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом используются режимы стабилизации одного из параметров асинхронного двигателя. В частности, к таким режимам относятся режим работы с поддержанием постоянства частоты скольжения тока статора о)2г [1] или по-токосцепления ротора [2].
© Аникин С.В., Бурковский В.Л., Муконин А.К., Тонн Д.А., Трубецкой В.А., 2021
Рассмотрим возможность реализации варианта частотно-регулируемого асинхронного электропривода, в котором поддерживается постоянным угол измеряемый между
векторами тока обмотки статора и потокосцеп-ления обмотки ротора. Данный вариант позволяет осуществлять направленное формирование переходных процессов [3].
Математическая модель асинхронного двигателя
При построении системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом, в которой реализован закон управления, согласно которому величина угла а^ = const постоянна, применяется математическая модель асинхронного двигателя в системе координат, которая вращается с частотой равной частоте вращения вектора тока обмотки статора. Тогда, используя векторную форму записи, имеем математическую модель асинхронного двигателя, которая имеет следующий вид:
dijjr
RrIr + dt
+ jfai — ы)грг = 0;
^m^s + LrIr Tpr; — 3ZpKr($r4s) = Мэм.
(1)
где Яг - активное сопротивление обмотки ротора;
ш - частоты вращения ротора асинхронного двигателя;
о); - частоты вращения вектора тока обмотки статора;
15 - вектор тока обмотки статора;
1Г - вектор тока обмотки ротора;
- вектор потокосцепления обмотки ротора;
- число пар полюсов асинхронного двигателя;
Tr =rL -
электромагнитная постоянная
роторной цепи;
Кг = ^ - коэффициент электромагнитной
связи ротора.
Данная математическая модель асинхронного двигателя представляет собой инструмент, позволяющий синтезировать и реализовать систему управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом. Для реализации поставленной задачи применяем систему координат 0,1,2, в которой ось 1 совмещена с вектором тока обмотки статора Is. В качестве управляемых величин используются полярные координаты вектора тока статора. Система уравнений, описывающих асинхронный двигатель, как объект частотного управления, имеет вид:
IsLm = 'фг cos <р + фг cos <рТг + ^
+ш21Тг-фг sin^; >(2)
ш2i^r^r cos ф = фг sin фТг + ^)г sin ф J
Векторная диаграмма асинхронного двигателя в системе координат 0,1,2 приведена на рис. 1.
На основе системы уравнений (2) и векторной диаграммы, приведённой на рис. 1, составим структурную схему асинхронного двигателя, введя в структуру оператор tg^(S), характеризующий угол между векторами Is и xfjr: _ ^2i(s)Tr
tg<P(s) = j+^.
В операторной форме записи имеем: Is(s)Lm — M2i(s)Tr(s) = ^r(s)(1 + Trs); (4)
(3)
Рис. 1. Векторная диаграмма АД в системе координат 0,1,2
Структурная схема асинхронного двигателя показана на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема асинхронного двигателя, реализованная в системе координат 0,1,2
Анализ приведённой структуры асинхронного двигателя показывает, что такая электрическая машина при частотном управлении представляет собой объект с параметрической обратной связью [4].
Модель можно использовать в качестве инструмента синтеза системы управления электроприводом на базе асинхронных двигателей.
Система векторного частного управления
При реализации закона частотного управления с стабилизацией величины угла ф между векторами тока обмотки статора 15 и потокос-цеплением обмотки ротора получим:
^ = Т+т^ = к' (5)
где к - тангенс угла ф.
Из векторной диаграммы (рис. 1) получим:
=
ЫЦТг'ФГ <Рп + Тгфг К<Рп + тгфг)
= к;
(6)
Т^ ^^ \ £ <у
= +
где - статическая составляющая частоты скольжения;
о)д - динамическая составляющая частоты скольжения.
Для систем векторного частотного управления угол поворота вектора тока статора получен путём интегрирования уравнения из (6): аг = а + ш5 Ь + 1п ■фт . (7)
Для реализации управления с поддержанием постоянства угла ^ необходимо наличие датчика положения и информации о потокос-цеплении ротора. Кроме того, необходимо использовать блоки обратного и прямого преобразования координат: БОПК и БППК.
На рис. 3 приведён вариант структуры системы электропривода, для которого применяется закон частотного управления, характеризующийся постоянством угла между вектором тока обмотки статора и потокосцеплением обмотки ротора.
Угол ^ остается неизменным вследствие реализации динамической составляющей о)2д в функции тока обмотки статора и потокосцеп-ления обмотки ротора. Тангенс угла ^ обозначим постоянной к. Из векторной диаграммы при к = const см. (рис. 1) потокосцепление
определяется из соотношения:
1 1
(8)
^r(s) /s(srVTTF TrS + T Функциональная схема электропривода приведена на рис. 3.
В структуре электропривода используются следующие элементы:
регулируемые источники тока РИТа, РИТв, РИТс - в фазах а, b, с;
ПК - преобразователь координат, на входы которого подаются сигналы заданного модуля вектора тока статора, динамическая и статическая составляющие скольжения и угол поворота вала двигателя [5];
БС - бесконтактный сельсин. Реализация аналогичного ПК приведена в [6]. Недостатком такого варианта электропривода является параметрическая настройка динамической составляющей скольжения в связи с отсутствием информации о xfjr.
Этого недостатка лишён вариант электропривода, приведённый на рис. 4.
Для измерения xfjr используют датчики Холла. В блоке ДП осуществляется расчёт проекций вектора xfjr на оси системы координат 0,1,2, связанной с вектором тока статора. В функциональном преобразователе ФП2 осуществляется определение tgy по составляющим и фг2. Это значение сравнивается с заданным значением tgq)* и разность отрабатывается с помощью регулирования динамической составляющей о)2д с использованием регулятора Рск.
Структурная схема асинхронного двигателя, реализованная в системе координат 0,1,2, функциональные схемы электропривода с частотно-токовым управлением с а^ = const и с управлением по вектору тока статора а^ = const были апробированы и реализованы в среде MATLAB [7, 8]. С помощью математического моделирования была показана адекватность данных математических моделей и схем.
Рис. 3. Функциональная смеха электропривода с частотно-токовым управлением с а^, = const
Рис. 4. Функциональная схема электропривода с управлением по вектору тока статора а^, = const
Основные выводы
1. Для преобразования производственных механизмов представляется целесообразным использование варианта электропривода с стабилизацией угла между вектором тока обмотки статора и потокосцепления обмотки ротора. Это касается механизмов, в которых быстродействие не является определяющим критери-
ем. Примером таких систем является перегрузка машины АЭС, где приводы работают только в период перегрузок ядерного топлива. Основным критерием является безопасность и надёжность функций электроприводов.
2. При реализации закона частотного управления с стабилизацией угла между током обмотки статора и потокосцеплением обмотки ротора представляется возможным сравнительно простыми средствами разработать систему управления. При этом момент асинхронного двигателя строго ограничен модулем тока статора и пропорционален квадрату тока статора.
3. В системах частотного управления электроприводами с ф = const осуществляется направленное формирование переходных процессов.
Литература
1. Курнышев Б.С. Векторная ориентация переменных асинхронного двигателя без информации о потокос-цеплениях // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2013. Вып. 1. С. 51-55.
2. Дубов А.А., Трубецкой В.А., Тони Д.А. Анализ вариантов асинхронных электроприводов с управляемыми координатами вектора статора // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: тр. Всерос. студ. науч.-техн. конф. Воронеж, 2019. С. 90-93.
3. Асинхронный частотно-управляемый электропривод для промышленных роботов / В.А. Трубецкой, А.К. Муконин, Д.А. Тонн, В.Р. Хорт // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: тр. Междунар науч.-техн. конф. Воронеж, 2019. С. 317-320.
4. Асинхронный частотно-токовый электропривод специального назначения / В.И. Черноусов, В.А. Трубецкой, А.К. Муконин, Т.А. Сазонова, Д.А. Тонн // Альтернативная и интеллектуальная энергетика: тр. II Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж, 2020. С. 30-31.
5. Трубецкой В.А., Ефремов Д.А., Щеблыкина Н.И. Частотно-регулирующий асинхронный электропривод для промышленных роботов // Автоматизация и роботизация технологических процессов: тр. науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 10-13.
6. Фираго Б.И., Васильев Д.С. К вопросу векторного управления асинхронными двигателями // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 5. С. 5-16.
7. Даденков Д.А., Солодкий Е.М., Шачков А.М. Моделирование системы векторного управления асинхронным двигателем в пакете MATLAB/SIMULINK // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2014. № 11. С. 117-128.
8. Денисов В.А., Третьякова М.Н., Бородин О.А. Математическое моделирование асинхронных электроприводов с векторным управлением // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2016. Т. 12. № 1. С. 5-12.
Поступила 01.09.2021; принята к публикации 19.10.2021 101
Информация об авторах
Аникин Сергей Викторович - младший научный сотрудник, 34 ОНИ НИЦ (НПО и УА ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 "А"), e-mail: anikin72@mail.ru
Бурковский Виктор Леонидович - д-р техн. наук, профессор кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: bvl@vorstu.ru, тел. 8(473)243-77-20
Муконин Александр Константинович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: mukonin_ak@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20
Тонн Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: tonnda@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20
Трубецкой Виктор Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: viktortrubetsckoi@yandex.ru, тел. 8(473)243-77-20
METHOD OF VECTOR PRIVATE CONTROL OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE
S.V. Anikin1, V.L. Burkovskiy2, A.K. Mukonin2, D.A. Tonn2, V.A. Trubetskoy2
Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy", Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article analyzes the problems of vector frequency control of asynchronous electric drive, widely used as an executive element in the framework of modern means of constructing processing complexes developed in the machinebuilding industry. Here we propose a variant of a frequency-controlled asynchronous electric drive, in which the polar coordinates of the current vector in the stator winding are the controlled quantities. In this variant, the control law is applied, according to which the angle between the current vectors in the stator winding and the flow coupling of the rotor winding does not change. The control of the speed of rotation of the electric drive and the electromagnetic torque is realized by setting the current module of the stator winding. At the same time, the formation of the angle of rotation of the current vector of the stator winding, depending on the modulus of the magnitude of the flow coupling of the rotor coil and the sliding value of the asynchronous motor, makes it possible to keep the angle between the current vectors of the stator winding and the flow coupling of the rotor winding constant, which in turn implements the directional formation of transients in the asynchronous motor. The considered variant of a frequency-controlled asynchronous electric drive can be used in production mechanisms in which speed is not a determining criterion for the operation of the drive, but smooth regulation of the electromagnetic torque and the possibility of its limitation in all operating modes is important. This control method is characterized by the fact that the electromagnetic moment is determined exclusively by the current module of the stator winding, and the slip control circuit is used to implement the law of maintaining the constancy of the angle between the current of the stator winding by the flow coupling of the rotor winding
Key words: electric drive executive, processing complex, asynchronous electric drive, asynchronous motor, control, current vector of the stator winding, flow coupling of the rotor winding, control law
References
1. Kurnyshev B.S. "Vector orientation of asynchronous motor variables without information about flux linkages", Bulletin of Ivanovo State Power Engineering University (Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta), 2013, no. 1, pp. 51-55.
2. Dubov A.A. Trubetskoy V.A. Tonn D.A. "Analysis of the parameters of asynchronous electric drives with controlled coordinates of the stator vector", Proc. of All Russia Student Scientific Technical Conf.: Applied Problems of Electromechanics, Power Engineering, Electronics (tr. Vseros. stud. nauch.-tehn. conf.: Prikladnye zadachi elektromekhaniki, energetiki, elektroniki), Voronezh, 2019, pp. 90-93.
3. Trubetskoy V.A., Mukonin A.K., Tonn D.A., Khort V.R. "Asynchronous frequency-controlled electric drive for industrial work", Proc. of Int. Scientific Technical Conf.: New Technologies in Scientific Research, Design, Management, Production (tr. Mezhdunar. nauch.-tehn. conf.: Novye tekhnologii v nauchnykh issledovaniyakh, proyektirovanii, upravlenii, proizvodstve), Voronezh, 2019, pp. 317-320.
4. Chernousov V.I., Trubetskoy V. A., Mukonin A.K., Sazonova T.A., Tonn D.A. "Asynchronous frequency-current electric drive of special purpose", Proc. of II of the Int. Scientific and Practical Conf.: Alternative and Intellectual Energy (Al'ternativnaya i intellektual'naya energetika: tr. II Mezh-dunar. nauch.-prakt. konf.), Voronezh, 2020, pp. 30-31.
5. Trubetskoy V.A., Efremov D.A., Shcheblykina N.I. "Frequency-regulating asynchronous electric drive for industrial work", Proc. of Scientific and Technical Conf.: Automation and Robotization of Technological Processes (tr. nauch.-tehn. conf.:
Avtomatizatsiya i robotizatsiya tekhnologicheskikhprotsessov), Voronezh, 2001, pp. 10-13.
6. Firago B.I., Vasil'ev D.S. "On the question of vector control of asynchronous motors", Energetika. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS (Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy i energeticheskikh ob"edineniy SNG), 2015, no. 5, pp. 5-16.
7. Dadenkov D.A., Solodkiy E.M., Shachkov A.M. "Modeling of the vector control system of an asynchronous motor in the MATLAB/SIMULINK package", Bulletin of Perm National Research Polytechnic University (Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogopolitekhnicheskogo universiteta), 2014, no. 11, pp. 117-128.
8. Denisov V.A., Tret'yakova M.N., Borodin O.A. "Mathematical modeling of asynchronous electric drives with vector control", Electrical and Information Complexes and Systems (Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy), 2016, vol. 12, no. 1, pp. 5-12.
Submitted 01.09.2021; revised 19.10.2021 Information about the authors
Sergey V. Anikin, Junior Researcher of the 34th Research Institute of the SIC (PPO and UA of the Air Force) Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54A Starykh Bolshevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: anikin72@mail.ru
Viktor L. Burkovskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str, Voronezh 394006, Russia), e-mail: bvl@vorstu.ru, tel. 8(473)243-77-20
Aleksandr K. Mukonin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str, Voronezh 394006, Russia), e-mail: mukonin_ak@mail.ru, tel. 8(473)243-77-20
Dmitriy A. Tonn, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str, Voronezh 394006, Russia), e-mail: tonnda@mail.ru, tel. 8(473)243-77-20
Victor A. Trubetskoy, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str, Voronezh 394006, Russia), e-mail: viktortrubetsckoi@yandex.ru, tel. 8(473)243-77-20
